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选择压电还是应变力传感器?

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详细描述Detailed description

有两种原理的传感器在力的测量中占据了主导地位:压电传感器和应变传感器。

你知道什么时候适合哪种传感器吗?今天我们就来一起讨论下这个话题。

1、技术基础

应变传感器有一个弹性体,力会施加到该弹性体上。该力造成弹性体的变形很小。安装在适当点位的应变片被延长,从而导致电阻值的变化。至少有四个应变片连接成一个惠斯通电桥电路。当电压被馈送到该测量电桥时,产生的输出电压与施加的力成正比。

应变传感器的工作原理,弹性体的尺寸决定了测量范围
应变传感器的工作原理,弹性体的尺寸决定了测量范围

选择压电还是应变力传感器?
选择压电还是应变力传感器?

2、哪种传感器原理适用于哪种应用?

静态测量任务

应变传感器几乎没有漂移,因此特别适合长期监测任务。所谓的蠕变(在不断施加的力下,输出信号依时间变化,然而这种变化是可逆的)是非常小的,因为可以通过仔细选择应变片的布局使其最小化。来自HBM的现代传感器,例如S2M,与测量值相关的蠕变值小于200ppm,这样的误差在许多应用中可以忽略不计。

鉴于其工作原理,压电力传感器有漂移,测量链已运行时,飘移量估计为1N/分钟。由于无论测量的力如何,该值都保持不变,因此当长时间测量较小的力时,漂移导致的相对测量误差尤其不利。

小力和大力时漂移的影响:测量5000N力时,测量周期可能更长;力较小时,漂移的影响显著。显然:测量周期取决于所需的精度和要测量的力。

动态力测量

压电传感器刚度高,受力时变形非常小。这会导致谐振频率高,原则上这在动态应用中非常有利。然而,整个测量链对动态特性至关重要。在这里,重要的是用于安装传感器的安装部件具有额外的质量,这当然会影响系统的整体质量,从而影响截止频率。另外,许多电荷放大器的带宽取决于电荷,因此也取决于所测量的力。力度过大会导致高电荷,从而限制带宽。每当使用标称(额定)力较大的传感器时,基于应变的系统的截止频率就会更高。原则上,用于小力的力传感器是软弹性体, 传感器的共振频率相应较低。在每种情况下都必须参考数据表,但是,压电传感器是快速测量小力的首选,而应变力传感器通常在涉及力度过大时更胜一筹。

校准任务

用于连接应变片的电路使许多误差影响得到补偿。除了温度对零点和灵敏度的影响外,还有传感器的线性度或弯矩的影响。另外,使用应变传感器可以进行非常精确的静态校准。另外,可以通过弹性体的设计实现最佳再现性。因此,应变力传感器专门用于参考力测量领域。

高初始负载

当施加力时,压电传感会产生电荷,如果需要,可以将其短路。然后,电荷放大器输入的状态等于“零”力的状态。因此,即使是高初始负载,电荷放大器的输入量程也不会受到影响。因此,压电传感器技术即使在不利条件下也能以最高分辨率进行测量。

适用于恶劣环境

一些应变传感器具有IP68防护等级(S9M、U10M和电缆选项)。密封外壳可保护灵敏的应变片。在不利的环境中也可以使用这些传感器。

可提供用于压电传感器的电缆,该电缆经特殊密封,可确保与传感器外壳的连接也是密封的,进而保障了操作安全性。(KAB145-3)

精度要求高

现代力传感器达到了非常高的精度,尤其是应变传感器,其个体误差非常出色,仅为200 ppm。压电传感器的线性误差略高,通常相对于满量程为0.5%。它们还受到高漂移量的限制。在以后要进行测量的力的范围内进行校准,可以达到的精度明显更高。

适用于受限空间

压电力传感器体积非常小巧,例如CLP系列,其高度还不到4毫米。当需要集成到现有系统中时,此类传感器是最佳解决方案。在可以实现的精度方面必须做出妥协,然而,在许多应用中,对极小尺寸的要求是最重要的。

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