力和压力传感器与压电式负载传感器

带有RS232连接的压电式负载传感器

工业过程自动化是指数据收集、处理、控制系统调整和执行的自动化。其中一些传感器进入了其他重要领域，如航空航天和无损检测。在这些领域中常用的一些传感器是压电式负载传感器。像许多工业组件一样，这些电池的运行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，测压元件非常简单，不需要特殊的设备或测量技术。对于动态负载测量，选择合适的传感器变得更加复杂，因为您需要在测量之前了解所施加的负载(振幅、频率或两者都有)。下面介绍如何为每种类型的测量选择压电式称重传感器，以及如何将这些组件集成到更大的测试和测量系统中。

什么是压电式传感器?

如果你熟悉晶体时钟振荡器的基本物理过程，那么你就有了一个了解压电传感器的开端。这些部件都通过相同的物理现象工作:压电效应。在压电式测压元件传感器中，应变被施加到器件上，从而压缩单元内的晶体。在压缩下，晶体输出电压，然后驱动外部电路。

压电式负载传感器的机械结构是这样的，该传感器被限制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。

压电式负载传感器具有较高的输出阻抗和一定的自然滤失性寄生在器件中，这些元件就像比例电压源。一些商业化的单元将包括集成的MOSFET放大器和信号调理RC电路，它将输出转换为工业应用中使用的标准电压范围(0-10 V，或4-20 mA)。应用电路示例如下所示:

压电式负载传感器电路

这里，在反馈回路中有一个RC滤波器部分。寄生在电缆和传感器的输出部分也包括在内。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，因此在器件中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，压电式测压传感器不适用于静压测量。电阻式测压元件是静态测量的更好选择。

压电式测压元件更适合动态测量，在动态测量中，所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。他们还可以测量谐波力，其中测量是收集在单一频率。这些传感器通常用于超声波测量。

像大多数实际设备一样，压电式负载传感器有一些频率响应谱，并且有一个频率区域是这些设备最敏感的。下图在对数-对数图上显示了压电测压元件灵敏度的典型示例。

压电式负载传感器的频率响应曲线示例。

在低频有一个区域，那里的灵敏度实际上是平坦的。然而，当负载频率接近共振时，有一个线性范围，灵敏度很高。在这里，共振显示了~1分贝频率范围内的~ 10年增益。实际单元可提供高达~100 dB的增益，实现极其灵敏的应变测量。电路中的带宽取决于用于连接电荷放大器的元件、电荷放大器本身以及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，而是一个更大的电路(通常是一个电路)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。在施加的应变下，电阻式、电感式和电容式负载传感器分别经历电阻、电感或电容的变化。

这其他三种类型的应变测量装置不直接输出电压/电流。相反，它们连接到一个外部电源和一个测量单元(例如ADC)．这些不同类型的应变传感单元的简要比较如下表所示。

请注意，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作为拉伸测压元件构建。在这种情况下，施加的负载拉伸单元并产生输出信号。无论你使用哪种类型的电路，设计策略都是相似的。在设计电路之前，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仿真工具是频率和参数扫描．这将帮助您生成如上所示的图表。

如果你能访问正确的PCB布局和设计软件，您可以执行压电传感器的重要电气和机械设计任务。Allegro PCB Designer凯蒂丝也吃饱了设计工具套件非常适合设计这些设备，模拟设备的行为，并将它们带入更大的测试和测量系统。

如果您想了解更多Cadence如何为您提供解决方案，跟我们和我们的专家团队谈谈吧．