压电传感助力“工业4.0”

2017-11-27 08:36

很好的利用石英晶体的压电效应，当受到机械载荷时，它会产生一个与作用力成正比的电信号。

在这种情况下，石英元件的尺寸仅仅决定最大允许测量振幅。因而，大型传感器产生的信号与具有相同结构的小型传感器相当。然后使用下游放大器来设置所需的测量范围，只需一个传感器即可在几十年内进行精确测量，而无需改变机械结构。

例如，瑞士奇石乐公司（Kistler）已经开发出具有ICP输出的压电式力传感器。在这种情况下，原始信号已经在传感器中转换成5或10 V的输出电压。

由于石英晶体的刚性非常高，所以测量偏差很小，通常在数千牛顿/微米的范围内，使测量系统具有很高的固有频率，这对于高动态过程的测量非常关键。另一个重要的因素是石英和晶体没有零点偏移或线性变化等疲劳或长期影响。在某些情况下，压电传感器的使用可能会由于物理原因发生的电荷漂移而受到限制。根据被测变量的振幅和测量技术的设计，仍然可以进行持续几分钟甚至几小时的准静态测量。

应用奇石乐开发的石英传感器技术，可以直接或间接测量动态变化的力。在图2中，对于直接测量，传感器完全置于力通量（1）中，并测量整个过程动态变化的力。这种方法可以获得很高的测量精度，而且几乎与施力点无关。如果传感器不能直接被定位在力通量中，则只能测量部分力（3）。其余部分的力则施加在它安装的结构上（被称为力分流器）。通过间接力测量，应变传感器被用来通过结构应变（2）间接测量过程力。

压电传感助力“工业4.0”

图2 压电传感器测量动态变化力的几种方法

根据安装条件，可使用各种传感器来提供最佳的生产监控：1、直接测量（测量通过传感器的整个过程力）。2、间接测量（测量通过传感器的一小部分力）。3、分流测量（通过C型压力机的弯曲间接测量力）。

压电传感器在科研和工业中的应用

除考虑总体经济性外，安装条件变得越来越重要。尺寸往往是选择力传感器的关键因素。石英传感器非常稳定、坚固、紧凑，它们通常可以安装在其它技术根本无法使用的测量点上。

这些特性不仅在研发方面有着广泛的用途，还越来越多地应用于生产线和工业测试技术。

例如，对于汽车部件的老化和负载研究，如锁、门、发动机罩、行李箱甲板、座椅和弹簧等的压力、张力、碰撞和耐久性测试，需要具有长期稳定的动态力测量。在这种情况下，因为石英没有老化的迹象，所以石英力传感器优于其它传感器。因此，校准通常可以被限制在如DIN EN ISO 9001：2015等质量保证体系规定的周期内。

这些优势可以节省时间和成本。对于某些应用，石英力传感器可以提供多种技术优势，并且由于其较低的生命周期成本，因而具有大幅降低成本的优势。

压电传感助力“工业4.0”