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傳感器測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)問答

壓電傳感器已經(jīng)證明在快速的和周期性的過程測(cè)試是非常成功的,。應(yīng)力,、壓力,、或加速度感測(cè)器作產(chǎn)品品質(zhì)保證被廣泛地應(yīng)用於生產(chǎn)過程中,。特別是在生產(chǎn)汽車和電子工業(yè),。壓電傳感器可以在工廠里對(duì)長(zhǎng)時(shí)間的動(dòng)態(tài)的過程進(jìn)行可靠的測(cè)試，并且確保產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品質(zhì)量證明文檔需要經(jīng)常地進(jìn)行測(cè)試,。

同其他傳感器比壓電傳感器的優(yōu)點(diǎn)：

．壽命長(zhǎng)

．高靈敏度

．低臨界值(Low threshold)

．寬測(cè)試范圍

．實(shí)用的位移測(cè)試

．測(cè)試頻率高

．溫度適用范圍寬

在工業(yè)中使用壓電傳感器的例子：

．射出機(jī)模穴內(nèi)壓測(cè)試

．對(duì)柴油和汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸進(jìn)行壓力監(jiān)視

．壓力監(jiān)視和控制

．監(jiān)視自動(dòng)組裝機(jī)械連接頭的應(yīng)力

．振動(dòng)機(jī)械監(jiān)視

．機(jī)械加工的過程監(jiān)視

壓電傳感器

壓電傳感器由壓電材料和封裝材料組成,。“壓電”的意思是當(dāng)對(duì)負(fù)載施加一個(gè)力時(shí),，傳感器將會(huì)產(chǎn)生同施加力成比例的電荷,。天然石英晶體是非常理想的壓電材料，但現(xiàn)在石英晶體可以在高溫高壓下進(jìn)行人工合成,。其他壓電材料也有不同的特殊應(yīng)用,。石英晶體在傳感器內(nèi)不同的排列將會(huì)產(chǎn)生不同的效果。這個(gè)效果可以通過石英晶體的不同切型來獲得,。

a)橫向效應(yīng) (Transversal effect)

石英晶體電荷輸出在壓力接觸表面合適的角度,。電荷輸出同石英的幾何形狀和厚度有關(guān)。石英晶體是棒狀將會(huì)產(chǎn)生橫向振動(dòng),。適用公式的:   應(yīng)力和高靈敏壓力傳感器是通常使用橫向模式效應(yīng),。

b)縱向效應(yīng) (Longitudinal effect)

石英晶體電荷輸出在壓力接觸的表面。與橫向模式效應(yīng)不同,，電荷產(chǎn)生不依靠石英的幾何形狀而只同施加的力有關(guān),。石英晶體通常是盤狀，可以通過并連增加電荷的輸出,。公式: 

c)剪力模式效應(yīng) (Shear effect)

施加剪切力,，電荷在力與接觸表面產(chǎn)生公式: 

由於縱向效應(yīng)，石英的幾何形狀不影響靈敏度,。剪力效應(yīng)應(yīng)用3種典型傳感器,，力學(xué)傳感器、力矩傳感器,、加速度傳感器,。

用於壓電傳感器的放大器

工作原理小的電量電荷需要轉(zhuǎn)化電壓（5V或10V）或電流（4…20mA）進(jìn)行測(cè)試，例如在PC 或 PLC中。放大器通常用於測(cè)試技術(shù),，因放大器是將電荷轉(zhuǎn)換成電壓,。在原理上，電荷放大器包括MOS或J-FET電晶體的高增益電壓放大器,，它能在輸入獲得高絕緣阻抗,。放大器通過高絕緣電容連接到負(fù)反饋上。因此,放大器可以作積分器用於輸入電荷,。對(duì)於傳感器,，外加機(jī)械負(fù)載容易產(chǎn)生電荷變化。在輸出端顯示壓電傳感器電荷改變的積分和正比于整個(gè)電荷的改變（包括機(jī)械負(fù)載產(chǎn)生的電荷）的電壓信號(hào),。

輸入Q和輸出Uout的關(guān)系

F 載入傳感器上的機(jī)械負(fù)載（如,，應(yīng)力）

Q 傳感器輸出的電荷（如，4pC/N）

Cs 傳感器電容（如,，50pF）

Ck 電纜電容（大約 100pF/m）

CB 電容器的電容范圍

Ri 輸入電路的絕緣電阻（傳感器,、電纜、放大器輸入）

RG 用於時(shí)間常數(shù)電阻（低截止頻率）

RTP 低通輸入濾波器電阻

Vi 運(yùn)行的放大器的增益因數(shù)（大約100,000）

Uin 放大器輸入端電壓

Uout 放大器輸出端電壓

Reset 短路范圍電容器的開關(guān)（放大器的調(diào)零）

由於放大器有狠大的增益電壓（V趨近於無窮）,傳感器和電纜的電容值可以忽略不記,所以輸出電壓值正比於電荷量同范圍電容的商: 

放大器在輸入端（Ri大小1014Ω）必須是高絕緣的,對(duì)於傳感器和電纜也必須是高絕緣,否則輸出端信號(hào)將產(chǎn)生偏差,。

偏差（drift）

已經(jīng)提到的,，放大器輸入端是使用MOSFET獲得高阻抗。即使當(dāng)前最好的MOSFET也要有幾個(gè)fA的輸入漏電流,。對(duì)於好的電荷放大器,，也將引起±0.03pC/s漂移。測(cè)試信號(hào)的漂移率： 

傳感器的靈敏度（E）＝pC/N

被測(cè)試的力（F）＝N

壓電信號(hào)的準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)試的限制容易通過一個(gè)力學(xué)傳感器（靈敏度4pC/N）的實(shí)際例子確定,。力學(xué)傳感器使用測(cè)試范圍1000N,測(cè)試誤差每分鐘0.045%或22分鐘測(cè)試一次測(cè)試誤差不超過1％,。范圍電容與偏差無關(guān)。然而,，靈敏度愈高,，測(cè)試的應(yīng)力愈大，由偏差引起的錯(cuò)誤成分就越小,。

重置（Reset）

重置開關(guān)也是高絕緣的,，能使輸出信號(hào)通過短路回路的電容重置成零。在許多應(yīng)用中,，例如稱重,，機(jī)器部件固有的重量在力的測(cè)試中應(yīng)不被包括在內(nèi)。在傳感器機(jī)械的卸載的每次測(cè)量周期之前重置功能被執(zhí)行,。重置時(shí)間大約5～100ms，因此它非常適合短周期的測(cè)試和監(jiān)視使用,。重置開關(guān)可以手動(dòng)也可以通過外接數(shù)位信號(hào)操作,。半導(dǎo)體開關(guān)或彈簧片延遲被用於高阻重置開關(guān)。當(dāng)沒有電流時(shí),通常開關(guān)是關(guān)閉的，目的是防止靜電損壞高阻的輸入端,。

測(cè)試范圍（Measuring Range）

大部分電荷放大器有多個(gè)測(cè)試范圍,。測(cè)試范圍的選擇是由開關(guān)電容CB決定的。放大器輸出是10V的信號(hào),，因此可以作寬靈敏度和寬測(cè)試范圍的傳感器單信號(hào)電荷放大器使用,。電荷放大器的精度主要取決於電容CB的容限。電荷放大器有非常好的±0.05FS的線性度,。當(dāng)校正整個(gè)測(cè)試鏈或調(diào)整放大器和傳感器時(shí),，電荷放大器的錯(cuò)誤可以忽略不記。在規(guī)格限定內(nèi),，電荷放大器是有過載限定的,。過載參數(shù)由信號(hào)回轉(zhuǎn)率和電荷數(shù)量確定。J-FET放大器在不適當(dāng)?shù)膫鞲衅鬟B接時(shí)比MOS-FET對(duì)靜電放電更加敏感,，但其有相當(dāng)大的偏差和溫度依靠性,。

低通輸入濾波器（Low-Pass Input filter）

當(dāng)測(cè)試機(jī)械振動(dòng)時(shí)，由於振蕩產(chǎn)生了附加的力,。這些力或是沒有引起注意或是對(duì)監(jiān)控機(jī)器沒有表現(xiàn)出干擾,。通過使用適當(dāng)?shù)牡屯ㄝ斎霝V波器，這些干擾就能排除在外,。對(duì)於大部分的應(yīng)用,，使用10到100Hz的濾波器就已經(jīng)足夠了。濾波器在放大器的輸入端使用RC網(wǎng)路形式,。

C 電纜和傳感器的電容

RTP 低通濾波器的電阻

時(shí)間常數(shù)（高通濾波器）（Time constants( high pass filters））

時(shí)間常數(shù)象AC偶合器件一樣工作,，在示波器上顯示同樣波形。靜態(tài)信號(hào)部分被濾掉,，只留下動(dòng)態(tài)信號(hào),。時(shí)間常數(shù)是由電阻RG和電容CB產(chǎn)生的，絕緣阻抗被減小,。這樣做法就是提高測(cè)試速度,。

在AC模式，電荷放大器象高通濾波器一樣工作,。從電路中的電容和時(shí)間常數(shù)電阻計(jì)算低截止頻率,。 

Lwer cut-off frequency （fu）=Hz

Time constant（t）=s

只有當(dāng)在快速過程中動(dòng)態(tài)信號(hào)成份才被注意，時(shí)間常數(shù)才被包括在電荷放大器中,。在每次迴圈之前重置是不需要使用時(shí)間常數(shù)測(cè)試,。

工業(yè)電荷放大器對(duì)比實(shí)驗(yàn)室電荷放大器

以下分別顯示工業(yè)和實(shí)驗(yàn)室電荷放大器的一些重要特性。

 應(yīng)用:

在前幾年,，Kistler發(fā)展在特殊電荷放大器的需求,，主要強(qiáng)調(diào)的是適合工業(yè)應(yīng)用。

小型化Hybird技術(shù)使實(shí)際的電荷放大器變的更小更緊湊，他們能被非常近地裝在測(cè)試地點(diǎn),。直接放在機(jī)器上,，因此縮短了傳感器和放大器之間的距離。Hybird技術(shù)也有安裝范圍,。然而,，可變測(cè)試范圍通過積分電壓放大器的方法來調(diào)節(jié)。當(dāng)前最小的電荷放大器Type 5027（Fig.4）只有45mm×16mm,，有3個(gè)測(cè)試范圍,。

介面的耐受性:

在工廠內(nèi)，電環(huán)境都不是狠好,。由於不同的對(duì)地電勢(shì)和電磁場(chǎng)能夠干擾使測(cè)試的原始信號(hào)失真,。在一定的系統(tǒng)中（機(jī)械/測(cè)試鏈/電纜/環(huán)境），這些原因能夠被發(fā)現(xiàn),。然而,，由於其的狠好的抗干擾性，在這樣的環(huán)境中電荷放大器可以被使用的,?；旧希?span lang="EN-US">Kistler的電荷放大器和標(biāo)準(zhǔn)傳感器和電纜都符合電磁相容標(biāo)準(zhǔn)EN 50081-1/2 和 EN 50082-1/2.同樣符合安全標(biāo)準(zhǔn)EN 61010-1.而且,，新型放大器 5034使用完全的電氣隔離,。這意味著電源對(duì)地電勢(shì)和測(cè)試信號(hào)的輸入輸出被光耦合器分開，所以不會(huì)互相干擾,。

外接可調(diào)范圍開關(guān)

壓電傳感器顯著的一個(gè)特點(diǎn)就是測(cè)試范圍狠寬,。由於同傳感器工作，需要使用可調(diào)范圍開關(guān)的電荷放大器,。例如在測(cè)試幾個(gè)N和kN的力學(xué)特性,。放大器 5034 和5039外接控制測(cè)試范圍的開關(guān)。在測(cè)試過程中,，通過開關(guān)信號(hào),，測(cè)試范圍被選擇。

 多通道電荷放大器

使用一定數(shù)量的傳感器進(jìn)行測(cè)試,，需要使用多達(dá)3通道的調(diào)製多通道放大器,。壓電傳感器可以并聯(lián)使用。一個(gè)典型應(yīng)用是確定在機(jī)械加工過程中對(duì)盤子的應(yīng)力,。盤子被4個(gè)傳感器腳支撐,，每個(gè)傳感器獨(dú)立的電荷信號(hào)被合併在起到輸入放大器通道。

 后板安裝

電荷放大器 5058被設(shè)計(jì)成Euro卡模式,，能被安裝在后面板或開關(guān)盒中,?？梢愿鶕?jù)不同的測(cè)試系統(tǒng)被從新設(shè)計(jì)。

外接驅(qū)動(dòng)

對(duì)於重置／操作或調(diào)節(jié)范圍開關(guān)的輸入控制能直接連接到任何機(jī)器控制系統(tǒng),。所有工業(yè)放大器能通過TTL信號(hào)或光耦合器被操作。在無電隔離的驅(qū)動(dòng)使用簡(jiǎn)單的開關(guān)同樣可以,。工業(yè)電荷放大器的電源是24V DC,，電流小於100mA。

 控制監(jiān)視器

當(dāng)今,，生產(chǎn)過程必須不斷的使用監(jiān)視器保證產(chǎn)品質(zhì)量,。由此，量測(cè)信號(hào)可以通過PLC評(píng)估或是直接聚焦到測(cè)試地點(diǎn)以便提供測(cè)試參數(shù),?？沙炭?span lang="EN-US">Kistler 監(jiān)控器通過測(cè)試信號(hào)直接測(cè)試區(qū)分符合和不符合的部分。這減輕了電腦的PLC的工作,。電荷放大器被集成到監(jiān)控器內(nèi),。而且，能直接從傳感器獲得測(cè)試信號(hào),，并作一個(gè)函數(shù)顯示測(cè)試信號(hào),。