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冲击力测量传感器的选择方法

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作者：马忠新 

目前在测量动态力、冲击力的传感器主要有应变式冲击力传感器、压电式冲击力传感器两种，在实际冲击力测量过程究竟应如何选择呢？

应变式冲击力传感器

是将冲击过程的弹性变形转换成应变电阻的变化，通过惠斯通桥路、放大调理电路将变化转换为测量电路可识别的信号。

应变式冲击传感器结构

应变式冲击力传感器

压电式冲击力传感器：

压电材料在冲击过程晶体表面产生正负电荷，电荷量与受冲击力大小成正比，电荷通过外置的电荷放大电路转换为后端采集电路可识别的电压，压电式冲击力传感器是依据压电效应设计的。

压电力传感器结构

压电式冲击力传感器

压电式冲击力传感器：由于采用压电陶瓷、压电石英材料，压电冲击力传感器的刚度更大，结构更小，并且拥有更高的固有频率，适合动态测量。采用压电传感器测量时，压电材料产生电信号，但几乎不产生位移。压电传感器的灵敏度不依赖尺寸和压电材料结构，而是依赖使用的压电材料类型和几何形状。

Q=q11.n.F

Q=产生的电荷

Q11=材料常数，例如2.7pc/N

n=晶体数量

F=冲击负载

实际应用过程的选择

在力加载过程中，压电传感器 只有非常小的变形，具有极高的刚度。这导致去具有很高的谐振频率，非常适合用于动态测试。 但是，完整的测量链 对于动态特性是非常关键的。因此，安装传感器的部件需要有更大的质量，并且其对系统的整体质量和截止频率具有一个较大的冲击，避免附加质量引起结构振动、冲击形态的变化。另外，电荷放大器的带宽取决于 电荷，因此，在进行较大的力测量导致的高电荷反过来会限制带宽。

在较大额定力情况下，应变传感器具有更高的截止频率。小量程的力传感器的弹性体更软，结构刚度小， 谐振频率也就更低。但是，进行小量程力进行快速测试时，压电力传感器是选择，而对于较大的力是，应该选择应变原理的传感器。

标定任务

连接应变传感器的 放大器 可以进行多种误差补偿。包括 温度对灵敏度和零点的补偿 以及 线性和弯矩误差等。 因此，应变传感器非常适合高静态标定, 通过弹性体结构可以实现 更高的可重复性。因此，对于力学标定来说，基于应变原理的传感器是选择。压电式力传感器在安装过程采用螺栓安装，实际产生冲击力时螺栓会分流冲击力，用户在实际使用时不能使用传感器厂家提供的出场参数，需与结构件安装后整体标定，标定一般采用冲击加速度法和应变等效冲击法。

测量过程螺栓的力分流作用

高初始负载

在力施加过程中, 如果需要， 压电传感器 产生的电荷可以短路。电荷放大器输入状态可以显示为 ‘零’。因此，电荷放大器的输入范围可以 不受高初始负载影响。因此，压电传感器可以在高初始负载状态下 维持高。

在恶劣环境下

一些应变力传感器具有 IP68 保护等级)。紧致密封的外壳 保护灵敏的应变片。这让其可以用于恶劣的环境中。

压电传感器的电缆可以采用特殊的防护来保证其连接，来保证其操作安全性。(KAB145-3)

高测量

现代力传感器都具有很高的，应变传感器的误差仅有 200 ppm。。压电传感器具有 稍高的线性误差，一般为满量程的 0.5% 。其限制主要来自于漂移，通过对整个量程的标定，可以使其获得 更高的。

空间受到限制

压电传感器 结构非常紧凑，例如 CLP 系列 高度仅有 4 mm。因此非常适合 集成到现存系统中。尽管其比较低，但是在空间要求较高的应用中，压电传感器应该是。