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壓電力傳感器如何工作?
2022-03-23 14:47:48· 來源：HBM 測試與測量
壓電力傳感器原理很簡單，應用很廣泛力傳感器有多種類型，最通用的是基于應變的力傳感器。本文將闡述另外一種測量技術(shù)：壓電力傳感器。 Thomas Kleckers，HBM產(chǎn)
壓電力傳感器
——原理很簡單，應用很廣泛
力傳感器有多種類型，最通用的是基于應變的力傳感器。本文將闡述另外一種測量技術(shù)：壓電力傳感器。
Thomas Kleckers，HBM產(chǎn)品經(jīng)理，將向您詳細描述壓電力傳感器是如何工作的。引用他的話來說就是“原理很簡單，應用繁復多樣”。
壓電晶體
壓電力傳感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(chǎn)生電荷。原理很簡單：產(chǎn)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(zhuǎn)換成易于測量的0-10 V信號。這樣，輸出電壓與機械應力成正比。
左圖 - 我們可以看到無應力加載的晶體
右圖 - 晶體受到機械應力，電荷對稱性分開，電荷可以在晶體的頂部和底部測量
壓電力傳感器結(jié)構(gòu)
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，這種傳感器輸出信號不取決于傳感器的大小，這是一個獨特的優(yōu)勢。
從結(jié)構(gòu)上來說，通常傳感器包含兩個晶體元件。電極位于這兩個晶體之間。這個電極獲取晶體內(nèi)側(cè)面上的電荷。電極通過電纜連接到電荷放大器上。此外，晶體盤被置于金屬外殼中。這不僅保護晶體，并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。
"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)：石英晶體將應力轉(zhuǎn)化為電荷，產(chǎn)生的電荷與施加的應力呈正比
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量范圍。換言之，同樣的傳感器可以測量非常小的和非常大的力。并且尺寸小巧，有時僅有幾毫米厚。另外是高剛性，載荷導致傳感器的變形是可以忽略不計的。因此，傳感器對整體工裝結(jié)構(gòu)影響極小。
但另外一個方面，壓電傳感器更容易產(chǎn)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。并且，不管測的力大小如何，它的漂移總是是相同的。這意味著，如果長時間測量低力值，漂移的影響要比大力值測量或短時間測量時要大得多。
左圖 - 小力值漂移效應；右圖 - 大力值漂移效應
大力值和小力值漂移效應對比，顯然小力值漂移效應更明顯。因此壓電力傳感器必須定期清零，或者采用高通濾波來抑制漂移。
壓電力傳感器應用
依據(jù)應用不同，壓電力傳感器可在施加或不施加預應力下應用。施加預應力的傳感器校準后安裝后可立即使用。力墊圈在安裝后仍然需要施加預應力（通常使用螺栓或負載銷完成），因為這在不同材料表面之間產(chǎn)生了接觸，從而會使電荷產(chǎn)生轉(zhuǎn)移。這些附加組件會改變測量點的靈敏度，因此在施加預應力后需要進行調(diào)整或校準。
"對于現(xiàn)存系統(tǒng)翻新改造來說，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題，但需要進行校準。" ——Thomas Kleckers
重要的是，壓電力傳感器非常適合循環(huán)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，如壓裝鉚接等。在測量后，設(shè)備開始復位，傳感器返回零點，然后是下一個循環(huán)。因為測量時間很短，因此漂移對測量結(jié)果沒有影響。另外，利用壓電力傳感器的大測量范圍，通過二次測量，能夠獲得更精確的測量結(jié)果。例如對于500kN的力，在第一和第二步測量之間進行“重置”，分辨率可達100N。
——原理很簡單，應用很廣泛
力傳感器有多種類型，最通用的是基于應變的力傳感器。本文將闡述另外一種測量技術(shù)：壓電力傳感器。
Thomas Kleckers，HBM產(chǎn)品經(jīng)理，將向您詳細描述壓電力傳感器是如何工作的。引用他的話來說就是“原理很簡單，應用繁復多樣”。
壓電晶體
壓電力傳感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(chǎn)生電荷。原理很簡單：產(chǎn)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(zhuǎn)換成易于測量的0-10 V信號。這樣，輸出電壓與機械應力成正比。
左圖 - 我們可以看到無應力加載的晶體
右圖 - 晶體受到機械應力，電荷對稱性分開，電荷可以在晶體的頂部和底部測量
壓電力傳感器結(jié)構(gòu)
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，這種傳感器輸出信號不取決于傳感器的大小，這是一個獨特的優(yōu)勢。
從結(jié)構(gòu)上來說，通常傳感器包含兩個晶體元件。電極位于這兩個晶體之間。這個電極獲取晶體內(nèi)側(cè)面上的電荷。電極通過電纜連接到電荷放大器上。此外，晶體盤被置于金屬外殼中。這不僅保護晶體，并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。
"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)：石英晶體將應力轉(zhuǎn)化為電荷，產(chǎn)生的電荷與施加的應力呈正比
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量范圍。換言之，同樣的傳感器可以測量非常小的和非常大的力。并且尺寸小巧，有時僅有幾毫米厚。另外是高剛性，載荷導致傳感器的變形是可以忽略不計的。因此，傳感器對整體工裝結(jié)構(gòu)影響極小。
但另外一個方面，壓電傳感器更容易產(chǎn)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。并且，不管測的力大小如何，它的漂移總是是相同的。這意味著，如果長時間測量低力值，漂移的影響要比大力值測量或短時間測量時要大得多。
左圖 - 小力值漂移效應；右圖 - 大力值漂移效應
大力值和小力值漂移效應對比，顯然小力值漂移效應更明顯。因此壓電力傳感器必須定期清零，或者采用高通濾波來抑制漂移。
壓電力傳感器應用
依據(jù)應用不同，壓電力傳感器可在施加或不施加預應力下應用。施加預應力的傳感器校準后安裝后可立即使用。力墊圈在安裝后仍然需要施加預應力（通常使用螺栓或負載銷完成），因為這在不同材料表面之間產(chǎn)生了接觸，從而會使電荷產(chǎn)生轉(zhuǎn)移。這些附加組件會改變測量點的靈敏度，因此在施加預應力后需要進行調(diào)整或校準。
"對于現(xiàn)存系統(tǒng)翻新改造來說，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題，但需要進行校準。" ——Thomas Kleckers
重要的是，壓電力傳感器非常適合循環(huán)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，如壓裝鉚接等。在測量后，設(shè)備開始復位，傳感器返回零點，然后是下一個循環(huán)。因為測量時間很短，因此漂移對測量結(jié)果沒有影響。另外，利用壓電力傳感器的大測量范圍，通過二次測量，能夠獲得更精確的測量結(jié)果。例如對于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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