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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(5V10V)或电流(420mA)进行测试,例如在PC 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MOSJ-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%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5100ms,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10100Hz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。

 

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 constantt=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 5027Fig.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 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NkN的力学特性。放大器 5034 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。

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