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如何做出正确的决定——压电传感器（一）
2023-04-10 23:30:33· 来源：HBM 测试与测量
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
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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