壓電傳感器和應變力傳感器，如何做出正確的選擇?

HBK測試與測量

壓電力傳感器的設計與基于應變的傳感器具有完全不同的特性。壓電力傳感器由單晶片組成，在受到壓力時產生電荷。一般來說，使用兩個這樣的晶片，中間插入一個電極。整個結構被封閉在一個外殼中。電荷被電極和外殼吸收，并通過同軸電纜傳輸到電荷放大器。

圖中顯示了壓電力傳感器的典型結構：

壓電傳感器和應變力傳感器，如何做出正確的選擇?的圖1

1. 外殼， 2. 壓電晶體， 3. 電極

壓電傳感器依賴于晶體和外殼之間的良好接觸。這一方面需要對晶體和與晶體接觸的部件表面進行精確加工，另一方面需要使用預應力傳感器。實際上，至少10%的預應力用于確保可靠接觸——較高的預應力可提高計量性能。當然，預應力不得使預應力元件或傳感器過載。

什么決定了壓電傳感器的輸出信號？

對壓電晶體施加力，產生電荷Q形式的輸出信號，用pC（10-12c）測量。可使用以下公式計算電荷：

Q = qxy*F

其中F是力，qxy是壓電常數。后者取決于所使用的晶體類型和所加載的晶體方向。最常用的材料是石英，靈敏度為4.3pc/N，溫度限制為200°C。HBM 使用磷酸鎵。其靈敏度約為石英的兩倍（約為8 pC/N）。其溫度限值為850°C，但是，由于熱應力的限制，力傳感器的溫度極限為300°C。

壓電和應變力傳感器有各自的優點，如何進行選擇?

選擇壓電還是應變力傳感器取決于應用，在以下應用中應首先選擇壓電傳感器：

傳感器安裝空間有限
初始負荷高的小力測量
測量范圍寬
非常高的溫度下測量
極端的過載穩定性
高動態

基于應變的傳感器在其他方面比壓電力傳感器具有優勢：

它們能夠測量張力，更經濟可靠
它們能提供更好的精度、無需靜態校準
在參考校準測量方面，只能使用應變測量技術

我們建議，在任何情況下，首先要滿足測量任務的要求，其次選擇最經濟有效的方式。當決定使用壓電傳感器時，依然要根據應用進行選擇。

壓電傳感器的應用領域：

1.傳感器安裝空間有限

壓電力傳感器結構非常緊湊，例如CLP系列，高度僅3到5mm (依據量程)。因此，這種傳感器非常適合與現有結構集成。

2.初始負荷高的小力測量

當施加力時，壓電傳感器產生電荷。然而，傳感器受到超出實際測量的力，例如在安裝期間。所產生的電荷可能短路，將電荷放大器輸入端的信號設置為零。這樣就可以根據要測量的實際力來調節測量范圍。因此，即使初始負載與被測量的力相差很大，也能保證高測量分辨率。CMD600等高端電荷放大器可以實時連續地調節測量范圍，從而支持這些應用。

3.測量范圍寬

壓電傳感器在多階段中也具有優勢。想象一個多階段的沖壓過程。首先，在實際壓制過程中施加高的力。可相應調整壓電測量鏈。第二階段涉及力的跟蹤，即小力變化測量。受益于壓電傳感器的特殊功能，包括物理消除電荷放大器輸入端的信號。電荷放大器輸入可以再次設置為零，并調整測量范圍以確保高分辨率。

4.極高溫

一些應用需要在非常高的溫度下測量力。在這些應用中，基于應變的力傳感器達到了其物理極限。然而，CHW系列, 壓電力墊圈的工作溫度可高達300攝氏度。

5.極高過載穩定性

除了少數例外，所有壓電傳感器具有相同的靈敏度。這又意味著在給定力下具有20kN量程的力傳感器與700kN量程的傳感器的輸出信號相同。因此，在分辨率和精度方面，使用兩個傳感器中的哪一個是無關緊要的。測量鏈可以設置為最大力值，但能夠測量非常小的力。

6.高動態

壓電傳感器具有非常小的位移并提供相應的高剛度，這使它們成為用于動態應用的理想選擇。然而，整個測量鏈對動態特性有影響。還需要考慮附件的剛度。壓電測量鏈通常非常適合于小力值的高度動態測量。基于應變的力傳感器是大力值動態測量的第一選擇。

官網：

<HBM應變片：應力測試測量優選>

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