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压电力传感器如何工作?
2022-03-23 14:47:48· 来源：HBM 测试与测量
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
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。
——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。
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