壓電感測器如何工作? 壓電感測器如何工作? | HBM

壓電力感測器: 原理很簡單 – 應用很廣泛

有多種類型力感測器,最通用的是基於應變的力感測器。本文將闡述另外一種測量技術:壓電力感測器。 Thomas Kleckers - HBM 產品經理將向您詳細描述壓電力感測器是如何工作的。引用他的話來說: "原理很簡單,應用繁複多樣。"

壓電晶體

壓電式力感測器中心有一個壓電晶體,例如石英。壓電材料在機械應力作用下會產生電荷。原理很簡單:產生的電荷與所施加的機械應力成正比。電荷放大器可將電荷轉換成易於測量的0…10 V信號。這樣,輸出電壓與機械應力成正比。

壓電式力感測器的設計和操作方法

施加在晶體上的機械應力與電荷的變化成正比。換句話說,壓力越大,電荷就越大。另外,這種感測器輸出信號不取決於感測器的大小,這是一個獨特的優勢。

從結構上來說,通常,感測器包含兩個晶體元件。電極位於這兩個晶體之間。這個電極獲取晶體內向側面上的電荷。電極通過電纜連接到電荷放大器上。此外,晶體盤被置於金屬外殼中。這不僅保護晶體,並且提供與晶體的第二接觸點,因為其需要通過屏蔽電纜連接到電荷放大器。

"在晶體和電極之間以及晶體和外殼之間良好的接觸是非常重要的。因此,材料必須具有高質量、精確和均勻的表面。只有表面接觸良好,才能實現良好的電荷轉移。" Thomas Kleckers

壓電感測器特性

壓電力感測器最重要特性之一就是其可覆蓋非常大的測量範圍。換言之,同樣的感測器可以測量非常小的和非常大的力。並且尺寸小巧,有時僅有幾毫米厚。另外是高剛性,載荷下的變形是可以忽略不計的。因此,感測器對整體安裝結構影響極小。

但另外一個方面,壓電感測器更容易產生漂移,因此測量所需的電荷差不能無限期地保持。假定最大漂移量為10 N/min。一旦測量鏈斷開,這個漂移量在工作期間會降低很多。並且,不管測的力大小如何,它總是相同的。這意味著,如果長時間測量低力值,漂移的影響,要比測量大力值或進行短時間測量要大得多。

壓電力感測器應用

依據應用不同,壓電力感測器可在無需施加或施加預應力下應用。施加預應力的感測器校准後可安裝後立即使用。力墊圈在安裝後仍然需要施加預應力(通常使用螺釘或負載銷完成),因為這在不同材料表面之間產生了接觸,從而會使電荷產生轉移。這些附加配件會改變測量點的靈敏度,因此在施加預應力後需要進行調整或校準。

"對於現存系統翻新改造來說,結構小巧的壓電力感測器在空間尺寸上不存在任何問題,但需要進行校準。" Thomas Kleckers

重要的是,確保感測器在安裝環境下能提供正確的測量結果。壓電力感測器非常適合循環加載應用。正如 Thomas Kleckers 解釋的那樣,當兩個部件以限定的力連接時,如鉚接。在測量後,設備開始復位,傳感器返回零點,然後是下一個循環。因為測量時間很短,因此漂移對測量結果沒有影響。另外,利用壓電力感測器的大測量範圍,通過二次測量,能夠獲得更精確的測量結果。例如對於 500kN 的力,在第一和第二步測量之間進行“重置”,分辨率可達 100N。

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