压电式力和力矩测量传感器

压电式力和力矩测量传感器

二、压电式力和力矩传感器

1) 压电式力和力矩传感器应用及分类

应用-测量动态力

大多数的力传感器内包含弹性元件，弹性元件在力的作用下会发生变形，通过弹簧的变形可以确定作用力的大小。为了获得较高的测量分辨力，要求弹性元件有足够大的弹性。然而，较大的弹性却限制了传感器的频率范围。同时由于力的作用，弹性元件的几何形状以及力臂关系均会发生变化。

为克服这一限制，奇石缘公司利用压电测量原理测量动态力。压电材料，比如石英，在力的作用下产生与所受力成比例的电荷：作用力越大，电荷越多。在压电式传感器中，石英既是弹性元件，同时也是测量换能器。

由于石英的刚性很高，力作用下的位移非常小，一般在几微米内。这种几乎无位移的测量，对于缓慢的准静态过程来说误差很小。对于快速过程的测量，由于石英的高刚度和与之关联的高固有频率，其优越性是其它任何原理无法比拟的。

石英晶体将测量（力、压力或加速度）直接转换成输出信号，这些信号理想线性、并且无滞后。石英传感器的其它优点为：小型、坚固、灵敏度高和测量范围非常宽。

奇石缘公司提供四类不同的压电式力传感器：

1)

2)

3)

4)

单向力传感器：

这类传感器一般为环状，由两个钢环和夹在中间的对压力敏感的石英晶片组成。

单向力传感器：

对压力敏感的

石英晶片夹在

两个钢环中间。

单分量力传感器 多分量力传感器 应变传感器 扭矩传感器

压电式力和力矩测量传感器

1) 垫圈式传感器是一种安装方式灵活，应用非常广泛的传感器。置于底盘和顶盘之间的两块石英晶片在一定的预载下安装，传感器的外壳经焊接密封。测量信号由置于石英晶片间的电极获得，并传递到输出插头。由于传感器有中间通孔，适合于螺纹连接测量力。传感器安装后，预紧螺栓形成一个力的旁路，一部分欲测量的力，通过预紧螺栓传递，并没有经过力传感器。为了准确确定安装后测量链的灵敏度，必须进行现场标定。

2) 用两个特殊的螺母预紧垫圈式传感器，构成拉、压力传感器。预载后的传感器非常适合测量如杆件装配中的挤压力和拉伸力。这类传感器出厂前预载后校准，安装方便，并可立即使用。

3) 测量微小力的传感器中采用横向压电效应的狭长棒状石英敏感元件，细长的石英晶片预紧安装在传导力的传感器结构中，其压电灵敏度为垫圈式传感器的30倍。

三向力传感器：

对剪切敏感的石英晶片（Fx，Fy）与对压力敏感的石英晶片（Fz）一起组成结构紧凑的三向力传感器。

三向力传感器：

对剪力敏感的石英

晶片和对压力敏感

的石英晶片。

压电式测量原理是设计三向力传感器的理想选择。三向力传感器的组装与单向垫圈式传感器类似。一对具有纵向压电效应的石英晶片测量纵向分力Fz，另外两对不同剪切效应的石英晶片测量两个横向分力（Fx和Fy）。由于剪切力只能通过摩擦传递，三向传感器必须在足够预紧力的情况下安装。

多分量力传感器一般不是由单个传感器组成，而是由三个或四个传感器一起组成测力计或测力平台，利用压电传感器的特性，可以并联具有同一灵敏度的多个传感器。

获取的输出信号等于单个力的代数和。因此，一个测力计就像单个的多分量传感器一样，分别测量与力作用点无关的三个分力。

作用于测力计的力矩虽然对传感器有载荷作用，但由于信号并联而不能测量。然而，当传感器不并联时，力矩可由传感器获得的单个输出信号确定。

这种测量系统测量合力的三个

压电式力和力矩测量传感器

分力和合力矩的三个分量。力矩以传感器排列的坐标系为基准。大部分奇石缘测力计和测力台既适用于3分量力的测量，也适于6分量力-力矩的测量。

3分量力传感器

3分量拉压力传感器

3分量测力计，内置四个力传感器

压电式力和力矩测量传感器

旋转式切削测力计

应变传感器

应变传感器测量表面或结构应变间接确定过程力。奇石缘应变传感器将应变转换为成比例的力，并产生相应的电荷信号。部件在力的作用下产生应力和应变。

应变是受载部件长度的相对变化，因此而应变为无量纲单位。

在许多应用中，应变测量作为在部件上间接测力的方法。与直接测力的传感器相比，用于间接测力的传感器尺寸非常小。其优点是：安装此种传感器对部件没有影响，与直接测力不同的是，应变测量信号与力的作用点有关。

应变既可以在结构表面测量也可以在结构内部直接测量。

压电式表面应变传感器可以通过一个螺钉固定在结构表面合适的位置。通过螺钉固定，在传感器和结构表面之间产生摩擦力。结构表面测量方向上的长度变化传递到传感器的敏感元件，并产生剪切向力。表面应变传感器在复杂结构上的合适安装位置需要通过试验确定。

安装于结构内部的应变传感器需要圆柱形安装孔。其优点是测量元件可置于最佳位置。根据应变的方向不同，奇石缘提供测量纵向和横向应变的传感器。为了使传感器可以测量拉压应变，需要在预紧状态下安装孔内。

与传统的应变测量技术相比较，压电式应变传感器的灵敏度非常高。

压电式力和力矩测量传感器

表面应变传感器 纵向测量销

横向测量销 用于间接测力的表面应变传感器

扭矩传感器

对剪切力敏感的石英晶片环形排列，其敏感轴与圆环切线一致，在预紧下封装，用于测量扭矩。

扭矩传感器：

剪力敏感的石英

晶片成环形排列

测量扭矩需要特殊的传感器。先将一组剪切效应的石英晶片排列成环形，每个晶片的敏感轴方向与所在环线位置的切线一致。然后再以单向力传感器相似的结构形式组装成扭矩传

压电式力和力矩测量传感器

感器。扭矩传感器必须在高预紧状态下安装，以使其能够产生足够的摩擦力传递横向力。作用于切线方向的横向力。由于所有的石英片并联，总输出与施加的扭矩成正比。

出厂前用两个专用螺母预紧好、并进行标定的扭矩传感器可直接用于测量。这种传感器尤其适用于检测旋转开关的质量。

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