选型指南 | 如何做出正确的决定——压电传感器（一）

HBM测试与测量 2020年8月12日浏览：2058 评论：22

压电传感器：哪个传感器适合我的应用？

压电力传感器与基于应变的传感器具有明显不同的特性。压电力传感器由单晶片组成，在受到压力时产生电荷。一般来说，使用两个这样的切片，中间插入一个电极。整个结构被封闭在一个外壳中。电荷被电极和外壳吸收，并通过同轴电缆传输到电荷放大器。

图中显示了压电力传感器的典型结构：1 外壳；2 压电晶体；3 电极

压电传感器依赖于晶体和外壳之间的良好接触。这一方面需要对晶体和与晶体接触的部件表面进行精确加工，另一方面需要进行预应力加载。实际上，一般 10% 预应力可确保可靠接触——较高的预应力可提高计量性能。当然，预应力不得使预应力元件或传感器过载。

什么决定了压电传感器的输出信号？

对压电晶体施加力，产生电荷Q形式的输出信号，用pC（10-12c）表示。可使用以下公式计算电荷：

Q = qxy*F

其中F是力，qxy是压电常数。后者取决于所使用的晶体类型和所加载的晶体方向。最常用的材料是石英，灵敏度为4.3pc/N，温度限制为200°C。HBM 使用磷酸镓。其灵敏度约为石英的两倍（约为8 pC/N）。其温度限值为850°C，但是，由于热应力的限制，力传感器的温度极限为300°C。

压电和应变力传感器有各自的优点，如何进行选择?

选择压电还是应变力传感器取决于应用，在以下应用中，应首先选择压电传感器：

传感器安装空间有限
初始负荷高的小力测量
测量范围宽
非常高的温度下测量
极端的过载稳定性
高动态

基于应变的传感器在其他方面比压电力传感器具有优势。例如，它们能够测量张力，更经济可靠。此外，它们还提供更好的精度、无需静态校准。在参考校准测量方面，只能使用应变测量技术。

我们建议，在任何情况下，首先要满足测量任务的要求，其次选择最经济有效的方式。当决定使用压电传感器时，依然要根据应用进行选择。

压电传感器的应用领域：

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1. 传感器安装空间有限

压电力传感器结构非常紧凑 - 例如CLP系列高度仅3到5mm (依据量程)。因此，这种传感器非常适合与现有结构集成。传感器带有一个集成的电缆，结构高度非常低。传感器带有所有尺寸螺纹，从M3到M14。结构高度低要求传感器表面上的力尽可能均匀地分布。

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2. 初始负荷高的小力测量

当施加力时，压电传感器产生电荷。然而，传感器受到超出实际测量的力，例如在安装期间。所产生的电荷可能短路，将电荷放大器输入端的信号设置为零。这样就可以根据要测量的实际力来调节测量范围。因此，即使初始负载与被测量的力相差很大，也能保证高测量分辨率。CMD600等高端电荷放大器可以实时连续地调节测量范围，从而支持这些应用。

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