壓電稱重傳感器和壓力傳感器三個(gè)維度的原理測(cè)量
工業(yè)過程的自動(dòng)化就是數(shù)據(jù)收集、處理、控制系統(tǒng)調(diào)整和執(zhí)行的自動(dòng)化。其中一些傳感器進(jìn)入了其他重要領(lǐng)域，例如航空航天和無損檢測(cè)。在這些領(lǐng)域中使用的一些常見傳感器是壓電稱重傳感器傳感器。像許多工業(yè)組件一樣，這些電池的運(yùn)行方式和被帶入測(cè)試單元的方式似乎很深?yuàn)W，但這些組件看似簡(jiǎn)單。
對(duì)于典型的靜態(tài)負(fù)載測(cè)量，稱重傳感器非常簡(jiǎn)單，不需要特殊設(shè)備或測(cè)量技術(shù)。對(duì)于動(dòng)態(tài)負(fù)載測(cè)量，選擇正確的傳感器變得更加復(fù)雜，因?yàn)槟枰跍y(cè)量之前了解有關(guān)施加負(fù)載（幅度、頻率或兩者）的信息。以下是如何為每種測(cè)量類型選擇壓電稱重傳感器傳感器以及如何將這些組件集成到更大的測(cè)試和測(cè)量系統(tǒng)中。
什么是壓電稱重傳感器？
如果您熟悉控制晶體時(shí)鐘振蕩器的基本物理過程，那么您將在理解壓電稱重傳感器傳感器方面處于領(lǐng)先地位。這些組件都通過相同的物理現(xiàn)象運(yùn)行：壓電效應(yīng)。在壓電稱重傳感器傳感器中，應(yīng)變被施加到設(shè)備上，從而壓縮單元內(nèi)部的晶體。在壓縮下，晶體輸出電壓，然后可以驅(qū)動(dòng)外部電路。
壓電稱重傳感器傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)使得該傳感器只能測(cè)量沿一個(gè)方向的應(yīng)變。如果需要沿兩個(gè)或三個(gè)維度進(jìn)行測(cè)量，則可以沿垂直軸安裝兩個(gè)或三個(gè)壓電稱重傳感器，盡管這種情況并不常見。
由于設(shè)備中的寄生效應(yīng)，壓電稱重傳感器傳感器具有高輸出阻抗和一些自然過濾，因此這些組件的作用類似于比例電壓源。一些商業(yè)化單元將包括一個(gè)集成的MOSFET放大器和信號(hào)調(diào)節(jié)RC電路，它將輸出轉(zhuǎn)換為工業(yè)應(yīng)用中使用的標(biāo)準(zhǔn)電壓范圍（0-10 V，或4-20 mA）。一個(gè)示例應(yīng)用電路如下所示：
這里，反饋回路中有一個(gè)RC濾波器部分。電纜中的寄生效應(yīng)和換能器的輸出部分也包括在內(nèi)。在這些應(yīng)用電路中，晶體本身通常被建模為電壓源，但它實(shí)際上是一個(gè)電荷源，相關(guān)電壓取決于晶體的尺寸。
靜態(tài)和動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量:
當(dāng)施加靜態(tài)負(fù)載（即負(fù)載不隨時(shí)間變化）時(shí)，晶體兩端產(chǎn)生的分離電荷將具有一些相關(guān)的勢(shì)能，因此器件中的兩個(gè)電極之間存在一些電壓。不幸的是，這些設(shè)備中使用的材料和晶體并不是完美的絕緣體，因此激發(fā)的電荷會(huì)在電極之間泄漏并重新結(jié)合。因此，壓電稱重傳感器傳感器不適合靜壓測(cè)量。電阻式稱重傳感器是靜態(tài)測(cè)量的更好選擇。
壓電稱重傳感器更適合動(dòng)態(tài)測(cè)量，其中施加的負(fù)載隨時(shí)間變化。這可能涉及快速變化的力的測(cè)量，在這種情況下，這些稱重傳感器充當(dāng)加速度計(jì)。他們還可以測(cè)量諧波力，測(cè)量以單一頻率收集。這些傳感器通常用于超聲波測(cè)量。
與大多數(shù)實(shí)際設(shè)備一樣，壓電式稱重傳感器傳感器具有一定的頻率響應(yīng)譜，并且存在這些設(shè)備最敏感的頻率區(qū)域。下圖顯示了對(duì)數(shù)對(duì)數(shù)圖上壓電稱重傳感器靈敏度的典型示例。
有一個(gè)低頻區(qū)域，其靈敏度實(shí)際上是平坦的。然而，當(dāng)負(fù)載的頻率接近諧振時(shí)，存在一個(gè)具有非常高靈敏度的線性范圍。在這里，共振顯示為在~1 dB頻率范圍內(nèi)具有~1個(gè)十倍頻增益。實(shí)數(shù)單位可以提供高達(dá)約100 dB的增益，從而實(shí)現(xiàn)極其靈敏的應(yīng)變測(cè)量。電路中的帶寬取決于用于連接電荷放大器的元件、電荷放大器本身以及壓電晶體的尺寸和材料。
與其他類型稱重傳感器的比較:
其他主要類型的稱重傳感器和應(yīng)力/應(yīng)變測(cè)量元件是電阻式、電感式和電容式稱重傳感器。這些類型的稱重傳感器不是直接輸出電壓，而是更大電路（通常是RLC電路，取決于被測(cè)負(fù)載）的一部分，當(dāng)施加應(yīng)變時(shí)，它們會(huì)改變電路中的電壓/電流。在施加的應(yīng)變下，電阻式、電感式和電容式稱重傳感器分別經(jīng)歷電阻、電感或電容的變化。
這三種應(yīng)變測(cè)量裝置不直接輸出電壓/電流。相反，它們連接到外部電源和測(cè)量單元（例如ADC）。這些不同類型的應(yīng)變傳感單元的簡(jiǎn)要比較如下表所示。
請(qǐng)注意，我們?cè)诒疚闹杏懻摿藟嚎s稱重傳感器，但這些稱重傳感器也可以構(gòu)建為拉伸稱重傳感器。在這種情況下，施加的負(fù)載會(huì)拉伸設(shè)備并產(chǎn)生輸出信號(hào)。無論您使用哪種類型的電路，設(shè)計(jì)策略都是相似的。在圍繞它設(shè)計(jì)電路之前，您需要自行了解設(shè)備的輸出靈敏度和頻率范圍。這些器件設(shè)計(jì)中的主要仿真工具是頻率和參數(shù)掃描。
