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石英力传感器及其应用的提问与回答

第一部分: 如何挑选力传感器

1. Q: 石英力传感器与载荷传感器是同一种传感器吗?
    A: 从传感器的名字来讲-力和载荷-有时是可以互换的。然而,载荷传感器更多指的是应变式静态力传感器,石英力传感器为压电式(PE)的装置。

2. Q: 在通常的称重应用中,石英力传感器可以跟应变式载荷传感器互换吗?
    A:
答案是:不可以。由于压电漂移和放电时间常数的影响,石英力传感器不能长时间对物体进行称重测量。PE力传感器不能实现DC (0 Hz)响应。

3. Q: 与电阻应变式传感器相比压电石英力传感器具有哪些优势和特点?
    A:
动态范围 –定义为传感器可测量的最小幅值(本底噪声)至最大幅值(满量程)的比率。石英力传感器的动态范围比电阻应变式高10倍以上。

       刚度 – 石英力传感器的刚度一般比电阻应变式传感器高10倍以上。

       灵敏度稳定性 – 石英力传感器由无活动件的固体组件制造,无老化效应。

       线性测量范围 – PE石英力传感器的线性测量范围是应变式载荷传感器的数倍。工作量程能够扩展到1000倍以上。

       温度范围 –电荷型石英力传感器工作温度可达400 °F (204 °C)。电阻应变式只能到 200 °F (93 °C).

       尺寸 – 量程为 5,000 lb (22 kN) 的石英力传感器直径尺寸为0.75 inch (19 mm) ,而具有相同测量能力的电阻应变式的尺寸为 3-4 inch (76-102 mm) 。

       寿命周期成本 – 石英力传感器由于刚度很大,具有更长的使用寿命。而且需要校准的次数比电阻应变式要少。

 4. Q: 石英力传感器的上升时间指的是什么?
    A: 上升时间定义为:给力传感器施加一个阶跃信号,传感器从最终稳定值的10%到90%所用的时间。
         自由状态(未安装)下,传感器的上升时间可以通过取传感器自然频率的倒数大体获得。

             
     其中:
     fn = 自然频率(Hz)
     Tp = 峰值时间(s)
       可是,计算实际的上升时间会由于不同应用引起的安装自然频率不同而变得十分复杂。由于附加的质量存在,传感器的自然频率会降  低。通常对于安装好的力传感器的峰值时间为自然周期的四分之一。
    
     举例1: PCB® 的力环,型号为 202B ,自由状态下的自然频率为 60 kHz.
     峰值时间计算:    
   

 

 
       如图1,一个事件的上升时间。对于测试来讲,保证传感器的上升时间比事件的上升时间短很多是非常重要的。如果事件的上升时间比传感器的短,将引起传感器共振,那个叠加在记录的数据上。对于上述所示图形中的事件,PCB®公司的载荷传感器1102-01A 不适合,因为它的上升时间为89.2 µsec,数据会显示出明显的振铃现象。 石英ICP® 力传感器202B 将不会出现上述问题,因为它的上升时间为 4.1 µsec ,如举例1计算结果。

5. Q:在压电式(PE)力传感器中,使用石英晶体与使用陶瓷材料相比有何优势和特点?
    A:长期稳定性好 – 石英为自然压电晶体,不会受到大的机械,热或者电气冲击的影响。
    具有短时静态校准能力 – 常见的定负载准静态校准可以通过使用电荷放大器来实现。陶瓷元件需要进行动态校准。
    刚度要高得多 –从很小的输入到满量程均具有极好的线性度。
    热敏感性更小 – 在很宽的工作温度范围内,灵敏度变化很小。
    电容值更低– 可以输出更高的电压 (电压 = 电荷量 / 电容),更小的噪声。


6. Q:为什么有些石英力传感器只能测量压缩力,而有的却可以同时测量拉伸力和压缩力?
    A: 压-拉力的输出能力取决于石英力传感器的构造。有些型号,比如208系列, 通过对石英元件施加内部预紧,这种设计使得传感器易于附着在结构上进行拉压测量。
        其它的力链和力环的设计没有内部预紧,对于力链性传感器,预紧安装硬件在传感器的外部,并围绕传感器施加预紧。这种生产工艺也使传感器能进行拉压测量,并易于安装。
         力环的预紧经常作为安装过程的一部分来进行。任何通过安装硬件施加的预紧力值都可能会使传感器得到预紧。对一个力环一百磅的预紧,将使得传感器具有大约100磅的拉伸负载的测量能力。


7. Q:力环和力链的区别在哪里?
    A: 力链就是通过两个大螺母预紧过的简单力环。螺母可以帮助安装,对力环的压缩和拉伸测量提供所需的预紧力。


8. Q: 为什么208和218系列的拉伸力量程只有500 lbs,但是压缩力量程可达到5000 lbs?
    A: 内部预紧力和螺纹尺寸的限制导致其量程为500 lbs。


9. Q: 为什么1 lb的物体从任何高度落到冲击力传感器上,都不能测到对应1lb的力?
    A: 合成的冲击力来自于物体的重量和的最终速度,如需更多信息可参考PCB®公司的白皮书“Impact and Drop Testing with ICP® Force Sensors”。


10. Q:ICP® 力传感器 (208C03, 201B03, 200B03 and 221B03) 具有相同的灵敏度(10 mV/lb )和量程(500 lbs). 如何确定哪一种最适合呢?
      A: 由于规格参数很类似,安装的要求在传感器的选择中起决定作用。

11. Q:为什么大多数ICP®石英力传感器与ICP®型加速度计和压力传感器相比有更长的放电时间常数(DTC)?
      A: 保证在DC耦合情况下,可以对 ICP® 力传感器进行准静态校准。

12. Q: 为什么与ICP®力传感器相比,电荷型的石英力传感器具有更大的量程能力?
      A: ICP® 力传感器在微电路中具有固定范围的电容,因此限定了具体型号的量程。
电荷型传感器不包含内置微电路。使用具有可调量程电容的外接电荷放大器,可以实现传感器量程的调节。

13. Q:对于压缩力输入来讲,为什么电荷型石英力传感器为负极性输出,而ICP®力传感器为正极性输出?
      A: 电荷型传感器的信号通常需要使用外部电荷放大器。大多数电荷放大器会反转信号极性。这样,来自传感器的负极性信号,经过电荷放大器的反转,变成正极性。
          ICP® 信号适调仪不会反转信号极性,这样来自传感器的正极性信号就会输入到数采系统中。

14. Q: 多个力传感器一起使用时,可以将测量结果相加吗?
      A: 可以, 在电荷模式中。例如,如果应用需要一个每个角都安装有力传感器的测力板,力传感器信号可以通过PCB® 的070A15进行求和,然后将求和结果传送到单独的电荷放大器中。
          ICP® 型力传感器需要在想PCB® 的 482M66 和 070M69等特殊的求和模块中进行计算。

15. Q: 使用石英力传感器可实现的上限测量频率是多少?
      A:PCB® 对于石英力传感器标注了上限测量频率。指的是非安装自然频率,并且是传感器重量和刚度的函数。注意:更大的力环具有更低的自然频率。任何附加重量,比如将传感器安装在一个装置上,都会大大降低自然频率。需要通过连续冲击测试来确定其安装后的自然频率。
          自然频率的计算方法为:
        
        其中:
        fn = 自然频率(Hz)
        K = 刚度(N/m)
        m = 质量(kg)
        举例 2: PCB® 力环型号 202B的刚度为 2.8 kN/mm ,质量为0.02 kg.
        自然频率计算:   

 

相关信息:

第二部分:石英力传感器安装与校准

第三部分:ICP®力传感器及放电时间常数(DTC)

第四部分:信号适调仪

 

 

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