1、1) 壓電式力和力矩傳感器應用及分類應用-測量動態力大多數的力傳感器內包含彈性元件，彈性元件在力的作用下會發生變形，通過彈簧的變形可以確定作用力的大小。為了獲得較高的測量分辨力，要求彈性元件有足夠大的彈性。然而， 較大的彈性卻限制了傳感器的頻率范圍。同時由于力的作用，彈性元件的幾何形狀以及力臂關系均會發生變化。為克服這一限制，奇石緣公司利用壓電測量原理測量動態力。壓電材料，比如石英，在力的作用下產生與所受力成比例的電荷：作用力越大，電荷越多。在壓電式傳感器中，石英既是彈性元件，同時也是測量換能器。由于石英的剛性很高，力作用下的位移非常小，一般在幾微米內。這種幾乎無位移的測量， 對于緩慢的準靜態

2、過程來說誤差很小。對于快速過程的測量，由于石英的高剛度和與之關聯的高固有頻率，其優越性是其它任何原理無法比擬的。石英晶體將測量(力、壓力或加速度)直接轉換成輸出信號，這些信號理想線性、并且無滯后。石英傳感器的其它優點為：小型、堅固、靈敏度高和測量范圍非常寬。奇石緣公司提供四類不同的壓電式力傳感器：1) 單分量力傳感器2) 多分量力傳感器3) 應變傳感器4) 扭矩傳感器單向力傳感器：這類傳感器一般為環狀，由兩個鋼環和夾在中間的對壓力敏感的石英晶片組成。單向力傳感器：對壓力敏感的石英晶片夾在兩個鋼環中間。5) 墊圈式傳感器是一種安裝方式靈活，應用非常廣泛的傳感器。置于底盤和頂盤之間的兩塊石英晶片在

3、一定的預載下安裝，傳感器的外殼經焊接密封。測量信號由置于石英晶片間的電極獲得，并傳遞到輸出插頭。由于傳感器有中間通孔，適合于螺紋連接測量力。傳感器安裝后，預緊螺栓形成一個力的旁路，一部分欲測量的力，通過預緊螺栓傳遞，并沒有經過力傳感器。為了準確確定安裝后測量鏈的靈敏度，必須進行現場標定。6) 用兩個特殊的螺母預緊墊圈式傳感器，構成拉、壓力傳感器。預載后的傳感器非常適合測量如桿件裝配中的擠壓力和拉伸力。這類傳感器出廠前預載后校準，安裝方便，并可立即使用。7) 測量微小力的傳感器中采用橫向壓電效應的狹長棒狀石英敏感元件，細長的石英晶片預緊安裝在傳導力的傳感器結構中，其壓電靈敏度為墊圈式傳感器的30

4、 倍。三向力傳感器：對剪切敏感的石英晶片（Fx， Fy）與對壓力敏感的石英晶片（Fz）一起組成結構緊湊的三向力傳感器。三向力傳感器： 對剪力敏感的石英壓電式測量原理是設計三向力傳感器的理想選擇。三向力傳感器的組裝與單向墊圈式傳感器類似。一對具有縱向壓電效應的石英晶片測量縱向分力Fz，另外兩對不同剪切效應的石英晶片測量兩個橫向分力（Fx 和Fy） 。由于剪切力只能通過摩擦傳遞，三向傳感器必須在足夠預緊力的情況下安裝。多分量力傳感器一般不是由單個傳感器組成，而是由三個或四個傳感器一起組成測力計或測力平臺，利用壓電傳感器的特性，可以并聯具有同一靈敏度的多個傳感器。獲取的輸出信號等于單個力的代數和。因

5、此， 一個測力計就像單個的多分量傳感器一樣，分別測量與力作用點無關的三個分力。作用于測力計的力矩雖然對傳感器有載荷作用，但由于信號并聯而不能測量。然而，當傳感器不并聯時，力矩可由傳感器獲得的單個輸出信號確定。這種測量系統測量合力的三個分力和合力矩的三個分量。力矩以傳感器排列的坐標系為基準。大部分奇石緣測力計和測力臺既適用于3 分量力的測量，也適于6 分量力 -力矩的測量。3 分量力傳感器3 分量拉壓力傳感器3 分量測力計，內置四個力傳感器旋轉式切削測力計應變傳感器應變傳感器測量表面或結構應變間接確定過程力。奇石緣應變傳感器將應變轉換為成比例的力，并產生相應的電荷信號。部件在力的作用下產生應力和

6、應變。應變是受載部件長度的相對變化，因此而應變為無量綱單位。在許多應用中，應變測量作為在部件上間接測力的方法。與直接測力的傳感器相比，用于間接測力的傳感器尺寸非常小。其優點是：安裝此種傳感器對部件沒有影響，與直接測力不同的是，應變測量信號與力的作用點有關。應變既可以在結構表面測量也可以在結構內部直接測量。壓電式表面應變傳感器可以通過一個螺釘固定在結構表面合適的位置。通過螺釘固定，在傳感器和結構表面之間產生摩擦力。結構表面測量方向上的長度變化傳遞到傳感器的敏感元件，并產生剪切向力。表面應變傳感器在復雜結構上的合適安裝位置需要通過試驗確定。安裝于結構內部的應變傳感器需要圓柱形安裝孔。其優點是測量元

7、件可置于最佳位置。根據應變的方向不同，奇石緣提供測量縱向和橫向應變的傳感器。為了使傳感器可以測量拉壓應變，需要在預緊狀態下安裝孔內。與傳統的應變測量技術相比較，壓電式應變傳感器的靈敏度非常高。扭矩傳感器對剪切力敏感的石英晶片環形排列，其敏感軸與圓環切線一致，在預緊下封裝，用于測橫向測量銷用于間接測力的表面應變傳感器扭矩傳感器：剪力敏感的石英每個晶片的敏測量扭矩需要特殊的傳感器。先將一組剪切效應的石英晶片排列成環形，感軸方向與所在環線位置的切線一致。然后再以單向力傳感器相似的結構形式組裝成扭矩傳感器。 扭矩傳感器必須在高預緊狀態下安裝，以使其能夠產生足夠的摩擦力傳遞橫向力。作用于切線方向的橫向力

8、。由于所有的石英片并聯，總輸出與施加的扭矩成正比。出廠前用兩個專用螺母預緊好、并進行標定的扭矩傳感器可直接用于測量。這種傳感器尤其適用于檢測旋轉開關的質量。扭矩傳感器扭矩測力計另一種傳感器的設計-固定式扭矩測力計，適用于檢測螺栓。扭矩測量對于確定旋轉刀具的切削力起重要作用，奇石緣提供用于這種用途的旋轉式測量系統。扭矩主要用于校準擰緊設備，測量制動力的旋轉式扭矩車輪等。直接和間接測量力直接測量力時，傳感器安裝在力的通道中，測量全部的力。因此，測量非常準確，實際上與力的作用點沒有關系。當傳感器不能安裝在力的直接通道時，可采用間接測量方法。部分力被通過旁路傳遞。由于只有部分力被測量，間接測量的系統必

9、須在安裝后進行標定。系統的靈敏度與力的作用點有關，此外，安裝過程也會影響線性和遲滯。二次標定一般情況下，奇石緣的傳感器在安裝過程中需要加預緊力。預緊后的傳感器可以測量壓力和拉力（相當于減少傳感器的預緊）。橫向力通過摩擦傳遞。此外，預緊可去除微間隙，從而確保測量系統的高剛度和寬頻率范圍。由于預緊螺栓構成力的分流，傳感器只能測量全 部力的 90%左右。對于精確的測量，傳感器必須在安裝和預緊后進行二次標定。2) 壓電式與應變式力傳感器比較壓電式力傳感器、扭矩和應變傳感器設計非常緊湊和堅固。測量范圍可以覆蓋1 到 106倍， 具有很高的固有頻率，并對干擾不敏感。溫度范圍寬、抗過載能力強、壽命長、無疲勞

10、。壓電傳感器對幾乎所用應用領域都適用，尤其是周期性的過程，如自動化生產過程。與應變式傳感器相比，奇石緣石英傳感器具有原理上的顯著優點，主要由石英的高剛度決定的。堅固、抗過載和長期可靠因為測量范圍寬，壓電傳感器設計很緊湊，傳感器尺寸與測量范圍成比例。由于其剛性結構， 壓電傳感器非常堅固和抗過載。即使在應用數幾百萬次后，傳感器的靈敏度依然保持恒定， 且永不出現疲勞。只要按照說明書的要求使用，壓電傳感器的使用壽命幾乎是無限的。此外堅固設計使傳感器具有很高的固有頻率，對測量高動態過程很理想。高靈敏，寬測量范圍與應變式傳感器不同，石英傳感器具有高達106 倍的寬測量范圍，由于靈敏度、最小測量閾值和分辨率

11、與彈性變形結構的剛度無關。壓電傳感器可用于測量很小的力，例如在一個較大的靜載基礎上的微小變化力。壓電式力傳感器優點:高達 106 倍的極寬測量范圍靈敏度、最小測量閾值與測量范圍無關設計緊湊，傳感器尺寸與測量范圍成比例剛性高，無變形條件下的測力抗過載、不疲勞、長期可靠使用壽命幾乎無限固有頻率高，是應變式傳感器的10 倍工作穩定范圍寬對抗干擾不敏感可并行連接，疊加測量結果多分量傳感器設計多樣，選擇靈活壓電傳感器不能用于靜態測量由于測量鏈的絕緣電阻有限，只有變化才能產生信號，電荷信號不能無限長期保持不泄露。因此壓電傳感器的信號沒有絕對零點，不適合進行長期穩態，如稱重應用。對于周期性變化的過程測量，上

12、述限制變成壓電傳感器的優點，因為它們總是測量相對力，而不是絕對力。因此，任何靜態或緩慢變化的附帶狀態會被自動消除。3) 力傳感器的安裝基礎力可由其傳遞路徑上的全部力或部分力的模式直接測量，也可以應變方式間接測量。在直接測力時，全部過程力通過傳感器傳遞，而在力分流模式下，傳感器只測量過程力的一部分。應變傳感器以表面應變或機器內部應變方式間接測量過程力。部分過程力可以通過安裝在傳感器附近的元件傳遞。這些元件形成一個力分流。力分流也可以通過安裝用于直接測量的預加載元件產生，在大多數情況下，力分流少于10。力分流模式應用這一效應。安裝傳感器使得只有一小部分過程力被測量。過程力的主要部分傳入機械結構中。

13、應用這種方法可以測量超過傳感器測量范圍很小過程力一樣，在間接測力時建立的力分流基本上是99或更多。無論何種傳感器類型和安裝方式，如果力分流狀態發生變化，必須重新校準傳感器。測量方法概述直接測力：全部過程力通過傳感器（力分流n< 10）分流測力：小部分力通過傳感器（力分流n< 10-99）間接測力：極少的過程力通過傳感器（力分流n>>10-99）直接測力直接力測量: 在力的傳遞路徑上安裝傳感器，測量全部過程力。直接測力要求將傳遞力的路徑斷開，安裝已校準的力傳感器。因此，安裝的力傳感器必須匹配部件的強度和剛度要求。用于直接測力的傳感器大多在安裝前校準和預加載，因此安裝不會影

14、響力分流。已校準和預加載的直接測力傳感器用于要求測量絕對力和安裝后不進行校準的場合，例如壓裝力的監控或產品測試中微小力的測量。優點： 靈敏度高、測量精度高、重復性高、線性好、遲滯小、預加載范圍大、容易安裝、傳感器已校準。缺點： 當傳感器安裝在運動零件上時，有來自加速度力的干擾、改變了機器的強度或剛度狀態、對工件的尺寸有所限制。直接測力示意圖分流測力分流測力：傳感器安裝在機械結構中。通常大部分過程力通過力分流傳遞。當需要測量的力非常大或當傳感器不能直接安裝到力傳遞路徑中時，可把傳感器安裝在力的分流中。由于傳感器只測量過程力的一部分，而其余的力通過分流傳遞，測量范圍經常可以比直接測力時需要的小。因

15、此可以提供另一種低成本的測量方案。分流測力的另一個優點是其非常高的抗過載能力。如果需要測量絕對力的大小，安裝在力分流上的傳感器必須在安裝后進行校準。由于靈敏度是通過力分流測定的，而力分流本身依賴于力作用點，校準只有在力分流狀態固定時才有效。因此對于力作用點固定的應用，例如壓裝力的監控，力分流測量時首選的測量方法。傳感器的安裝方式和力作用點不僅影響傳感器的靈敏度，而且還影響其線性和遲滯。力分流 n% 100.Fn/FpN=力分流（沒經傳感器測量的過程力比例）； Fp過程力；n=0（無預載，安裝前的傳感器）；So=安裝前的傳感器靈敏度；S安裝后的傳感器；Fn分流力。S=So?（1 n/100）優點

16、： 抗過載能力強、成本低、測量的過程力比傳感器的測量范圍可高至100/（ 100 n）倍、恒定狀態下測量精度可靠、高重復性。缺點： 測量值與力作用點和力傳遞路徑有關、測量絕對力時，需要現場校準。間接測力當在一個結構上施加力時，引起的結構變形可以作為與力成比例的應變來測量。因此過程力可通過表面或結構應變間接測定。奇石緣應變傳感器把應變轉換成比例的力，并產生相應的電荷信號。因此經常稱為力應變傳感器。靈敏度由單位應變 ( m/m)對應的電荷量來確定，一般無需校準，因為應變非常小，可忽略不計。當用來測量絕對值時，應變測量鏈的靈敏度( v/kN ) 通常總是相對力傳感器作為參考來校準。不過對于周期過程，

17、通常監控力曲線的相對變化已足夠，無需確定絕對值。優點： 安裝方式最簡便、匹配現有設備簡易、抗過載能力強、成本經濟。缺點： 測量值與力作用點和力的傳遞路徑有關、測量絕對值時需要現場校準。4) 壓電式測量鏈大部分壓電式傳感器在出廠前進行標定，因此可立即用于直接測量。具有同一靈敏度的幾個傳感器也可并聯。這種情況下，輸出信號等于所有單個力的總和。這些傳感器通過高絕緣特殊電纜與電荷放大器相連。電荷放大器將傳感器的電荷信號成比例轉換為電壓信號。電荷放大器上可以設置傳感器的靈敏度和測量范圍。這種標定過的測量鏈輸出的信號可以進行顯示和后處理。測量和分析信號調節對于測量力、應變和扭矩等物理量非常重要。壓電傳感器產生與傳感器所受載荷成線性比例的電荷信號。需用電荷放大器將電荷信號轉換為電壓或電流信號，