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什么是石英傳感器,如何挑選力傳感器

來(lái)源:未知 發(fā)布時(shí)間:2018-10-12熱度:

1. Q: 石英力傳感器與載荷傳感器是同一種傳感器嗎?
    A: 從傳感器的名字來(lái)講-力和載荷-有時(shí)是可以互換的。然而,載荷傳感器更多指的是應(yīng)變式靜態(tài)力傳感器,石英力傳感器為壓電式(PE)的裝置。

2. Q: 在通常的稱重應(yīng)用中,石英力傳感器可以跟應(yīng)變式載荷傳感器互換嗎?
    A:
 答案是:不可以。由于壓電漂移和放電時(shí)間常數(shù)的影響,石英力傳感器不能長(zhǎng)時(shí)間對(duì)物體進(jìn)行稱重測(cè)量。PE力傳感器不能實(shí)現(xiàn)DC (0 Hz)響應(yīng)。

3. Q: 與電阻應(yīng)變式傳感器相比壓電石英力傳感器具有哪些優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)?
    A: 
動(dòng)態(tài)范圍 –定義為傳感器可測(cè)量的***小幅值(本底噪聲)至***大幅值(滿量程)的比率。石英力傳感器的動(dòng)態(tài)范圍比電阻應(yīng)變式高10倍以上。

       剛度 – 石英力傳感器的剛度一般比電阻應(yīng)變式傳感器高10倍以上。

       靈敏度穩(wěn)定性 – 石英力傳感器由無(wú)活動(dòng)件的固體組件制造,無(wú)老化效應(yīng)。

       線性測(cè)量范圍 – PE石英力傳感器的線性測(cè)量范圍是應(yīng)變式載荷傳感器的數(shù)倍。工作量程能夠擴(kuò)展到1000倍以上。

       溫度范圍 –電荷型石英力傳感器工作溫度可達(dá)400 °F (204 °C)。電阻應(yīng)變式只能到 200 °F (93 °C).

       尺寸 – 量程為 5,000 lb (22 kN) 的石英力傳感器直徑尺寸為0.75 inch (19 mm) ,而具有相同測(cè)量能力的電阻應(yīng)變式的尺寸為 3-4 inch (76-102 mm) 。

       壽命周期成本 – 石英力傳感器由于剛度很大,具有更長(zhǎng)的使用壽命。而且需要校準(zhǔn)的次數(shù)比電阻應(yīng)變式要少。

 4. Q: 石英力傳感器的上升時(shí)間指的是什么?
    A: 上升時(shí)間定義為:給力傳感器施加一個(gè)階躍信號(hào),傳感器從***終穩(wěn)定值的10%到90%所用的時(shí)間。
         自由狀態(tài)(未安裝)下,傳感器的上升時(shí)間可以通過(guò)取傳感器自然頻率的倒數(shù)大體獲得。

 

              
     其中:
     fn = 自然頻率(Hz)
     Tp = 峰值時(shí)間(s) 
       可是,計(jì)算實(shí)際的上升時(shí)間會(huì)由于不同應(yīng)用引起的安裝自然頻率不同而變得十分復(fù)雜。由于附加的質(zhì)量存在,傳感器的自然頻率會(huì)降  低。通常對(duì)于安裝好的力傳感器的峰值時(shí)間為自然周期的四分之一。 
     
     舉例1: PCB® 的力環(huán),型號(hào)為 202B ,自由狀態(tài)下的自然頻率為 60 kHz.
     峰值時(shí)間計(jì)算:     
   

 

 
       如圖1,一個(gè)事件的上升時(shí)間。對(duì)于測(cè)試來(lái)講,保證傳感器的上升時(shí)間比事件的上升時(shí)間短很多是非常重要的。如果事件的上升時(shí)間比傳感器的短,將引起傳感器共振,那個(gè)疊加在記錄的數(shù)據(jù)上。對(duì)于上述所示圖形中的事件,PCB®公司的載荷傳感器1102-01A 不適合,因?yàn)樗纳仙龝r(shí)間為89.2 µsec,數(shù)據(jù)會(huì)顯示出明顯的振鈴現(xiàn)象。 石英ICP® 力傳感器202B 將不會(huì)出現(xiàn)上述問(wèn)題,因?yàn)樗纳仙龝r(shí)間為 4.1 µsec ,如舉例1計(jì)算結(jié)果。

5. Q:在壓電式(PE)力傳感器中,使用石英晶體與使用陶瓷材料相比有何優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)?
    A:長(zhǎng)期穩(wěn)定性好 – 石英為自然壓電晶體,不會(huì)受到大的機(jī)械,熱或者電氣沖擊的影響。
    具有短時(shí)靜態(tài)校準(zhǔn)能力 – 常見(jiàn)的定負(fù)載準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)可以通過(guò)使用電荷放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)。陶瓷元件需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)。
    剛度要高得多 –從很小的輸入到滿量程均具有極好的線性度。
    熱敏感性更小 – 在很寬的工作溫度范圍內(nèi),靈敏度變化很小。
    電容值更低– 可以輸出更高的電壓 (電壓 = 電荷量 / 電容),更小的噪聲。


6. Q:為什么有些石英力傳感器只能測(cè)量壓縮力,而有的卻可以同時(shí)測(cè)量拉伸力和壓縮力?
    A: 壓-拉力的輸出能力取決于石英力傳感器的構(gòu)造。有些型號(hào),比如208系列, 通過(guò)對(duì)石英元件施加內(nèi)部預(yù)緊,這種設(shè)計(jì)使得傳感器易于附著在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行拉壓測(cè)量。
        其它的力鏈和力環(huán)的設(shè)計(jì)沒(méi)有內(nèi)部預(yù)緊,對(duì)于力鏈性傳感器,預(yù)緊安裝硬件在傳感器的外部,并圍繞傳感器施加預(yù)緊。這種生產(chǎn)工藝也使傳感器能進(jìn)行拉壓測(cè)量,并易于安裝。
         力環(huán)的預(yù)緊經(jīng)常作為安裝過(guò)程的一部分來(lái)進(jìn)行。任何通過(guò)安裝硬件施加的預(yù)緊力值都可能會(huì)使傳感器得到預(yù)緊。對(duì)一個(gè)力環(huán)一百磅的預(yù)緊,將使得傳感器具有大約100磅的拉伸負(fù)載的測(cè)量能力。


7. Q:力環(huán)和力鏈的區(qū)別在哪里?
    A: 力鏈就是通過(guò)兩個(gè)大螺母預(yù)緊過(guò)的簡(jiǎn)單力環(huán)。螺母可以幫助安裝,對(duì)力環(huán)的壓縮和拉伸測(cè)量提供所需的預(yù)緊力。


8. Q: 為什么208和218系列的拉伸力量程只有500 lbs,但是壓縮力量程可達(dá)到5000 lbs?
    A: 內(nèi)部預(yù)緊力和螺紋尺寸的限制導(dǎo)致其量程為500 lbs。


9. Q: 為什么1 lb的物體從任何高度落到?jīng)_擊力傳感器上,都不能測(cè)到對(duì)應(yīng)1lb的力?
    A: 合成的沖擊力來(lái)自于物體的重量和的***終速度,如需更多信息可參考PCB®公司的白皮書(shū)“Impact and Drop Testing with ICP®Force Sensors”。


10. Q:ICP® 力傳感器 (208C03, 201B03, 200B03 and 221B03) 具有相同的靈敏度(10 mV/lb )和量程(500 lbs). 如何確定哪一種***適合呢?
      A: 由于規(guī)格參數(shù)很類(lèi)似,安裝的要求在傳感器的選擇中起決定作用。

11. Q:為什么大多數(shù)ICP®石英力傳感器與ICP®型加速度計(jì)和壓力傳感器相比有更長(zhǎng)的放電時(shí)間常數(shù)(DTC)?
      A: 保證在DC耦合情況下,可以對(duì) ICP® 力傳感器進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)。

12. Q: 為什么與ICP®力傳感器相比,電荷型的石英力傳感器具有更大的量程能力?
      A: ICP® 力傳感器在微電路中具有固定范圍的電容,因此限定了具體型號(hào)的量程。
電荷型傳感器不包含內(nèi)置微電路。使用具有可調(diào)量程電容的外接電荷放大器,可以實(shí)現(xiàn)傳感器量程的調(diào)節(jié)。

13. Q:對(duì)于壓縮力輸入來(lái)講,為什么電荷型石英力傳感器為負(fù)極性輸出,而ICP®力傳感器為正極性輸出?
      A: 電荷型傳感器的信號(hào)通常需要使用外部電荷放大器。大多數(shù)電荷放大器會(huì)反轉(zhuǎn)信號(hào)極性。這樣,來(lái)自傳感器的負(fù)極性信號(hào),經(jīng)過(guò)電荷放大器的反轉(zhuǎn),變成正極性。
          ICP® 信號(hào)適調(diào)儀不會(huì)反轉(zhuǎn)信號(hào)極性,這樣來(lái)自傳感器的正極性信號(hào)就會(huì)輸入到數(shù)采系統(tǒng)中。

14. Q: 多個(gè)力傳感器一起使用時(shí),可以將測(cè)量結(jié)果相加嗎?
      A: 可以, 在電荷模式中。例如,如果應(yīng)用需要一個(gè)每個(gè)角都安裝有力傳感器的測(cè)力板,力傳感器信號(hào)可以通過(guò)PCB® 的070A15進(jìn)行求和,然后將求和結(jié)果傳送到單***的電荷放大器中。
          ICP® 型力傳感器需要在想PCB® 的 482M66 和 070M69等特殊的求和模塊中進(jìn)行計(jì)算。

15. Q: 使用石英力傳感器可實(shí)現(xiàn)的上限測(cè)量頻率是多少?
      A:PCB® 對(duì)于石英力傳感器標(biāo)注了上限測(cè)量頻率。指的是非安裝自然頻率,并且是傳感器重量和剛度的函數(shù)。注意:更大的力環(huán)具有更低的自然頻率。任何附加重量,比如將傳感器安裝在一個(gè)裝置上,都會(huì)大大降低自然頻率。需要通過(guò)連續(xù)沖擊測(cè)試來(lái)確定其安裝后的自然頻率。
          自然頻率的計(jì)算方法為:
          
        其中:
        fn = 自然頻率(Hz)
        K = 剛度(N/m)
        m = 質(zhì)量(kg)
        舉例 2: PCB® 力環(huán)型號(hào) 202B的剛度為 2.8 kN/mm ,質(zhì)量為0.02 kg.
        自然頻率計(jì)算:   

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