压电力传感器
压电力传感器是利用石英晶体的压电效应,在这个石英晶体上施加机械载荷的时石英晶体会产生正向或者负向的电荷,这个电荷再通过后端的电子信号调理仪(电荷放大器),通过电荷放大器把等比例产生的电荷信号再转换成为电压信号,然后再把它转变成为一个力的信号。
在整个测量链中,机械载荷产生的电荷量是非常难以捕捉的,所以说整个测量链中电荷放大器扮演非常重要的作用。
应变力传感器(DMS)
应变力传感器的原理是惠斯通电桥,它的组成单元主要是应变片。应变片在承受机械载荷的同时会产生一个形变,这时候会导致应变片电阻组织变化,然后整个电路会等比例输出一个电压信号,再把电压信号转化成力信号。
静态测量对比
压电力传感器并不适合静态测量,例如天平测力或静态称重。其原理是在石英晶体上施加机械载荷,产生微小的电荷量,再将其变换为力值。但由于目前无法实现完美的绝缘阻抗,电荷会随测量时间缓慢漂移。因此,压电传感器不适合用于长时间静态测量。
反观应变力传感器,其测量原理基于形变或应变片的变形。只要外部施加的力保持不变,应变力传感器输出的电信号就恒定不变。因此,在天平测力、静态称重等应用场景中,通常使用应变力传感器。
测量精度
应变力传感器能够达到非常高的精度,这是众所周知的。它很容易达到千分之一的精度,甚至可达到万分之一的计量精度。
而压电力传感器整个测量链的精度通常只能达到百分之一以内,甚至很难达到千分之一的测量水平。
绝缘阻抗与电缆影响
压电力传感器需要10TΩ(太欧)级别的绝缘阻抗,这需要使用高质量的电缆和连接器,并且要求较高的清洁工作环境。
应变力传感器只需要一根普通的同轴线缆,就能达到MΩ(兆欧)级别的绝缘阻抗。因为它更多处理的是0到10伏的电压信号
电缆移动
对应变力传感器不会产生明显的电噪声。
相反,压电力传感器使用高阻抗电缆,在弯曲或移动时会产生额外的电荷,这个额外电荷产生的噪声信号也是重要的误差来源。
温度与结构漂移
在压电力传感器中,电荷漂移虽然非常轻微,但仍然存在。这个漂移取决于设备的质量以及后期的使用和维护情况。当环境中引入温度变化时,会产生温度变化导致的电荷漂移量,这意味着会产生温度漂移误差。(机械零点漂移)
而应变力传感器在结构中(惠斯通电桥)可以方便地进行温度补偿,因此在频繁温度变化的环境中使用,具有明显的优势。
压电传感器的主要优势
1. 宽量程范围
压电力传感器具有非常宽的测力量程。在同一系列中,无论是测量量程为1N还是1000kN的传感器,其力的分辨率或测量精度几乎都是一致的,长达60年的稳定性。
而应变力传感器的有效量程只能达到满量程的30%到100%。如果使用大量程的应变力传感器测量小量程的力,分辨率就会降低。压电力传感器则不会因为大量程测小力而造成分辨率和精度的降低。
2. 灵敏度与分辨率
压电传感器的灵敏度、阈值和力分辨率不会因为传感器的尺寸和量程的变化而变化。因此,可以轻松使用大量程的压电力传感器来测量实际小于满量程一个数量级、两个甚至更多数量级的微小力。
而应变力传感器只适合测量满量程的30%到100%,无法实现大量程测小力的功能。如果遇到微小测力,只能选择更小型号的传感器进行测试。
实例说明:以某高校机车车轴重量测试为例,使用一套9071力环,量程为500kN(还有更大量程的力环)。测量车轴重量时,将电荷放大器的量程调到最大,测出的车轴重量约为20吨(200kN)。然后重置电荷放大器,将量程调到非常小,同时让司机从车窗扔出口香糖,口香糖的重量会立即在传感器一端显示出来,约为10克(0.1N)。这就是大量程测小力的典型实例。如果使用400kN量程的应变力传感器测量口香糖重量,则完全无法识别。
3. 结构外形尺寸
压电力传感器具有非常紧凑的结构尺寸。对比20kN量程的力传感器外形,应变力传感器的体积大约是压电力传感器的3到6倍。因此,在紧凑结构测力中,压电力传感器具有非常大的结构优势。
4. 刚度与频率响应
应变传感器的测量原理基于形变,更多的位移意味着更好的测量结果。这一原理导致应变传感器具有较低的固有频率。当需要测量高频力或高频响应的动态力时,就需要使用压电力传感器。因为压电力传感器具有高刚性,测量时几乎没有位移产生。
5. 测量时间特性
压电力传感器主要用于测量动态力,包括准静态测试。因其结构决定了具有高频响应的特点,速度非常快,主要用于动态测试。
而应变力传感器主要用于准静态测量或长时间测量,包括静态监测、天平或静态称重等测力应用。
6. 过载能力与使用寿命
压电力传感器通常具有较高的保护裕度和过载裕度,一般情况下至少能承受20%的过载,某些情况下短时间内可过载超过50%。而且压电力传感器没有疲劳周期,具有长期稳定的特点。
7. 使用温度范围
压电力传感器的温度范围通常为-40°C到+200°C。实际上,某些传感器已经能够达到+300°C,低温型传感器可达到-196°C,且运行情况非常稳定。
需要明确的是,这里指的是温度范围,而非温度变化或温度冲击。如果使用环境中的温度不断变化,会导致前述的漂移问题。在温度不断变化的环境中,建议使用应变力传感器。
8. 求和计算
压电力传感器非常容易进行求和计算。因为压电产生的电荷量可以通过连接器相连,直接进行电荷相加。利用这一功能,可以简单方便地进行多传感器求和测量。
9. 电荷放大器的重置功能
电荷放大器具有重置功能,即去皮功能。例如,在火车车轴重量测试中,可以在测量车轴重量的同时,通过重置和量程调整测量出口香糖的重量。再举一个例子:开始测量一个人的体重时,将电荷放大器重置并将量程调到最小,此时甚至可以测量到人的心跳跳动力。









