壓電式力和力矩傳感器.

1、二、壓電式力和力矩傳感器1）壓電式力和力矩傳感器應(yīng)用及分類應(yīng)用-測(cè)量動(dòng)態(tài)力大多數(shù)的力傳感器內(nèi)包含彈性元件，彈性元件在力的作用下會(huì)發(fā)生變形， 通過(guò)彈簧的變形可以確定作用力的大小。為了獲得較高的測(cè)量分辨力，要求彈性元件有足夠大的彈性。然而，較大的彈性卻限制了傳感器的頻率范圍。同時(shí)由于力的作用， 彈性元件的幾何形狀以及力臂關(guān)系均會(huì)發(fā)生變化。為克服這一限制，奇石緣公司利用壓電測(cè)量原理測(cè)量動(dòng)態(tài)力。壓電材料，比如石英，在力的作用下產(chǎn)生與所受力成比例的電荷：作用力越大，電荷越多。在壓電式傳感器中， 石英既是彈性元件，同時(shí)也是測(cè)量換能器。由于石英的剛性很高，力作用下的位移非常小，一般在幾微米內(nèi)。這種幾乎無(wú)位移

2、的測(cè)量，對(duì)于緩慢的準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程來(lái)說(shuō)誤差很小。對(duì)于快速過(guò)程的測(cè)量,由于石英的高剛度和與之關(guān)聯(lián)的高固有頻率，其優(yōu)越性是其它任何原理無(wú)法比擬的。石英晶體將測(cè)量（力、壓力或加速度）直接轉(zhuǎn)換成輸出信號(hào)，這些信號(hào)理想線性、并且無(wú)滯后。石英傳感器的其它優(yōu)點(diǎn)為：小型、堅(jiān)固、靈敏度高和測(cè)量范圍非常寬。奇石緣公司提供四類不同的壓電式力傳感器:1)單分量力傳感器2)多分量力傳感器3)應(yīng)變傳感器4)扭矩傳感器單向力傳感器:這類傳感器一般為環(huán)狀，由兩個(gè)鋼環(huán)和夾在中間的對(duì)壓力敏感的石英晶片組成。單向力傳感器:對(duì)壓力敏感的 石英晶片夾在 兩個(gè)鋼環(huán)中間。1）墊圈式傳感器是一種安裝方式靈活，應(yīng)用非常廣泛的傳感器。置于底盤和頂盤之

3、間的兩塊石英晶片在一定的預(yù)載下安裝，傳感器的外殼經(jīng)焊接密封。測(cè)量信號(hào)由置于石英晶片間的電極獲得，并傳遞到輸出插頭。 由于傳感器有中間通孔，適合于螺紋連接測(cè)量力。 傳感器安裝后，預(yù)緊螺栓形成一個(gè)力的旁路，一部分欲測(cè)量的力， 通過(guò)預(yù)緊螺栓傳遞， 并沒(méi)有經(jīng) 過(guò)力傳感器。為了準(zhǔn)確確定安裝后測(cè)量鏈的靈敏度，必須進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定。2）用兩個(gè)特殊的螺母預(yù)緊墊圈式傳感器，構(gòu)成拉、壓力傳感器。預(yù)載后的傳感器非常適合測(cè)量如桿件裝配中的擠壓力和拉伸力。這類傳感器出廠前預(yù)載后校準(zhǔn)，安裝方便，并可 立即使用。3）測(cè)量微小力的傳感器中采用橫向壓電效應(yīng)的狹長(zhǎng)棒狀石英敏感元件，細(xì)長(zhǎng)的石英晶30倍。片預(yù)緊安裝在傳導(dǎo)力的傳感器結(jié)構(gòu)中

4、，其壓電靈敏度為墊圈式傳感器的三向力傳感器:對(duì)剪切敏感的石英晶片（Fx，F(xiàn)y）與對(duì)壓力敏感的石英晶片（Fz） 起組成結(jié)構(gòu)緊湊的 三向力傳感器。三向力傳感器: 對(duì)剪力敏感的石英 晶片和對(duì)壓力敏感的石英晶片。壓電式測(cè)量原理是設(shè)計(jì)三向力傳感器的理想選擇。三向力傳感器的組裝與單向墊圈式傳Fz,另外兩對(duì)不同剪切效應(yīng)的感器類似。一對(duì)具有縱向壓電效應(yīng)的石英晶片測(cè)量縱向分力 石英晶片測(cè)量?jī)蓚€(gè)橫向分力（Fx和Fy）。由于剪切力只能通過(guò)摩擦傳遞，三向傳感器必須在足夠預(yù)緊力的情況下安裝。多分量力傳感器一般不是由單個(gè)傳感器組成,而是由三個(gè)或四個(gè)傳感器一起組成測(cè)力計(jì)或測(cè)力平臺(tái)，利用壓電傳感器的特性，可以并聯(lián)具有同一靈敏

5、度的多個(gè)傳感器。獲取的輸出信號(hào)等于單個(gè)力的代數(shù)和。因此，一個(gè)測(cè)力計(jì)就像單個(gè)的多分量傳感器一樣, 分別測(cè)量與力作用點(diǎn)無(wú)關(guān)的三個(gè)分力。作用于測(cè)力計(jì)的力矩雖然對(duì)傳感器有載荷作用，但由于信號(hào)并聯(lián)而不能測(cè)量。然而，當(dāng)傳感器不并聯(lián)時(shí)，力矩可由傳感器獲得的單個(gè)輸出信號(hào)確定。這種測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量合力的三個(gè)分力和合力矩的三個(gè)分量。力矩以傳感器排列的坐標(biāo)系為基準(zhǔn)。大部分奇石緣測(cè)力計(jì)和測(cè)力臺(tái)既適用于3分量力的測(cè)量，也適于 6分量力-力矩的測(cè)量。3分量力傳感器3分量測(cè)力計(jì)，內(nèi)置四個(gè)力傳感器A旋轉(zhuǎn)式切削測(cè)力計(jì)應(yīng)變傳感器應(yīng)變傳感器測(cè)量表面或結(jié)構(gòu)應(yīng)變間接確定過(guò)程力。奇石緣應(yīng)變傳感器將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為成比例的力，并產(chǎn)生相應(yīng)的電荷信號(hào)。

6、部件在力的作用下產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變。應(yīng)變是受載部件長(zhǎng)度的相對(duì)變化，因此而應(yīng)變?yōu)闊o(wú)量綱單位。在許多應(yīng)用中，應(yīng)變測(cè)量作為在部件上間接測(cè)力的方法。與直接測(cè)力的傳感器相比，用于間接測(cè)力的傳感器尺寸非常小。其優(yōu)點(diǎn)是：安裝此種傳感器對(duì)部件沒(méi)有影響，與直接測(cè)力 不同的是，應(yīng)變測(cè)量信號(hào)與力的作用點(diǎn)有關(guān)。應(yīng)變既可以在結(jié)構(gòu)表面測(cè)量也可以在結(jié)構(gòu)內(nèi)部直接測(cè)量。壓電式表面應(yīng)變傳感器可以通過(guò)一個(gè)螺釘固定在結(jié)構(gòu)表面合適的位置。通過(guò)螺釘固定,在傳感器和結(jié)構(gòu)表面之間產(chǎn)生摩擦力。結(jié)構(gòu)表面測(cè)量方向上的長(zhǎng)度變化傳遞到傳感器的敏感 元件，并產(chǎn)生剪切向力。表面應(yīng)變傳感器在復(fù)雜結(jié)構(gòu)上的合適安裝位置需要通過(guò)試驗(yàn)確定。安裝于結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)變傳感器需

7、要圓柱形安裝孔。其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量元件可置于最佳位置。根據(jù)應(yīng)變的方向不同， 奇石緣提供測(cè)量縱向和橫向應(yīng)變的傳感器。為了使傳感器可以測(cè)量拉 壓應(yīng)變，需要在預(yù)緊狀態(tài)下安裝孔內(nèi)。與傳統(tǒng)的應(yīng)變測(cè)量技術(shù)相比較，壓電式應(yīng)變傳感器的靈敏度非常高。表面應(yīng)變傳感器縱向測(cè)量銷號(hào)= * = hIIIIIIIIIIIII II IIX用于間接測(cè)力的表面應(yīng)變傳感器扭矩傳感器對(duì)剪切力敏感的石英晶片環(huán)形排列，其敏感軸與圓環(huán)切線一致，在預(yù)緊下封裝，用于測(cè)量扭矩。扭矩傳感器: 剪力敏感的石英 晶片成環(huán)形排列每個(gè)晶片的敏測(cè)量扭矩需要特殊的傳感器。先將一組剪切效應(yīng)的石英晶片排列成環(huán)形, 感軸方向與所在環(huán)線位置的切線一致。然后再以單向力傳

8、感器相似的結(jié)構(gòu)形式組裝成扭矩傳感器。扭矩傳感器必須在高預(yù)緊狀態(tài)下安裝，以使其能夠產(chǎn)生足夠的摩擦力傳遞橫向力。用于切線方向的橫向力。由于所有的石英片并聯(lián)，總輸出與施加的扭矩成正比。這種傳感器出廠前用兩個(gè)專用螺母預(yù)緊好、并進(jìn)行標(biāo)定的扭矩傳感器可直接用于測(cè)量。尤其適用于檢測(cè)旋轉(zhuǎn)開關(guān)的質(zhì)量。 扭矩測(cè)力計(jì)另一種傳感器的設(shè)計(jì)-固定式扭矩測(cè)力計(jì)，適用于檢測(cè)螺栓。扭矩測(cè)量對(duì)于確定旋轉(zhuǎn)刀 具的切削力起重要作用，奇石緣提供用于這種用途的旋轉(zhuǎn)式測(cè)量系統(tǒng)。扭矩主要用于校準(zhǔn)擰緊設(shè)備，測(cè)量制動(dòng)力的旋轉(zhuǎn)式扭矩車輪等。直接和間接測(cè)量力直接測(cè)量力時(shí)，傳感器安裝在力的通道中，測(cè)量全部的力。因此，測(cè)量非常準(zhǔn)確，實(shí)際 上與力的作用點(diǎn)

9、沒(méi)有關(guān)系。當(dāng)傳感器不能安裝在力的直接通道時(shí)，可采用間接測(cè)量方法。部分力被通過(guò)旁路傳遞。由于只有部分力被測(cè)量，間接測(cè)量的系統(tǒng)必須在安裝后進(jìn)行標(biāo)定。系統(tǒng)的靈敏度與力的作用 點(diǎn)有關(guān)，此外，安裝過(guò)程也會(huì)影響線性和遲滯。二次標(biāo)定預(yù)緊后的傳感器可以測(cè)量壓般情況下，奇石緣的傳感器在安裝過(guò)程中需要加預(yù)緊力。力和拉力（相當(dāng)于減少傳感器的預(yù)緊）。橫向力通過(guò)摩擦傳遞。此外，預(yù)緊可去除微間隙,從而確保測(cè)量系統(tǒng)的高剛度和寬頻率范圍。由于預(yù)緊螺栓構(gòu)成力的分流， 傳感器只能測(cè)量全部力的90%左右。對(duì)于精確的測(cè)量，傳感器必須在安裝和預(yù)緊后進(jìn)行二次標(biāo)定。2）壓電式與應(yīng)變式力傳感器比較壓電式力傳感器、扭矩和應(yīng)變傳感器設(shè)計(jì)非常緊湊

10、和堅(jiān)固。測(cè)量范圍可以覆蓋1 到 106倍，具有很高的固有頻率， 并對(duì)干擾不敏感。溫度范圍寬、抗過(guò)載能力強(qiáng)、壽命長(zhǎng)、無(wú)疲勞。壓電傳感器對(duì)幾乎所用應(yīng)用領(lǐng)域都適用，尤其是周期性的過(guò)程,如自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程。與應(yīng)變式傳感器相比，奇石緣石英傳感器具有原理上的顯著優(yōu)點(diǎn)，主要由石英的高剛度決定的。堅(jiān)固、抗過(guò)載和長(zhǎng)期可靠因?yàn)闇y(cè)量范圍寬，壓電傳感器設(shè)計(jì)很緊湊，傳感器尺寸與測(cè)量范圍成比例。由于其剛性結(jié)構(gòu)，壓電傳感器非常堅(jiān)固和抗過(guò)載。即使在應(yīng)用數(shù)幾百萬(wàn)次后， 傳感器的靈敏度依然保持恒定，且永不出現(xiàn)疲勞。只要按照說(shuō)明書的要求使用，壓電傳感器的使用壽命幾乎是無(wú)限的。此外堅(jiān)固設(shè)計(jì)使傳感器具有很高的固有頻率，對(duì)測(cè)量高動(dòng)態(tài)過(guò)程很

11、理想。高靈敏，寬測(cè)量范圍與應(yīng)變式傳感器不同，石英傳感器具有高達(dá)106倍的寬測(cè)量范圍，由于靈敏度、最小測(cè)量閾值和分辨率與彈性變形結(jié)構(gòu)的剛度無(wú)關(guān)。壓電傳感器可用于測(cè)量很小的力，例如在一個(gè)較大的靜載基礎(chǔ)上的微小變化力。壓電式力傳感器優(yōu)點(diǎn)高達(dá)106倍的極寬測(cè)量范圍靈敏度、最小測(cè)量閾值與測(cè)量范圍無(wú)關(guān)設(shè)計(jì)緊湊，傳感器尺寸與測(cè)量范圍成比例剛性高，無(wú)變形條件下的測(cè)力抗過(guò)載、不疲勞、長(zhǎng)期可靠使用壽命幾乎無(wú)限固有頻率高，是應(yīng)變式傳感器的10倍工作穩(wěn)定范圍寬對(duì)抗干擾不敏感可并行連接，疊加測(cè)量結(jié)果多分量傳感器設(shè)計(jì)多樣，選擇靈活壓電傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量由于測(cè)量鏈的絕緣電阻有限，只有變化才能產(chǎn)生信號(hào)，電荷信號(hào)不能無(wú)限長(zhǎng)

12、期保持不泄露。因此壓電傳感器的信號(hào)沒(méi)有絕對(duì)零點(diǎn)，不適合進(jìn)行長(zhǎng)期穩(wěn)態(tài),如稱重應(yīng)用。對(duì)于周期性變化的過(guò)程測(cè)量， 上述限制變成壓電傳感器的優(yōu)點(diǎn)， 因?yàn)樗鼈兛偸菧y(cè)量相對(duì)力， 而不是絕對(duì) 力。因此，任何靜態(tài)或緩慢變化的附帶狀態(tài)會(huì)被自動(dòng)消除。3） 力傳感器的安裝基礎(chǔ)也可以應(yīng)變方式間接測(cè)量。 在力可由其傳遞路徑上的全部力或部分力的模式直接測(cè)量， 直接測(cè)力時(shí)， 全部過(guò)程力通過(guò)傳感器傳遞， 而在力分流模式下， 傳感器只測(cè)量過(guò)程力的一部分。應(yīng)變傳感器以表面應(yīng)變或機(jī)器內(nèi)部應(yīng)變方式間接測(cè)量過(guò)程力。部分過(guò)程力可以通過(guò)安裝在傳感器附近的元件傳遞。這些元件形成一個(gè)力分流。 力分流也可以通過(guò)安裝用于直接測(cè)量的預(yù)加載元件產(chǎn)生，

13、在大多數(shù)情況下，力分流少于10。力分流模式應(yīng)用這一效應(yīng)。 安裝傳感器使得只有一小部分過(guò)程力被測(cè)量。過(guò)程力的主要部分傳入機(jī)械結(jié)構(gòu)中。 應(yīng)用這種方法可以測(cè)量超過(guò)傳感器測(cè)量范圍很小過(guò)程力一樣，在間接測(cè)力時(shí)建立的力分流基本上是99或更多。無(wú)論何種傳感器類型和安裝方式，如果力分流狀態(tài)發(fā)生變化，必須重新校準(zhǔn)傳感器。測(cè)量方法概述直接測(cè)力：全部過(guò)程力通過(guò)傳感器（力分流n< 10 %）分流測(cè)力：小部分力通過(guò)傳感器（力分流* -10-99 %）間接測(cè)力：極少的過(guò)程力通過(guò)傳感器（力分流 n>>10-99 %）直接測(cè)力直接力測(cè)量 : 在力的傳遞路徑上安裝傳感器，測(cè)量全部過(guò)程力。直接測(cè)力要求將傳遞力的

14、路徑斷開，安裝已校準(zhǔn)的力傳感器。因此，安裝的力傳感器必須匹配部件的強(qiáng)度和剛度要求。 用于直接測(cè)力的傳感器大多在安裝前校準(zhǔn)和預(yù)加載，因此安裝不會(huì)影響力分流。 已校準(zhǔn)和預(yù)加載的直接測(cè)力傳感器用于要求測(cè)量絕對(duì)力和安裝后不進(jìn)行校準(zhǔn)的場(chǎng)合，例如壓裝力的監(jiān)控或產(chǎn)品測(cè)試中微小力的測(cè)量。優(yōu)點(diǎn)： 靈敏度高、 測(cè)量精度高、 重復(fù)性高、 線性好、遲滯小、 預(yù)加載范圍大、容易安裝、傳感器已校準(zhǔn)。缺點(diǎn)： 當(dāng)傳感器安裝在運(yùn)動(dòng)零件上時(shí)，有來(lái)自加速度力的干擾、改變了機(jī)器的強(qiáng)度或剛度狀態(tài)、 對(duì)工件的尺寸有所限制。直接測(cè)力示意圖分流測(cè)力分流測(cè)力：傳感器安裝在機(jī)械結(jié)構(gòu)中。通常大部分過(guò)程力通過(guò)力分流傳遞?？砂褌鞲衅靼惭b在當(dāng)需要測(cè)量的

15、力非常大或當(dāng)傳感器不能直接安裝到力傳遞路徑中時(shí),力的分流中。由于傳感器只測(cè)量過(guò)程力的一部分，而其余的力通過(guò)分流傳遞，測(cè)量范圍經(jīng)常 可以比直接測(cè)力時(shí)需要的小。因此可以提供另一種低成本的測(cè)量方案。分流測(cè)力的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其非常高的抗過(guò)載能力。如果需要測(cè)量絕對(duì)力的大小，安裝在力分流上的傳感器必須在安裝后進(jìn)行校準(zhǔn)。由于靈敏度是通過(guò)力分流測(cè)定的，而力分流本身依賴于力作用點(diǎn)，校準(zhǔn)只有在力分流狀態(tài)固定時(shí)才有效。因此對(duì)于力作用點(diǎn)固定的應(yīng)用，例如壓裝力的監(jiān)控，力分流測(cè)量時(shí)首選的測(cè)量方法。傳感器的安裝方式和力作用點(diǎn)不僅影響傳感器的靈敏度，而且還影響其線性和遲滯。0=0%直接測(cè)力<10%間接測(cè)力n=100%靈敏

16、度分流測(cè)力力分流 n% = 100.Fn/FpN=力分流（沒(méi)經(jīng)傳感器測(cè)量的過(guò)程力比例）；1卩=過(guò)程力；n=0（無(wú)預(yù)載，安裝前的傳感器）;So=安裝前的傳感器靈敏度；S=安裝后的傳感器；Fn =分流力。S=So?（1 n/100）優(yōu)點(diǎn):n）倍、恒定狀態(tài)下測(cè)量精度可靠、高重復(fù)性。缺點(diǎn):測(cè)量值與力作用點(diǎn)和力傳遞路徑有關(guān)、測(cè)量絕對(duì)力時(shí)，需要現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)?？惯^(guò)載能力強(qiáng)、成本低、測(cè)量的過(guò)程力比傳感器的測(cè)量范圍可高至100/ （100間接測(cè)力當(dāng)在一個(gè)結(jié)構(gòu)上施加力時(shí)，引起的結(jié)構(gòu)變形可以作為與力成比例的應(yīng)變來(lái)測(cè)量。因此過(guò)并產(chǎn)生相程力可通過(guò)表面或結(jié)構(gòu)應(yīng)變間接測(cè)定。 奇石緣應(yīng)變傳感器把應(yīng)變轉(zhuǎn)換成比例的力， 應(yīng)的電荷信號(hào)

17、。因此經(jīng)常稱為力應(yīng)變傳感器。靈敏度由單位應(yīng)變 卩£ （卩m/m）對(duì)應(yīng)的電荷量來(lái)確定，一般無(wú)需校準(zhǔn)，因?yàn)閼?yīng)變非常小, 可忽略不計(jì)。當(dāng)用來(lái)測(cè)量絕對(duì)值時(shí)， 應(yīng)變測(cè)量鏈的靈敏度 （v/kN ）通?？偸窍鄬?duì)力傳感器作為參考來(lái)校準(zhǔn)。不過(guò)對(duì)于周期過(guò)程，通常監(jiān)控力曲線的相對(duì)變化已足夠，無(wú)需確定絕對(duì)值。優(yōu)點(diǎn)： 安裝方式最簡(jiǎn)便、 匹配現(xiàn)有設(shè)備簡(jiǎn)易、抗過(guò)載能力強(qiáng)、 成本經(jīng)濟(jì)。缺點(diǎn)： 測(cè)量值與力作用點(diǎn)和力的傳遞路徑有關(guān)、測(cè)量絕對(duì)值時(shí)需要現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。4 ） 壓電式測(cè)量鏈大部分壓電式傳感器在出廠前進(jìn)行標(biāo)定，因此可立即用于直接測(cè)量。 具有同一靈敏度的幾個(gè)傳感器也可并聯(lián)。 這種情況下， 輸出信號(hào)等于所有單個(gè)力的總和。 這些傳感器通過(guò)高絕緣特殊電纜與電荷放大器相連。 電荷放大器將傳感器的電荷信號(hào)成比例轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。荷放大器上可以設(shè)置傳感器的靈敏度和測(cè)量范圍。這種標(biāo)定過(guò)的測(cè)量鏈輸出的信號(hào)可以進(jìn)行顯示和后處理。測(cè)量和分析信號(hào)調(diào)節(jié)對(duì)于測(cè)量力、 應(yīng)變和扭矩等物理量非常重要。 壓電傳感器產(chǎn)生與傳感器所受載然后才可以荷成線性比例的電荷信號(hào)。 需用電荷放大器將電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓或電流