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如何做出正确的决定-压电传感器选型指南

来源:仪器仪表网发布时间:2020.08.12 14:14:12 阅读:111

压电传感器:哪个传感器适合我的应用?

压电力传感器与基于应变的传感器具有明显不同的特性。压电力传感器由单晶片组成,在受到压力时产生电荷。一般来说,使用两个这样的切片,中间插入一个电极。整个结构被封闭在一个外壳中。电荷被电极和外壳吸收,并通过同轴电缆传输到电荷放大器。
图中显示了压电力传感器的典型结构:1 外壳;2 压电晶体;3 电极
压电传感器依赖于晶体和外壳之间的良好接触。这一方面需要对晶体和与晶体接触的部件表面进行精确加工,另一方面需要进行预应力加载。实际上,一般 10% 预应力可确保可靠接触——较高的预应力可提高计量性能。当然,预应力不得使预应力元件或传感器过载。
什么决定了压电传感器的输出信号?

对压电晶体施加力,产生电荷Q形式的输出信号,用pC(10-12c)表示。可使用以下公式计算电荷:
Q = qxy*F
其中F是力,qxy是压电常数。后者取决于所使用的晶体类型和所加载的晶体方向。最常用的材料是石英,灵敏度为4.3pc/N,温度限制为200°C。HBM 使用磷酸镓。其灵敏度约为石英的两倍(约为8 pC/N)。其温度限值为850°C,但是,由于热应力的限制,力传感器的温度极限为300°C。
压电和应变力传感器有各自的优点,如何进行选择?
 
选择压电还是应变力传感器取决于应用,在以下应用中,应首先选择压电传感器:
  • 传感器安装空间有限
  • 初始负荷高的小力测量
  • 测量范围宽
  • 非常高的温度下测量
  • 极端的过载稳定性
  • 高动态
基于应变的传感器在其他方面比压电力传感器具有优势。例如,它们能够测量张力,更经济可靠。此外,它们还提供更好的精度、无需静态校准。在参考校准测量方面,只能使用应变测量技术。
我们建议,在任何情况下,首先要满足测量任务的要求,其次选择最经济有效的方式。当决定使用压电传感器时,依然要根据应用进行选择。

  压电传感器的应用领域:

1. 传感器安装空间有限

压电力传感器结构非常紧凑 - 例如CLP系列高度仅3到5mm (依据量程)。因此,这种传感器非常适合与现有结构集成。传感器带有一个集成的电缆,结构高度非常低。传感器带有所有尺寸螺纹,从M3到M14.结构高度低要求传感器表面上的力尽可能均匀地分布。

2. 初始负荷高的小力测量

当施加力时,压电传感器产生电荷。然而,传感器受到超出实际测量的力,例如在安装期间。所产生的电荷可能短路,将电荷放大器输入端的信号设置为零。这样就可以根据要测量的实际力来调节测量范围。因此,即使初始负载与被测量的力相差很大,也能保证高测量分辨率。CMD600等高端电荷放大器可以实时连续地调节测量范围,从而支持这些应用。

3. 测量范围宽

压电传感器在多阶段中也具有优势。首先,初始施加较大的力时,可对压电测量链相应调整。第二阶段涉及力的跟踪,即小力变化测量。受益于压电传感器的特殊功能,包括物理消除电荷放大器输入端的信号。电荷放大器输入可以再次设置为零,并调整测量范围以确保高分辨率。

4. 极高温

一些应用需要在非常高的温度下测量力。在这些应用中,基于应变的力传感器达到了其物理极限。然而,CHW系列, 压电力垫圈的工作温度可高达300摄氏度。

5. 极高过载稳定性

除了少数产品外,所有压电传感器都具有相同的灵敏度。这又意味着在给定力下具有20kN量程的力传感器与700kN量程的传感器的输出信号相同。因此,在分辨率和精度方面,使用两个传感器中的哪一个是无关紧要的。测量链可以设置为极大力值,但能够测量非常小的力。

6. 高动态

压电传感器具有非常小的位移并提供相应的高刚度 - 这使它们成为用于动态应用的理想选择。然而,整个测量链对动态特性有影响。还需要考虑附件的刚度。压电测量链通常非常适合于小力值的高动态测量,而基于应变的力传感器是大力值动态测量的第一选择。

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