壓電力傳感器
關注創建者：HBK測試與測量 創建時間：2021-06-07
壓電力傳感器的實例教程
壓電力傳感器
——原理很簡單，應用很廣泛
力傳感器有多種類型，最通用的是基于應變的力傳感器。本文將闡述另外一種測量技術：壓電力傳感器。
Thomas Kleckers，HBM產品經理，將向您詳細描述壓電力傳感器是如何工作的。引用他的話來說就是“原理很簡單，應用繁復多樣”。
壓電晶體
壓電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0-10 V信號。這樣，輸出電壓與機械應力成正比。
左圖 - 我們可以看到無應力加載的晶體
右圖 - 晶體受到機械應力，電荷對稱性分開，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。
展開 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。</em></p><p><br></p><h2><strong>壓電力傳感器應用</strong></h2><p><strong>壓電力傳感器可按需選擇帶預應力</strong>或<strong>無預應力</strong>安裝：</p><ul><li>帶預應力的傳感器校準后可直接使用</li><li>力墊圈需用螺釘、負載銷施加預應力，保證接觸面貼合與電荷轉移，預應力施加后建議重新校準</li></ul><p class="ql-align-justify"><br></p><p class="ql-align-justify">壓電力傳感器非常適合<strong>循環加載場景</strong>：當兩個部件以限定的力連接時（如壓裝鉚接），測量完成后傳感器快速回零，漂移不影響結果；借助寬量程特性，還能通過分段測量提升精度，例如500kN量程可實現100N高分辨率測量。</p><p class="ql-align-justify"><br></p><p class="ql-align-justify">對于現有系統翻新改造，小巧的壓電力傳感器無空間適配難題，僅需完成現場校準即可穩定投入使用。
展開 <p>在工業應用領域，壓電力傳感器憑借其<strong>結構緊湊、抗過載能力強、位移小</strong>以及<strong>可用于高動態測量環境</strong>等諸多優勢，發揮著重要作用。但想要讓它穩定、精準地工作，安裝環節至關重要。今天就來給大家分享安裝壓電力傳感器必須遵守的 5 個規則。</p><p><br></p><h2><strong>1.初始應力：安裝必備的「穩定器」</strong></h2><p><img src="https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_png/0dOps7rIddrDficudYPiaoLbsaAs7XZribe6FsKTGtniaKm8H6SNdwDWCnl8d4TAP38TUSjjL54Qr6va8lzDLhpDFQ/640?wx_fmt=png&from=appmsg"></p><p>CFW力墊圈結構平滑且沒有加載預應力，因此安裝時需要<strong>加載預應力</strong>。這類傳感器在安裝時必須進行標定。<strong>力墊圈預應力加載</strong>是保證傳感器的線性和耐久性的必要條件。預應力意味著安裝時另外一個機械部件必須和力傳感器平行安裝。我們建議對力墊圈必須要加載至少10%的量程的預應力。力墊圈自身可以用來測量初始應力。</p><p><br></p><p>此時，測量力的部分被預應力元件分流，因此在安裝時，<strong>預應力</strong>和<strong>分流力</strong>都需要測量。在安裝完成后<strong>標定力墊圈</strong>是必須的，也就是比較傳感器的輸出信號和已知力。測量結果的精度主要依據標定精度。
展開 壓電傳感器：哪個傳感器適合我的應用？
壓電力傳感器與基于應變的傳感器具有明顯不同的特性。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，使用兩個這樣的切片，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：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，另一方面需要進行預應力加載。實際上，一般 10% 預應力可確保可靠接觸——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）表示。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。
展開 <p>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。</p><p><br></p><p><em>圖中顯示了壓電力傳感器的典型結構：</em></p><p><img src="https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_jpg/0dOps7rIddo7ibSC0aevteeUGz0LPLshjia17MpC1AfpsjGlEVSmB6vXqKJwYXkFk0vEPaXOlM6Rp8E7PZC1skwA/640?wx_fmt=webp&from=appmsg"></p><p><em>1. 外殼， 2. 壓電晶體， 3. 電極</em></p><p><br></p><p>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。</p><p><br></p><p><br></p><p><strong>什么決定了壓電傳感器的輸出信號？</strong></p><p>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：</p><p>Q = qxy*F</p><p>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。
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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。
微壓差傳感器在醫療、暖通空調、潔凈室等領域應用廣泛。面對市場上琳瑯滿目的產品，了解其性能原理上的差異至關重要。不同應用場景對傳感器的要求不同。醫療設備可能更注重精度和穩定性，而暖通空調系統則更關注成本效益。因此，在選擇時應充分考慮應用需求，權衡各項性能指標，選擇最適合的產品。
一、產品多樣，原理各異：
市面上常見的微壓差傳感器主要基于以下幾種原理
六氟化硫是在高溫下硫和氟反應制得（即：S+3F2→SF6 ），六氟化硫在常溫常壓下為無色無臭無毒的氣體。不燃燒導熱系數比空氣小，為優良的冷卻介質。其獨特穩定的正八面體分子結構，使其化學性能也極不活潑，在電氣設備運行正常范圍內，與銅、鋼和鋁等電氣材料不起化學反應。沒有腐蝕性，藥物學性質不活潑，沒有毒，微溶于水。
六氟化硫（SF6）以其良好的絕緣性能和滅弧性能，被廣泛應用于電器工業，如：斷路器、高壓開關
精準測量的關鍵 | 標定測量鏈的三個步驟10個月前
在標定時，需要考慮三個步驟：
安裝后需要測量傳感器靈敏度：當力加載到傳感器上，壓電力傳感器將產生電荷。靈敏度可以通過以下等式計算出 (靈敏度 = 電荷/力).
設置電荷放大器：CMD600數字電荷放大器的量程可以自由調整的。上述的靈敏度在助手軟件中就可以計算出。為了保證分辨率，量程必須進行設定。
驗證結果：我們推薦您再次比對標定測量鏈和壓電測量鏈的區別。
<p>在工業應用領域，壓電力傳感器憑借其<strong>結構緊湊、抗過載能力強、位移小</strong>以及<strong>可用于高動態測量環境</strong>等諸多優勢，發揮著重要作用。但想要讓它穩定、精準地工作，安裝環節至關重要。今天就來給大家分享安裝壓電力傳感器必須遵守的 5 個規則。
然而在進行高精度測量時，應變或壓電力傳感器是第一選擇，其具有更高的精度，原因如下：</p><ul><li><strong>安裝后無需調整力傳感器</strong>, 因為傳感器已經在工廠進行了校準。在對分力進行測量時，一般都需要在被測物體上校準。</li><li><strong>測量不確定性已知</strong>，并可以通過<strong>選擇傳感器型號</strong>來降低不確定性。
<p>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。
在2023年8月7日，國家能源局綜合司發布了《關于認真貫徹落實全國安全生產電視電話會議精神 進一步加強電力安全監管工作的通知》。該通知強調了近年來我國電力系統結構的日益復雜性和調控難度的逐步加大，以及發電機組更頻繁參與深度調峰所導致的設備磨損折舊加劇等問題。此外，電力保供的需求使得設備長期在線運行，檢修時間窗口縮窄；同時，電力企業效益下滑以及“新冠疫情”對生產要素流動的遲滯效應，導致電力設備隱患治理
氫氣（Hydrogen）是氫元素形成的一種單質，化學式H2，分子量為2.01588。常溫常壓下氫氣是一種無色無味極易燃燒且難溶于水的氣體。氫氣的密度為0.089g/L（101.325kpa,0°C），只有空氣的1/14，是世界上已知的密度最小的氣體。 所以氫氣可作為飛艇、氫氣球的填充氣體（由于氫氣具有可燃性，安全性不高，飛艇現多用氦氣填充）。氫氣與電負性大的非金屬反應顯示還原性，與活潑金屬反應顯示氧化性
適用于受限空間
壓電力傳感器體積非常小巧，例如CLP系列，其高度還不到4毫米。當需要集成到現有系統中時，此類傳感器是最佳解決方案。在可以實現的精度方面必須做出妥協，然而，在許多應用中，對極小尺寸的要求是最重要的。
希望以上介紹可以幫助您選出合適的力傳感器，如果還有任何關于HBM產品的問題，也歡迎您隨時聯系我們。
