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      環形壓電石英沖擊力傳感器-結構-優點缺點-輸出信號

      環形壓電石英沖擊力傳感器-結構-優點缺點-輸出信號

      作者:胡工????來源:www.pocketmacsupport.net????發布時間:2020-02-15 10:30:41????瀏覽量:
        壓電力傳感器,就是采用壓電原理制作而成的力傳感器,
       
        壓電效應:某些電介質在沿一定方向上受到外力的作用而變形時,其內部會產生極化現象,同時在它的兩個相對表面上出現正負相反的電荷。當外力去掉后,它又會恢復到不帶電的狀態,這種現象稱為正壓電效應。我們的石英表,集成電路內部的石英晶振也都是采用這種原理制作而成。
       
        壓電晶體
       
        壓電式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生電荷。原理很簡單:產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換成易于測量的0…10V輸出信號。這樣,輸出電壓與機械應力基本上成正比。
       
        左邊,我們可以看到無應力的晶體。右邊,晶體受到機械應力:電荷呈對稱中心分開,電荷可以在晶體的頂部和底部測量。
       
        壓電力傳感器結構
       
        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,這是一個獨特的優勢。
       
        從結構上來說,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向側面上的電荷。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。
       
        "在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,材料必須具有高質量、精確和均勻的表面。只有表面接觸良好,才能實現良好的電荷轉移。"
        壓電傳感器結構圖。石英晶體將應力轉化為電荷,產生的電荷與施加的應力呈正比。
       
        壓電力傳感器優點
       
        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,載荷下的變形是可以忽略不計的。因此,傳感器對整體工裝結構影響極小。
       
        壓電式傳感器的優點是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結構簡單、工作可靠和重量輕等。壓電晶體可長期工作溫度可達到400℃以上,瞬間(10個毫秒級)沖擊溫度可達4000K以上,可承受很高的表面壓力(》150N/mm2)、剛度很高、線性好、遲滯小、在很寬的溫度范圍內靈敏度恒定、頻響范圍寬、可承受幾乎無限的載荷循環數,絕緣阻抗非常高。

        壓電力傳感器缺點
       
        但另外一個方面,壓電傳感器更容易產生漂移,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10n/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,漂移的影響要比測量大力值或進行短時間測量要大得多。
       
        小力值漂移效應                                                                        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
       
        依據應用不同,壓電力傳感器可在無需施加或施加預應力下應用。施加預應力的傳感器校準后可安裝后立即使用。力墊圈在安裝后仍然需要施加預應力(通常使用螺釘或負載銷完成),因為這在不同材料表面之間產生了接觸,從而會使電荷產生轉移。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整或校準。
       
        "對于現存系統翻新改造來說,結構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。"
       
        重要的是,確保傳感器在安裝環境下能提供正確的測量結果。壓電力傳感器非常適合循環加載應用。當兩個部件以限定的力連接時,如鉚接。在測量后,設備開始復位,傳感器返回零點,然后是下一個循環。因為測量時間很短,因此漂移對測量結果沒有影響。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。
       
        總的來說,壓電力傳感器非常適用于傳感器安裝空間小,頻率響應高,高溫度,力不是特別大的應用場合,我們在選擇傳感器的時候,一定需要多方考慮,保證實驗結果的準確性!


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