带有压电式压力传感器的力和压力传感器

带有RS232连接的压电式测压传感器

工业过程的自动化都是关于自动化数据收集、处理、控制系统调整和执行。其中一些传感器被应用到其他重要领域，如航空航天和无损检测。在这些领域中常用的传感器是压电式负载传感器。像许多工业组件一样，这些电池的操作方式和被带入测试单元的方式似乎很深奥，但这些组件看起来很简单。

对于典型的静态负载测量，测压传感器非常简单，不需要特殊的设备或测量技术。对于动态负载测量，选择正确的传感器变得更加复杂，因为在测量之前需要了解施加的负载(振幅、频率或两者都知道)。这里介绍如何为每种类型的测量选择压电式负载传感器，以及如何将这些组件集成到更大的测试和测量系统中。

什么是压电式测压传感器?

如果你熟悉支配晶体时钟振荡器的基本物理过程，那么你就在理解压电式测压传感器方面有了一个良好的开端。这些元件都是通过同样的物理现象运作的:压电效应。在压电式测压传感器中，对器件施加应变，压缩单元内的晶体。在压缩下，晶体输出电压，然后可以驱动外部电路。

压电式测压元件的机械结构是这样的，该元件只能沿一个方向测量应变。如果需要沿二维或三维进行测量，则可以沿垂直轴安装两个或三个压电传感器，尽管这是一种不常见的情况。

压电式传感器具有较高的输出阻抗和一定的自然滤失性寄生在设备中，这些元件就像比例电压源。一些商业化的单元将包括集成MOSFET放大器和信号调理RC电路，将输出转换到工业应用的标准电压范围(0-10 V，或4-20 mA)。一个应用电路示例如下:

压电式负荷传感器电路

这里，在反馈回路中有一个RC滤波器部分。电缆和传感器输出部分的寄生也包括在内。在这些应用电路中，晶体本身通常被建模为电压源，但它实际上是一个电荷源，相关的电压取决于晶体的尺寸。

静态和动态应变测量

当施加静态负载时(即负载不随时间变化)，在晶体上产生的分离电荷会有一些相关的势能，因此在器件的两个电极之间有一些电压。不幸的是，这些器件中使用的材料和晶体并不是完美的绝缘体，因此激发的电荷会在电极之间泄漏并重新结合。因此，压电式测压传感器并不适合静压测量。电阻式测压元件是静态测量的较好选择。

压电式测压元件适用于动态测量，因为施加的载荷随时间变化。这可能涉及到快速变化的力的测量，在这种情况下，这些测压元件就像加速度计一样。他们也可以测量一个谐波力，在那里测量被收集在一个单一的频率。这些传感器常用于超声波测量。

和大多数真实的器件一样，压电式负载传感器也有一定的频率响应谱，并且有一个频率区域是这些器件最敏感的。下图在对数-对数曲线上显示了压电传感器灵敏度的典型例子。

压电式负载传感器频率响应曲线示例。

在低频有一个区域，那里的灵敏度实际上是平坦的。然而，当负载的频率接近共振时，存在一个线性范围，具有很高的灵敏度。在这里，共振显示在~1分贝的频率范围内的~ 10年增益。实际单元可以提供高达~100 dB的增益，实现非常灵敏的应变测量。电路中的带宽取决于用于连接电荷放大器的组件，电荷放大器本身，以及用于压电晶体的尺寸和材料。

与其他类型测压元件的比较

其他主要类型的测压元件和应力/应变测量元件是电阻式、电感式和电容式测压元件。这些类型的测压元件不是直接输出电压，而是更大电路的一部分RLC电路，取决于被测量的负载)，当施加应变时，它们会改变电路中的电压/电流。在外加应变的作用下，电阻性、电感性和容性测压元件分别经历电阻、电感或电容的变化。

其他三种类型的应变测量装置不直接输出电压/电流。相反，它们被连接到外部电源和测量单元(例如艺发局)．这些不同类型的应变传感单元的简要比较如下表所示。

注意，我们在本文中讨论了压缩测压元件，但这些测压元件也可以被制成拉伸测压元件。在这种情况下，施加的负载拉伸设备并产生输出信号。无论使用哪种类型的电路，设计策略都是相似的。在围绕设备设计电路之前，您需要了解设备本身的输出灵敏度和频率范围。设计这些设备的主要模拟工具是频率和参数扫描．这将帮助您生成如上图所示的图表。

如果你有权限正确的PCB布局和设计软件，您可以为压电传感器执行重要的电气和机械设计任务。快板PCB设计者和节奏的全部设计工具套件非常适合设计这些设备，模拟设备的行为，并将它们引入更大的测试和测量系统。

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