传感器测试技术基础问答

压电传感器已经证明在快速的和周期性的过程测试是非常成功的。应力、压力、或加速度感测器作产品品质保证被广泛地应用於生产过程中。特别是在生产汽车和电子工业。压电传感器可以在工厂里对长时间的动态的过程进行可靠的测试，并且确保产品质量和产品质量证明文档需要经常地进行测试。

同其他传感器比压电传感器的优点：

．寿命长

．高灵敏度

．低临界值(Low threshold)

．宽测试范围

．实用的位移测试

．测试频率高

．温度适用范围宽

在工业中使用压电传感器的例子：

．射出机模穴内压测试

．对柴油和汽油发动机的气缸进行压力监视

．压力监视和控制

．监视自动组装机械连接头的应力

．振动机械监视

．机械加工的过程监视

压电传感器

压电传感器由压电材料和封装材料组成。“压电”的意思是当对负载施加一个力时，传感器将会产生同施加力成比例的电荷。天然石英晶体是非常理想的压电材料，但现在石英晶体可以在高温高压下进行人工合成。其他压电材料也有不同的特殊应用。石英晶体在传感器内不同的排列将会产生不同的效果。这个效果可以通过石英晶体的不同切型来获得。

a)横向效应 (Transversal effect)

石英晶体电荷输出在压力接触表面合适的角度。电荷输出同石英的几何形状和厚度有关。石英晶体是棒状将会產生横向振动。适用公式的:   应力和高灵敏压力传感器是通常使用横向模式效应。

b)纵向效应 (Longitudinal effect)

石英晶体电荷输出在压力接触的表面。与横向模式效应不同，电荷產生不依靠石英的几何形状而只同施加的力有关。石英晶体通常是盘状，可以通过并连增加电荷的输出。公式: 

c)剪力模式效应 (Shear effect)

施加剪切力，电荷在力与接触表面產生公式: 

由於纵向效应，石英的几何形状不影响灵敏度。剪力效应应用3种典型传感器，力学传感器、力矩传感器、加速度传感器。

用於压电传感器的放大器

工作原理小的电量电荷需要转化电压（5V或10V）或电流（4…20mA）进行测试，例如在PC 或 PLC中。放大器通常用於测试技术，因放大器是将电荷转换成电压。在原理上，电荷放大器包括MOS或J-FET电晶体的高增益电压放大器，它能在输入获得高绝缘阻抗。放大器通过高绝缘电容连接到负反馈上。因此,放大器可以作积分器用於输入电荷。对於传感器，外加机械负载容易产生电荷变化。在输出端显示压电传感器电荷改变的积分和正比于整个电荷的改变（包括机械负载产生的电荷）的电压信号。

输入Q和输出Uout的关系

F 载入传感器上的机械负载（如，应力）

Q 传感器输出的电荷（如，4pC/N）

Cs 传感器电容（如，50pF）

Ck 电缆电容（大约 100pF/m）

CB 电容器的电容范围

Ri 输入电路的绝缘电阻（传感器、电缆、放大器输入）

RG 用於时间常数电阻（低截止频率）

RTP 低通输入滤波器电阻

Vi 运行的放大器的增益因数（大约100,000）

Uin 放大器输入端电压

Uout 放大器输出端电压

Reset 短路范围电容器的开关（放大器的调零）

由於放大器有狠大的增益电压（V趋近於无穷）,传感器和电缆的电容值可以忽略不记,所以输出电压值正比於电荷量同范围电容的商: 

放大器在输入端（Ri大小1014Ω）必须是高绝缘的,对於传感器和电缆也必须是高绝缘,否则输出端信号将产生偏差。

偏差（drift）

已经提到的，放大器输入端是使用MOSFET获得高阻抗。即使当前最好的MOSFET也要有几个fA的输入漏电流。对於好的电荷放大器，也将引起±0.03pC/s漂移。测试信号的漂移率： 

传感器的灵敏度（E）＝pC/N

被测试的力（F）＝N

压电信号的准静态测试的限制容易通过一个力学传感器（灵敏度4pC/N）的实际例子确定。力学传感器使用测试范围1000N,测试误差每分鐘0.045%或22分鐘测试一次测试误差不超过1％。范围电容与偏差无关。然而，灵敏度愈高，测试的应力愈大，由偏差引起的错误成分就越小。

重置（Reset）

重置开关也是高绝缘的，能使输出信号通过短路回路的电容重置成零。在许多应用中，例如称重，机器部件固有的重量在力的测试中应不被包括在内。在传感器机械的卸载的每次测量周期之前重置功能被执行。重置时间大约5～100ms，因此它非常适合短周期的测试和监视使用。重置开关可以手动也可以通过外接数位信号操作。半导体开关或弹簧片延迟被用於高阻重置开关。当没有电流时,通常开关是关闭的，目的是防止静电损坏高阻的输入端。

测试范围（Measuring Range）

大部分电荷放大器有多个测试范围。测试范围的选择是由开关电容CB决定的。放大器输出是10V的信号，因此可以作宽灵敏度和宽测试范围的传感器单信号电荷放大器使用。电荷放大器的精度主要取决於电容CB的容限。电荷放大器有非常好的±0.05FS的线性度。当校正整个测试链或调整放大器和传感器时，电荷放大器的错误可以忽略不记。在规格限定内，电荷放大器是有过载限定的。过载参数由信号回转率和电荷数量确定。J-FET放大器在不适当的传感器连接时比MOS-FET对静电放电更加敏感，但其有相当大的偏差和温度依靠性。

低通输入滤波器（Low-Pass Input filter）

当测试机械振动时，由於振荡产生了附加的力。这些力或是没有引起注意或是对监控机器没有表现出干扰。通过使用适当的低通输入滤波器，这些干扰就能排除在外。对於大部分的应用，使用10到100Hz的滤波器就已经足够了。滤波器在放大器的输入端使用RC网路形式。

C 电缆和传感器的电容

RTP 低通滤波器的电阻

时间常数（高通滤波器）（Time constants( high pass filters））

时间常数象AC偶合器件一样工作，在示波器上显示同样波形。静态信号部分被滤掉，只留下动态信号。时间常数是由电阻RG和电容CB产生的，绝缘阻抗被减小。这样做法就是提高测试速度。

在AC模式，电荷放大器象高通滤波器一样工作。从电路中的电容和时间常数电阻计算低截止频率。 

Lwer cut-off frequency （fu）=Hz

Time constant（t）=s

只有当在快速过程中动态信号成份才被注意，时间常数才被包括在电荷放大器中。在每次迴圈之前重置是不需要使用时间常数测试。

工业电荷放大器对比实验室电荷放大器

以下分别显示工业和实验室电荷放大器的一些重要特性。

 应用:

在前几年，Kistler发展在特殊电荷放大器的需求，主要强调的是适合工业应用。

小型化Hybird技术使实际的电荷放大器变的更小更紧凑，他们能被非常近地装在测试地点。直接放在机器上，因此缩短了传感器和放大器之间的距离。Hybird技术也有安装范围。然而，可变测试范围通过积分电压放大器的方法来调节。当前最小的电荷放大器Type 5027（Fig.4）只有45mm×16mm，有3个测试范围。

介面的耐受性:

在工厂内，电环境都不是狠好。由於不同的对地电势和电磁场能够干扰使测试的原始信号失真。在一定的系统中（机械/测试链/电缆/环境），这些原因能够被发现。然而，由於其的狠好的抗干扰性，在这样的环境中电荷放大器可以被使用的。基本上，所有Kistler的电荷放大器和标準传感器和电缆都符合电磁相容标準EN 50081-1/2 和 EN 50082-1/2.同样符合安全标準EN 61010-1.而且，新型放大器 5034使用完全的电气隔离。这意味著电源对地电势和测试信号的输入输出被光耦合器分开，所以不会互相干扰。

外接可调范围开关

压电传感器显著的一个特点就是测试范围狠宽。由於同传感器工作，需要使用可调范围开关的电荷放大器。例如在测试几个N和kN的力学特性。放大器 5034 和5039外接控制测试范围的开关。在测试过程中，通过开关信号，测试范围被选择。

 多通道电荷放大器

使用一定数量的传感器进行测试，需要使用多达3通道的调製多通道放大器。压电传感器可以并联使用。一个典型应用是确定在机械加工过程中对盘子的应力。盘子被4个传感器脚支撑，每个传感器独立的电荷信号被合併在起到输入放大器通道。

 后板安装

电荷放大器 5058被设计成Euro卡模式，能被安装在后面板或开关盒中。可以根据不同的测试系统被从新设计。

外接驱动

对於重置／操作或调节范围开关的输入控制能直接连接到任何机器控制系统。所有工业放大器能通过TTL信号或光耦合器被操作。在无电隔离的驱动使用简单的开关同样可以。工业电荷放大器的电源是24V DC，电流小於100mA。

 控制监视器

当今，生产过程必须不断的使用监视器保证产品质量。由此，量测信号可以通过PLC评估或是直接聚焦到测试地点以便提供测试参数。可程控Kistler 监控器通过测试信号直接测试区分符合和不符合的部分。这减轻了电脑的PLC的工作。电荷放大器被集成到监控器内。而且，能直接从传感器获得测试信号，并作一个函数显示测试信号。