壓電力傳感器的案例
知識分享 | 壓電力傳感器如何工作?
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 小身材，大力值 | 壓電力傳感器是怎么工作的
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 訣竅與技巧 | 安裝壓電力傳感器的5個規則
<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 選型指南 | 如何做出正確的決定——壓電傳感器（一）
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 
壓電傳感器和應變力傳感器，如何做出正確的選擇?
<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。
展開 六氟化硫傳感器和溫濕度傳感器在電力行業的應用和檢測
SF6傳感器采用 NDIR 原理檢測，通過紅外光源，具有反應迅速靈敏、抗干擾能力強、長壽命、高精度、高重復性和高穩定性的特點。SF6傳感器是專為監測六氟化硫而設計的傳感器，可以有效監測六氟化硫的濃度，并在超過限值時及時報警，提醒人們免受傷害。
SF6傳感器主要檢測環境空氣中SF6氣體含量，當環境中SF6氣體含量超標時，能進行實時報警，可以普遍應用于電廠、變電站的高壓開關配電室以及高壓開關生產車間環境中監測六氟化硫氣體濃度，下面我們就來講一講 SF6傳感器在電力行業的應用和檢測。
純凈的六氟化硫SF6在常溫、常壓下是一種無色、無味、無毒、不燃的惰性氣體，密度是空氣的5倍，實際散熱能力比空氣好，電負性強（電子親和能3.4eV，其分子具有很強的吸附自由電子而形成負離子的能力，因而阻礙了放電的形成和發展，所以具有較高的絕緣強度）。SF6對金屬及絕緣材料無腐蝕作用，具有極好的熱穩定性，不易被分解SF6氣體在高溫下發生分解需要大量的能量，因而對弧道產生強烈的冷卻作用。SF6氣體的滅弧能力是空氣的100倍以上，且其分解氣體均具有很強的絕緣強度）。
空氣是具有一定絕緣性的，220V的電源，正負極之間保持一定距離是不會有電弧產生，不會有火花，但是如果靠的太近還是會有火花產生，危險性很大。220V是這樣，380V的安全距離會更長。而發電廠的變電站、管理幾戶幾十戶居民用電的配電室（也稱配電房，配電室，配電所）、管理一個片區用電的開關站或者環網柜等，電壓會更高，達到千伏萬伏，如何做才能既縮小體積又保證安全呢。電力行業通過GIS設備來保證安全。具體是采用一些特殊氣體作為開關設備的 絕緣介質，用滅弧介質，將母線、斷路器、隔離開關等中壓元件集中密閉在箱體中。
由于SF6氣體具有這些優勢，SF6斷路器完全取代了傳統的油開關，SF6電流互感器和電壓互感器也獲得了較快的推廣應用。
展開 金工聊測量 | 選擇壓電還是應變力傳感器？
金工說
有兩種原理的傳感器在力的測量中占據了主導地位：壓電傳感器和應變傳感器。
你知道什么時候適合哪種傳感器嗎？今天我們就來一起討論下這個話題。
技術基礎
應變傳感器有一個彈性體，力會施加到該彈性體上。該力造成彈性體的變形很小。安裝在適當點位的應變片被延長，從而導致電阻值的變化。至少有四個應變片連接成一個惠斯通電橋電路。當電壓被饋送到該測量電橋時，產生的輸出電壓與施加的力成正比。
應變傳感器的工作原理，彈性體的尺寸決定了測量范圍
壓電傳感器的設計，晶片（綠色）將所施加的力轉化為電荷，電荷由傳感器之間的電極拾取。
哪種傳感器原理適用于哪種應用？
靜態測量任務
應變傳感器幾乎沒有漂移，因此特別適合長期監測任務。所謂的蠕變（在不斷施加的力下，輸出信號依時間變化，然而這種變化是可逆的）是非常小的，因為可以通過仔細選擇應變片的布局使其最小化。來自HBM的現代傳感器，例如S2M，與測量值相關的蠕變值小于200ppm，這樣的誤差在許多應用中可以忽略不計。
鑒于其工作原理，壓電力傳感器有漂移，測量鏈已運行時，飄移量估計為1N/分鐘。由于無論測量的力如何，該值都保持不變，因此當長時間測量較小的力時，漂移導致的相對測量誤差尤其不利。
小力和大力時漂移的影響：測量5000N力時，測量周期可能更長；力較小時，漂移的影響顯著。顯然：測量周期取決于所需的精度和要測量的力。
動態力測量
壓電傳感器剛度高，受力時變形非常小。這會導致諧振頻率高，原則上這在動態應用中非常有利。然而，整個測量鏈對動態特性至關重要。
展開 精準測量的關鍵 | 標定測量鏈的三個步驟
使用CFW壓電力墊圈的力分流測量
力墊圈安裝時需要加載預應力，這同樣適用于CFW 壓電力墊圈。安裝后，力墊圈在分力模式下工作，即部分力不再通過傳感器，而是通過預應力裝置，例如CPS預應力套件。
預應力裝置會對測量鏈的靈敏度造成影響。例如，當采用CPS套件時，CFW壓電力傳感器靈敏度降低了7-12%。安裝后，應對力墊圈進行標定，以獲得可靠的靈敏度。
采用標準力傳感器進行標定
標定傳感器的方法之一是采用標準力傳感器。這需要一個力傳感器和一個放大器。基于應變原理的標準力傳感器 (C18, Z30A 系列) 特別適合這種方法。工業用力傳感器，例如S9M也可以使用。
在選擇標準力傳感器時，你必須知道，被標定的力傳感器精度不可能超過標準力傳感器的精度。
標定測量鏈的三個步驟
如上所述，壓電力墊圈 (CFW) 在安裝后，傳感器需要進行標定。這意味著，在標定后，安裝條件不能改變，尤其是需要加載預應力時。
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。
我們假設您傳感器已經被安裝，并且已經加載了預應力。預應力可以通過力墊圈直接測量。廠方的標定證書即用于此目的。調整CMD600，并提高預應力到期望值。最小為10%的額定量程。當使用CMD600電荷放大器時，需要連接電腦，并使用CMD Assistant軟件進行設置。請參考CMD600使用說明書。
展開 儲能電力安全監管，傳感器來助力
此外，加強電力安全信息報送工作，嚴格按照規定要求，及時、準確、全面報送突發事件信息，杜絕遲報、漏報、瞞報現象。
事實上，在儲能安全領域，我國已經制定了國標《電化學儲能電站安全規程》（GB/T 42288-2022），并已于今年7月1日起正式施行。近日，國家標準《電力儲能系統 并網儲能系統安全通用規范》征求意見。后續更有一批安全標準，如電化學儲能電站生產安全預案編制導則（GB/T 42312-2023）、電化學儲能電站應急演練規程（GB/T 42317-2023）、電化學儲能電站危險源辨識技術導則（GB/T 42314-2023）以及電化學儲能電站檢修規程（GB/T 42315-2023）將實施。
根據不同的儲能介質和技術路徑，儲能主要可以被歸類為五大類：機械儲能、電化學儲能、電磁儲能、熱儲能和氫儲能。其中，電化學儲能包含了多種電池類型，如鋰電池、鉛酸電池、鈉硫電池和液流電池等，是目前應用范圍最廣、發展潛力最大的電力儲能技術。
電化學儲能系統的熱管理是其產業鏈中的關鍵環節。在電化學儲能中，鋰電池占據主導地位，因此，鋰電池的熱失控是引發儲能系統安全事故的主要原因之一。
由于鋰電池熱失控會析出H2、CO、烷烴類等可燃氣體，在電池空間設置可燃氣體傳感器已逐步成為國內外標準的要求，例如國標GB 51048、美標NFPA 855同樣提出相關要求。
工采網提供紐扣式一氧化碳傳感器TGS5141，該傳感器具有靈敏度高、可靠性好、壽命長等優點，非常適用于電池熱失控檢測。
想了解更多儲能安全傳感器產品信息，請咨詢工采網在線技術工程師。
展開 電化學氫氣傳感器在電力行業的應用
在現代化的電力行業中，電化學氫氣傳感器具有廣泛的應用前景，所以在很多行業都起著很大的作用，例如電力行業，儲能，工業安全領域等。因為氫氣是一種優良的儲能介質，具有高能量密度、快速響應和靈活應用等優點，因此電力行業中大量使用氫氣作為儲能手段，而電化學氫氣傳感器則是實現氫氣安全、高效應用的關鍵技術之一。
隨著新能源技術的發展，氫能作為一項具有低碳、高效、可再生的能源形式，受到了越來越多國家和行業的重視與推廣。在電力行業中，氫燃料電池技術是一種只有水和電能作為副產品的新型能源解決方案，其效率高、清潔環保，是未來電力生產的重要發展方向之一，有著巨大的潛力和開發前景。所以，通過電化學氫氣傳感器可以實現對燃料電池工作狀態的有效監控，提高電能輸出效率并避免故障發生。
電化學氫氣傳感器可以用于監測儲能電池組工作過程中產生的氫氣濃度。目前，儲能電池廣泛應用于電力調峰、電網備用等領域，但電池老化、過充過放等問題可能導致氫氣產生并聚集，從而引發爆炸等事故。通過實時監測儲能電池組工作過程中產生的氫氣濃度，可以有效避免安全隱患。同樣，電化學氫氣傳感器還可以用于檢測變壓器等電力設備內部是否存在氫氣泄漏等問題，保障設備運行的安全性。
針對在電力行業中對氫氣的檢測，工采網推薦以下電化學氧氣傳感器使用在檢測氫氣濃度，可以有效的避免氫氣濃度過高而產生對人身以及設備安全的危害。
英國Alphasense氫氣傳感器 - H2-AF
氫氣傳感器H2-AF具有高性能體積小，靈敏度高，選擇性好，低濃度輸出線性好等優點，響應時間為100s，量程為0~2000ppm,工作環境為-30~55℃，15~90%RH,主要用在氫氣氣體變送器，各種氫氣檢測場合。
展開 NDIR六氟化硫傳感器S507-SF6在電力工業中的應用
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、高壓變壓器、氣封閉組合電容器、高壓傳輸線、互感器等。六氟化硫還因其化學惰性、無毒 、不燃及無腐蝕性，還被廣泛應用于金屬冶煉、大氣示蹤，電子制造等行業。
六氟化硫在電力工業中的主要優點如下：
A、電絕緣性能和消弧性能好，絕緣性能為空氣的2～3倍，而且氣體壓力越大，絕緣性能越增高。在294.2 kPa壓力下，六氟化硫的絕緣強度與變壓器油大致相當。
B、六氟化硫具有優越的滅弧特性。由于其電負性的作用，滅弧能力約為空氣的100倍，特別適用于高電壓大電流的開斷。
C、由于六氟化硫氣體良好的絕緣性能，使設備絕緣距離大為縮小，占地面積與空間體積大大縮小。
正是由于這些優異的電氣性能的存在，六氟化硫才在電力工業中得到了越來越多的應用。
SF6的安全隱患與檢測需求
盡管常態下的SF?氣體無毒，但在高壓電弧作用下，它會分解產生有毒物質，如氟化氫（HF）和二氧化硫（SO?）。這些分解產物即使微量也可能致命。
當SF?氣體泄漏時，其分解產物會積聚在室內低層空間，導致局部缺氧和有毒環境，嚴重威脅工作人員的安全。因此，監測SF?氣體濃度至關重要。
為應對SF?泄漏風險，電力行業采用高精度六氟化硫氣體檢測儀，其中核心傳感器為非分散紅外（NDIR）傳感器
NDIR紅外氣體傳感技術的工作原理是基于氣體對特定波長紅外線的吸收特性。
六氟化硫氣體對特定波長的紅外線具有強烈的吸收作用，當紅外線穿過含有六氟化硫氣體的區域時，部分紅外線會被吸收，吸收的程度與氣體的濃度成正比。傳感器通過測量紅外線被吸收的程度，就能準確計算出六氟化硫氣體的濃度。
展開 
紫外線傳感器UV-Arc用于電力行業配電柜中絕緣不良導致的電火花和電暈檢測
最后推薦一款用于電力行業配電柜中絕緣不良導致的電火花和電暈檢測的紫外線傳感器，由工采網從德國進口的防水紫外線傳感器 - UV-Arc,UV-Arc是一種防水傳感器，帶有一個螺紋車身(G3/4”)，將用于列車上，根據en50317測量弓幅的強度和長度。這表示受電弓和接觸網之間的接觸質量，并允許在鋼軌網絡內的鋼絲繩上找到缺陷的位置。UV-Arc傳感器是為這個特殊應用而配置的。它包含一個非常敏感的光電二極管和一個額外的fi lter來抑制太陽UVB的靈敏度。時間常數被調整到典型的電弧長度和金屬外殼提供高的電磁兼容性安全。
展開 微壓差傳感器產品及性能原理差異的核心指標
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：
1.MEMS電容式:靈敏度高，體積小，但易受溫度影響。
2.壓阻式:結構簡單，穩定性好，但靈敏度相對較低。
3.熱式:通過測量熱傳導的變化來感知壓差，適合低壓范圍，但易受氣體種類影響。
二、性能差異的核心指標：
選擇微壓差傳感器時，應關注以下關鍵性能指標：
1.量程:確定所需測量的壓差范圍。
2.精度:影響測量結果的準確性，通常以%FS(滿量程)表示。
3.分辨率:傳感器能檢測到的最小壓差變化。
4.穩定性:長期工作條件下輸出值的漂移程度。
5.響應時間:傳感器對壓差變化的反應速度。
更多閱讀： https://www.zhboyang.com/news/wenda/6846.html
展開 中南林科大吳獻章/蘭州化物所王金清：超輕GO雜化CNTs氣凝膠增強電子和機械性，用于壓阻傳感器
利用這些功能，已經證明了利用非凡的CNG作為活性材料在柔性傳感設備中的潛在應用，具有非凡的傳感性能，包括高靈敏度（48.6 kPa
-1
），超低檢測限（10 Pa）和超快響應（ 18
m
s）。
相關論文以題為
Ultralight GO-Hybridized CNTs Aerogels with Enhanced Electronic and Mechanical Properties for Piezoresistive Sensors
發表在《
ACS Appl. Mater. Interfaces
》上。
【主圖導讀】
圖
1.
（a）制作K-CNG的示意圖。（b）Ba（DS）2-CNT的示意圖。（c）超輕量（ρ= 1.52 mg cm
–3
）的K-CNGs氣凝膠站在蒲公英上。
圖
2. GO薄板中的層間錨定Ba
2+
。
圖
3.樣品的結構和化學成分表征。
（a）TEM和（b）K-CNG的放大TEM圖像。（c）P-CNG和K-CNG的拉曼光譜。（d）K-CNG，（e）GO氣凝膠和（f）P-CNG的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。
圖
4.
密度為1.52 mg cm
-3
的各種樣品的機械性能。
圖
5. K-CNG的電
子
特性。
圖
6.
基于K-CNG的壓阻傳感器的傳感性能。
展開 測量力的三種方法| 應變片、應變傳感器、力墊圈測量的優缺點
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。</li><li>利用<strong>高精度傳感器</strong>(例如S9M提供0.02精度) 來測量, 獲得分力測量無法提供的精度。</li></ul><p><br></p><div contenteditable="false" width="100%">
<hr>
</div><p><br></p><p class="ql-align-justify"><a href="https://www.hbm.com/cn/" rel="noopener noreferrer" target="_blank">官網：</a></p><p class="ql-align-justify"><span style="color: rgb(25, 27, 31);"><</span><a href="https://www.hbm.com/cn/0014/strain-gauges/?
展開 