壓電力傳感器
——原理很簡(jiǎn)單，應(yīng)用很廣泛



力傳感器有多種類(lèi)型，最通用的是基于應(yīng)變的力傳感器。本文將闡述另外一種測(cè)量技術(shù)：壓電力傳感器。

Thomas Kleckers，HBM產(chǎn)品經(jīng)理，將向您詳細(xì)描述壓電力傳感器是如何工作的。引用他的話來(lái)說(shuō)就是“原理很簡(jiǎn)單，應(yīng)用繁復(fù)多樣”。

壓電晶體

壓電力傳感器中心有一個(gè)壓電晶體，例如石英。壓電材料在機(jī)械應(yīng)力作用下會(huì)產(chǎn)生電荷。原理很簡(jiǎn)單：產(chǎn)生的電荷與所施加的機(jī)械應(yīng)力成正比。電荷放大器可將電荷轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的0-10 V信號(hào)。這樣，輸出電壓與機(jī)械應(yīng)力成正比。


左圖 - 我們可以看到無(wú)應(yīng)力加載的晶體
右圖 - 晶體受到機(jī)械應(yīng)力，電荷對(duì)稱性分開(kāi)，電荷可以在晶體的頂部和底部測(cè)量

壓電力傳感器結(jié)構(gòu)

施加在晶體上的機(jī)械應(yīng)力與電荷的變化成正比。換句話說(shuō)，壓力越大，電荷就越大。另外，這種傳感器輸出信號(hào)不取決于傳感器的大小，這是一個(gè)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，通常傳感器包含兩個(gè)晶體元件。電極位于這兩個(gè)晶體之間。這個(gè)電極獲取晶體內(nèi)側(cè)面上的電荷。電極通過(guò)電纜連接到電荷放大器上。此外，晶體盤(pán)被置于金屬外殼中。這不僅保護(hù)晶體，并且提供與晶體的第二接觸點(diǎn)，因?yàn)槠湫枰ㄟ^(guò)屏蔽電纜連接到電荷放大器。

"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(zhì)量、精確和均勻的表面。只有表面接觸良好，才能實(shí)現(xiàn)良好的電荷轉(zhuǎn)移。" ——Thomas Kleckers


壓電傳感器結(jié)構(gòu)：石英晶體將應(yīng)力轉(zhuǎn)化為電荷，產(chǎn)生的電荷與施加的應(yīng)力呈正比

壓電力傳感器特性

壓電力傳感器最重要特性之一就是其可覆蓋非常大的測(cè)量范圍。換言之，同樣的傳感器可以測(cè)量非常小的和非常大的力。并且尺寸小巧，有時(shí)僅有幾毫米厚。另外是高剛性，載荷導(dǎo)致傳感器的變形是可以忽略不計(jì)的。因此，傳感器對(duì)整體工裝結(jié)構(gòu)影響極小。

但另外一個(gè)方面，壓電傳感器更容易產(chǎn)生漂移，因此測(cè)量所需的電荷差不能無(wú)限期地保持。假定最大漂移量為10 n/min。一旦測(cè)量鏈斷開(kāi)，這個(gè)漂移量在工作期間會(huì)降低很多。并且，不管測(cè)的力大小如何，它的漂移總是是相同的。這意味著，如果長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量低力值，漂移的影響要比大力值測(cè)量或短時(shí)間測(cè)量時(shí)要大得多。


左圖 - 小力值漂移效應(yīng)；右圖 - 大力值漂移效應(yīng)

大力值和小力值漂移效應(yīng)對(duì)比，顯然小力值漂移效應(yīng)更明顯。因此壓電力傳感器必須定期清零，或者采用高通濾波來(lái)抑制漂移。

壓電力傳感器應(yīng)用

依據(jù)應(yīng)用不同，壓電力傳感器可在施加或不施加預(yù)應(yīng)力下應(yīng)用。施加預(yù)應(yīng)力的傳感器校準(zhǔn)后安裝后可立即使用。力墊圈在安裝后仍然需要施加預(yù)應(yīng)力（通常使用螺栓或負(fù)載銷(xiāo)完成），因?yàn)檫@在不同材料表面之間產(chǎn)生了接觸，從而會(huì)使電荷產(chǎn)生轉(zhuǎn)移。這些附加組件會(huì)改變測(cè)量點(diǎn)的靈敏度，因此在施加預(yù)應(yīng)力后需要進(jìn)行調(diào)整或校準(zhǔn)。

"對(duì)于現(xiàn)存系統(tǒng)翻新改造來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)小巧的壓電力傳感器在空間尺寸上不存在任何問(wèn)題，但需要進(jìn)行校準(zhǔn)。" ——Thomas Kleckers

重要的是，壓電力傳感器非常適合循環(huán)加載應(yīng)用。正如Thomas Kleckers解釋的那樣，當(dāng)兩個(gè)部件以限定的力連接時(shí)，如壓裝鉚接等。在測(cè)量后，設(shè)備開(kāi)始復(fù)位，傳感器返回零點(diǎn)，然后是下一個(gè)循環(huán)。因?yàn)闇y(cè)量時(shí)間很短，因此漂移對(duì)測(cè)量結(jié)果沒(méi)有影響。另外，利用壓電力傳感器的大測(cè)量范圍，通過(guò)二次測(cè)量，能夠獲得更精確的測(cè)量結(jié)果。例如對(duì)于500kN的力，在第一和第二步測(cè)量之間進(jìn)行“重置”，分辨率可達(dá)100N。