压电式力和力矩测量传感器.docx

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压电式力和力矩测量传感器

二、压电式力和力矩传感器

1）压电式力和力矩传感器应用及分类

应用-测量动态力

大多数的力传感器内包含弹性元件，弹性元件在力的作用下会发生变形，通过弹簧的变形可以确定作用力的大小。

为了获得较高的测量分辨力，要求弹性元件有足够大的弹性。

然而，较大的弹性却限制了传感器的频率范围。

同时由于力的作用，弹性元件的几何形状以及力臂关系均会发生变化。

为克服这一限制，奇石缘公司利用压电测量原理测量动态力。

压电材料，比如石英，在力的作用下产生与所受力成比例的电荷：

作用力越大，电荷越多。

在压电式传感器中，石英既是弹性元件，同时也是测量换能器。

由于石英的刚性很高，力作用下的位移非常小，一般在几微米内。

这种几乎无位移的测量，对于缓慢的准静态过程来说误差很小。

对于快速过程的测量，由于石英的高刚度和与之关联的高固有频率，其优越性是其它任何原理无法比拟的。

石英晶体将测量（力、压力或加速度）直接转换成输出信号，这些信号理想线性、并且无滞后。

石英传感器的其它优点为：

小型、坚固、灵敏度高和测量范围非常宽。

奇石缘公司提供四类不同的压电式力传感器：

1）单分量力传感器

2）多分量力传感器

3）应变传感器

4）扭矩传感器

单向力传感器：

这类传感器一般为环状，由两个钢环和夹在中间的对压力敏感的石英晶片组成。

单向力传感器：

对压力敏感的

石英晶片夹在

两个钢环中间。

1）垫圈式传感器是一种安装方式灵活，应用非常广泛的传感器。

置于底盘和顶盘之间的两块石英晶片在一定的预载下安装，传感器的外壳经焊接密封。

测量信号由置于石英晶片间的电极获得，并传递到输出插头。

由于传感器有中间通孔，适合于螺纹连接测量力。

传感器安装后，预紧螺栓形成一个力的旁路，一部分欲测量的力，通过预紧螺栓传递，并没有经过力传感器。

为了准确确定安装后测量链的灵敏度，必须进行现场标定。

2）用两个特殊的螺母预紧垫圈式传感器，构成拉、压力传感器。

预载后的传感器非常适合测量如杆件装配中的挤压力和拉伸力。

这类传感器出厂前预载后校准，安装方便，并可立即使用。

3）测量微小力的传感器中采用横向压电效应的狭长棒状石英敏感元件，细长的石英晶片预紧安装在传导力的传感器结构中，其压电灵敏度为垫圈式传感器的30倍。

三向力传感器：

对剪切敏感的石英晶片（Fx，Fy）与对压力敏感的石英晶片（Fz）一起组成结构紧凑的三向力传感器。

三向力传感器：

对剪力敏感的石英

晶片和对压力敏感

的石英晶片。

压电式测量原理是设计三向力传感器的理想选择。

三向力传感器的组装与单向垫圈式传感器类似。

一对具有纵向压电效应的石英晶片测量纵向分力Fz，另外两对不同剪切效应的石英晶片测量两个横向分力（Fx和Fy）。

由于剪切力只能通过摩擦传递，三向传感器必须在足够预紧力的情况下安装。

多分量力传感器一般不是由单个传感器组成，而是由三个或四个传感器一起组成测力计或测力平台，利用压电传感器的特性，可以并联具有同一灵敏度的多个传感器。

获取的输出信号等于单个力的代数和。

因此，一个测力计就像单个的多分量传感器一样，分别测量与力作用点无关的三个分力。

作用于测力计的力矩虽然对传感器有载荷作用，但由于信号并联而不能测量。

然而，当传感器不并联时，力矩可由传感器获得的单个输出信号确定。

这种测量系统测量合力的三个分力和合力矩的三个分量。

力矩以传感器排列的坐标系为基准。

大部分奇石缘测力计和测力台既适用于3分量力的测量，也适于6分量力-力矩的测量。

3分量力传感器

3分量拉压力传感器

3分量测力计，内置四个力传感器

旋转式切削测力计

应变传感器

应变传感器测量表面或结构应变间接确定过程力。

奇石缘应变传感器将应变转换为成比例的力，并产生相应的电荷信号。

部件在力的作用下产生应力和应变。

应变是受载部件长度的相对变化，因此而应变为无量纲单位。

在许多应用中，应变测量作为在部件上间接测力的方法。

与直接测力的传感器相比，用于间接测力的传感器尺寸非常小。

其优点是：

安装此种传感器对部件没有影响，与直接测力不同的是，应变测量信号与力的作用点有关。

应变既可以在结构表面测量也可以在结构内部直接测量。

压电式表面应变传感器可以通过一个螺钉固定在结构表面合适的位置。

通过螺钉固定，在传感器和结构表面之间产生摩擦力。

结构表面测量方向上的长度变化传递到传感器的敏感元件，并产生剪切向力。

表面应变传感器在复杂结构上的合适安装位置需要通过试验确定。

安装于结构内部的应变传感器需要圆柱形安装孔。

其优点是测量元件可置于最佳位置。

根据应变的方向不同，奇石缘提供测量纵向和横向应变的传感器。

为了使传感器可以测量拉压应变，需要在预紧状态下安装孔内。

与传统的应变测量技术相比较，压电式应变传感器的灵敏度非常高。

表面应变传感器纵向测量销

横向测量销用于间接测力的表面应变传感器

扭矩传感器

对剪切力敏感的石英晶片环形排列，其敏感轴与圆环切线一致，在预紧下封装，用于测量扭矩。

扭矩传感器：

剪力敏感的石英

晶片成环形排列

测量扭矩需要特殊的传感器。

先将一组剪切效应的石英晶片排列成环形，每个晶片的敏感轴方向与所在环线位置的切线一致。

然后再以单向力传感器相似的结构形式组装成扭矩传感器。

扭矩传感器必须在高预紧状态下安装，以使其能够产生足够的摩擦力传递横向力。

作用于切线方向的横向力。

由于所有的石英片并联，总输出与施加的扭矩成正比。

出厂前用两个专用螺母预紧好、并进行标定的扭矩传感器可直接用于测量。

这种传感器尤其适用于检测旋转开关的质量。

扭矩传感器扭矩测力计

另一种传感器的设计-固定式扭矩测力计，适用于检测螺栓。

扭矩测量对于确定旋转刀具的切削力起重要作用，奇石缘提供用于这种用途的旋转式测量系统。

扭矩主要用于校准拧紧设备，测量制动力的旋转式扭矩车轮等。

直接和间接测量力

直接测量力时，传感器安装在力的通道中，测量全部的力。

因此，测量非常准确，实际上与力的作用点没有关系。

当传感器不能安装在力的直接通道时，可采用间接测量方法。

部分力被通过旁路传递。

由于只有部分力被测量，间接测量的系统必须在安装后进行标定。

系统的灵敏度与力的作用点有关，此外，安装过程也会影响线性和迟滞。

二次标定

一般情况下，奇石缘的传感器在安装过程中需要加预紧力。

预紧后的传感器可以测量压力和拉力（相当于减少传感器的预紧）。

横向力通过摩擦传递。

此外，预紧可去除微间隙，从而确保测量系统的高刚度和宽频率范围。

由于预紧螺栓构成力的分流，传感器只能测量全部力的90%左右。

对于精确的测量，传感器必须在安装和预紧后进行二次标定。

2）压电式与应变式力传感器比较

压电式力传感器、扭矩和应变传感器设计非常紧凑和坚固。

测量范围可以覆盖1到106倍，具有很高的固有频率，并对干扰不敏感。

温度范围宽、抗过载能力强、寿命长、无疲劳。

压电传感器对几乎所用应用领域都适用，尤其是周期性的过程，如自动化生产过程。

与应变式传感器相比，奇石缘石英传感器具有原理上的显著优点，主要由石英的高刚度决定的。

坚固、抗过载和长期可靠

因为测量范围宽，压电传感器设计很紧凑，传感器尺寸与测量范围成比例。

由于其刚性结构，压电传感器非常坚固和抗过载。

即使在应用数几百万次后，传感器的灵敏度依然保持恒定，且永不出现疲劳。

只要按照说明书的要求使用，压电传感器的使用寿命几乎是无限的。

此外坚固设计使传感器具有很高的固有频率，对测量高动态过程很理想。

高灵敏，宽测量范围

与应变式传感器不同，石英传感器具有高达106倍的宽测量范围，由于灵敏度、最小测量阈值和分辨率与弹性变形结构的刚度无关。

压电传感器可用于测量很小的力，例如在一个较大的静载基础上的微小变化力。

压电式力传感器优点:

高达106倍的极宽测量范围

灵敏度、最小测量阈值与测量范围无关

设计紧凑，传感器尺寸与测量范围成比例

刚性高，无变形条件下的测力

抗过载、不疲劳、长期可靠

使用寿命几乎无限

固有频率高，是应变式传感器的10倍

工作稳定范围宽

对抗干扰不敏感

可并行连接，叠加测量结果

多分量传感器设计多样，选择灵活

压电传感器不能用于静态测量

由于测量链的绝缘电阻有限，只有变化才能产生信号，电荷信号不能无限长期保持不泄露。

因此压电传感器的信号没有绝对零点，不适合进行长期稳态，如称重应用。

对于周期性变化的过程测量，上述限制变成压电传感器的优点，因为它们总是测量相对力，而不是绝对力。

因此，任何静态或缓慢变化的附带状态会被自动消除。

3）力传感器的安装基础

力可由其传递路径上的全部力或部分力的模式直接测量，也可以应变方式间接测量。

在直接测力时，全部过程力通过传感器传递，而在力分流模式下，传感器只测量过程力的一部分。

应变传感器以表面应变或机器内部应变方式间接测量过程力。

部分过程力可以通过安装在传感器附近的元件传递。

这些元件形成一个力分流。

力分流也可以通过安装用于直接测量的预加载元件产生，在大多数情况下，力分流少于10％。

力分流模式应用这一效应。

安装传感器使得只有一小部分过程力被测量。

过程力的主要部分传入机械结构中。

应用这种方法可以测量超过传感器测量范围很小过程力一样，在间接测力时建立的力分流基本上是99％或更多。

无论何种传感器类型和安装方式，如果力分流状态发生变化，必须重新校准传感器。

测量方法概述

直接测力：

全部过程力通过传感器（力分流n<≈10％）

分流测力：

小部分力通过传感器（力分流n<≈10-99％）

间接测力：

极少的过程力通过传感器（力分流n>>10-99％）

直接测力

直接力测量:

在力的传递路径上安装传感器，测量全部过程力。

直接测力要求将传递力的路径断开，安装已校准的力传感器。

因此，安装的力传感器必须匹配部件的强度和刚度要求。

用于直接测力的传感器大多在安装前校准和预加载，因此安装不会影响力分流。

已校准和预加载的直接测力传感器用于要求测量绝对力和安装后不进行校准的场合，例如压装力的监控或产品测试中微小力的测量。

优点：

灵敏度高、测量精度高、重复性高、线性好、迟滞小、预加载范围大、容易安装、传感器已校准。

缺点：

当传感器安装在运动零件上时，有来自加速度力的干扰、改变了机器的强度或刚度状态、对工件的尺寸有所限制。

直接测力示意图

分流测力

分流测力：

传感器安装在机械结构中。

通常大部分过程力通过力分流传递。

当需要测量的力非常大或当传感器不能直接安装到力传递路径中时，可把传感器安装在力的分流中。

由于传感器只测量过程力的一部分，而其余的力通过分流传递，测量范围经常可以比直接测力时需要的小。

因此可以提供另一种低成本的测量方案。

分流测力的另一个优点是其非常高的抗过载能力。

如果需要测量绝对力的大小，安装在力分流上的传感器必须在安装后进行校准。

由于灵敏度是通过力分流测定的，而力分流本身依赖于力作用点，校准只有在力分流状态固定时才有效。

因此对于力作用点固定的应用，例如压装力的监控，力分流测量时首选的测量方法。

传感器的安装方式和力作用点不仅影响传感器的灵敏度，而且还影响其线性和迟滞。

力分流n[%]＝100.Fn/Fp

N=力分流（没经传感器测量的过程力比例）；Fp＝过程力；n=0（无预载，安装前的传感器）；So=安装前的传感器灵敏度；S＝安装后的传感器；Fn＝分流力。

S=So•（1－n/100）

优点：

抗过载能力强、成本低、测量的过程力比传感器的测量范围可高至100/（100－n）倍、恒定状态下测量精度可靠、高重复性。

缺点：

测量值与力作用点和力传递路径有关、测量绝对力时，需要现场校准。

间接测力

当在一个结构上施加力时，引起的结构变形可以作为与力成比例的应变来测量。

因此过程力可通过表面或结构应变间接测定。

奇石缘应变传感器把应变转换成比例的力，并产生相应的电荷信号。

因此经常称为力－应变传感器。

灵敏度由单位应变με（μm/m）对应的电荷量来确定，一般无需校准，因为应变非常小，可忽略不计。

当用来测量绝对值时，应变测量链的灵敏度（v/kN）通常总是相对力传感器作为参考来校准。

不过对于周期过程，通常监控力曲线的相对变化已足够，无需确定绝对值。

优点：

安装方式最简便、匹配现有设备简易、抗过载能力强、成本经济。

缺点：

测量值与力作用点和力的传递路径有关、测量绝对值时需要现场校准。

4）压电式测量链

大部分压电式传感器在出厂前进行标定，因此可立即用于直接测量。

具有同一灵敏度的几个传感器也可并联。

这种情况下，输出信号等于所有单个力的总和。

这些传感器通过高绝缘特殊电缆与电荷放大器相连。

电荷放大器将传感器的电荷信号成比例转换为电压信号。

电荷放大器上可以设置传感器的灵敏度和测量范围。

这种标定过的测量链输出的信号可以进行显示和后处理。

测量和分析

信号调节对于测量力、应变和扭矩等物理量非常重要。

压电传感器产生与传感器所受载荷成线性比例的电荷信号。

需用电荷放大器将电荷信号转换为电压或电流信号，然后才可以进行信号处理。

为了满足实际应用中的不同需求，奇石缘提供多种电荷放大器，它们在结构、通道数、精度、测量范围、灵敏度、带宽、滤波特性、比例输出和信号评估等方面各有不同。

当今普遍使用计算机记录测量数据。

对显示及评估力信号软件的功能和用户界面友好性等方面要求很高。

奇石缘的DasView数据分析软件特别适合配测力计或单、多向力传感器使用。

在信号分析分析方面，DasView可以在线显示信号波形，具有统计分析和图表功能。

该软件除了可对测量链的采集仪器进行设置外，还支持单个测量的数据文件生成，以及配置和测量结果数据库的建立和管理。