【技术之源】压电测量技术的效益

本文来自于《控制工程中文版》（CONTROL ENGINEERING China ）2017年5月刊，原标题为：压电测量技术的效益

基于压电原理的测量技术，显著提高了工业过程的可靠性和生产效率。

在公司的生产链中，基于压电原理的测量技术，显著提高了过程的可靠性，再加上生产率的不断提高，为产品在连接、组装和测试等方面实现零缺陷打开了大门。

压电测量技术通过测量力、压力、加速度和扭矩来优化和控制生产过程。当机械负荷作用于传感器所用的石英晶体时，晶体产生的电荷信号与直接作用于它的力成正比。由于晶体具有较高的刚性，因此测量值比较低，通常在几微米的范围内。当测试过程较快和动态变化时，具有较高固有频率的石英就被证明是一个优势。根据与作用力有关的极轴位置的不同，压电效应也有差异。

压电效应可与石英晶体配合使用。当受到机械压力时， 它会产生一个与作用力成正比的电荷信号。图片来源：Kistler 集团

在剪切效应中所涉及的压电灵敏度与压电元件尺寸和形状无关。剪切敏感的压电元件用于测量剪切力、扭矩和应变的传感器，还有加速度计。它们适用于传感器，即使温度发生变化也表现出色。

电荷放大器将压电传感器产生的电荷线性转换成为电压。该放大器起到积分器的作用，利用可调电容器上的传感器稳定补偿电荷，该补偿与放大器成比例。

石英传感器允许直接和间接的应力测量。对于直接测量，传感器被完全放置在力通量内，它测量的是全力。这种测量方法精度较高，几乎与力施加点无关。如果传感器不能直接放置在力通量内，则它只能测量部分力；其余部分则传递到它所安装的结构。利用间接力测量，通过测量结构上的应变来测量过程力。

石英传感器特别稳定、坚固、紧凑。这些特性使其在研究、开发以及生产和工业测试技术中获得广泛应用。

利用压电石英力传感器进行测量，具有可以提供动态和准静态测量的好处。例如，在汽车零部件领域的老化和负载调查，需要进行动态力测量。石英力传感器包括有源传感器元件，可以在输出端产生与作用力成正比的线性电荷信号。

这意味着，由于该力是通过传感器元件直接测量，而不是间接地通过结构变形来测量，因此可以用于多个测量范围。这一特点解释了为什么这些测量元件的生命周期可以长达几十年，并且在测量不同力时不需要更换元件。

用于过载保护的压电传感器具有的另一个好处就是压电石英力传感器对负载有反应，而不是应变。这就意味着，在测量的时候几乎没有位移发生测量。大多数传感器的压力电阻为3 x 108 Pa，所以允许发生较大的过载，而不会发生由压力导致的破坏。

即使传感器过载超出其所允许的测量范围，也不会发生损坏，也不会有零点偏移、疲劳或线性变化。