压电力传感器如何工作?

压电力传感器

——原理很简单，应用很广泛

力传感器有多种类型，最通用的是基于应变的力传感器。本文将阐述另外一种测量技术：压电力传感器。

Thomas Kleckers，HBM产品经理，将向您详细描述压电力传感器是如何工作的。引用他的话来说就是“原理很简单，应用繁复多样”。

压电晶体压电力传感器中心有一个压电晶体，例如石英。压电材料在机械应力作用下会产生电荷。原理很简单：产生的电荷与所施加的机械应力成正比。电荷放大器可将电荷转换成易于测量的0-10 V信号。这样，输出电压与机械应力成正比。

左图 - 我们可以看到无应力加载的晶体

右图 - 晶体受到机械应力，电荷对称性分开，电荷可以在晶体的顶部和底部测量

压电力传感器结构施加在晶体上的机械应力与电荷的变化成正比。换句话说，压力越大，电荷就越大。另外，这种传感器输出信号不取决于传感器的大小，这是一个独特的优势。

从结构上来说，通常传感器包含两个晶体元件。电极位于这两个晶体之间。这个电极获取晶体内侧面上的电荷。电极通过电缆连接到电荷放大器上。此外，晶体盘被置于金属外壳中。这不仅保护晶体，并且提供与晶体的第二接触点，因为其需要通过屏蔽电缆连接到电荷放大器。

"晶体和电极之间以及晶体和外壳之间良好的接触是非常重要的。因此，材料必须具有高质量、精确和均匀的表面。只有表面接触良好，才能实现良好的电荷转移。" ——Thomas Kleckers

压电传感器结构：石英晶体将应力转化为电荷，产生的电荷与施加的应力呈正比

压电力传感器特性压电力传感器最重要特性之一就是其可覆盖非常大的测量范围。换言之，同样的传感器可以测量非常小的和非常大的力。并且尺寸小巧，有时仅有几毫米厚。另外是高刚性，载荷导致传感器的变形是可以忽略不计的。因此，传感器对整体工装结构影响极小。

但另外一个方面，压电传感器更容易产生漂移，因此测量所需的电荷差不能无限期地保持。假定最大漂移量为10 n/min。一旦测量链断开，这个漂移量在工作期间会降低很多。并且，不管测的力大小如何，它的漂移总是是相同的。这意味着，如果长时间测量低力值，漂移的影响要比大力值测量或短时间测量时要大得多。

左图 - 小力值漂移效应;右图 - 大力值漂移效应大力值和小力值漂移效应对比，显然小力值漂移效应更明显。因此压电力传感器必须定期清零，或者采用高通滤波来抑制漂移。

压电力传感器应用依据应用不同，压电力传感器可在施加或不施加预应力下应用。施加预应力的传感器校准后安装后可立即使用。力垫圈在安装后仍然需要施加预应力(通常使用螺栓或负载销完成)，因为这在不同材料表面之间产生了接触，从而会使电荷产生转移。这些附加组件会改变测量点的灵敏度，因此在施加预应力后需要进行调整或校准。

"对于现存系统翻新改造来说，结构小巧的压电力传感器在空间尺寸上不存在任何问题，但需要进行校准。" ——Thomas Kleckers

重要的是，压电力传感器非常适合循环加载应用。正如Thomas Kleckers解释的那样，当两个部件以限定的力连接时，如压装铆接等。在测量后，设备开始复位，传感器返回零点，然后是下一个循环。因为测量时间很短，因此漂移对测量结果没有影响。另外，利用压电力传感器的大测量范围，通过二次测量，能够获得更精确的测量结果。例如对于500kN的力，在第一和第二步测量之间进行“重置”，分辨率可达100N。