Преглеждания: 0 Автор: Редактор на сайта Време на публикуване: 2026-11-11 Произход: сайт
Пиезоелектричните сензори за сила преобразуват механичната сила в сигнал за електрически заряд. Тяхната висока твърдост ги прави полезни за улавяне на ударни сили, бърза компресия или напрежение и промени в силата по време на циклите на машината. С подходящо кондициониране на сигнала те могат също така да измерват бавно променящи се или временно задържани сили през определен прозорец за измерване.
Започнете със събитието на силата, което трябва да запишете: неговата посока, пикова стойност, продължителност и най-малката значима промяна. Сензор, който улавя точно кратък удар, може да е неподходящ за наблюдение на постоянна сила на затягане в продължение на часове. Сензорът, разположението за монтаж, усилвателят и настройките за събиране на данни трябва да бъдат избрани заедно.
Вътре в кварцов сензор за сила силата, приложена към чувствителния елемент, създава заряд чрез директния пиезоелектричен ефект. За определена посока на натоварване идеалната връзка е Q = S × F, където Q е заряд в пикокулони (pC), S е чувствителност към заряд в pC/N и F е сила в нютони (N). Стойността на калибриране за действителния сензор трябва да се използва при преобразуване на записан сигнал в сила.
Усилвател на заряд преобразува този сигнал с висок импеданс в използваемо напрежение. Някои пиезоелектрични сензори вместо това съдържат интегрирана електроника и осигуряват IEPE сигнал. Силата е измерената величина; зарядът или напрежението е неговото електрическо представяне. Следователно пиезоелектричният сензор за сила не трябва да се бърка със сензор за налягане на флуида, просто защото и двата използват пиезоелектрични материали.
Сензорът за изходен заряд се нуждае от съвместимо кондициониране на заряда, преди сигналът му да достигне обикновен вход за получаване на напрежение.
Пиезоелектричните сензори са добри кандидати, когато измерването изисква твърда пътека на натоварване и улавяне на бързи промени на силата. Сензорите за измерване на напрежение измерват еластичната деформация чрез промяна в електрическото съпротивление и често са по-лесният избор за продължителни статични натоварвания. И двете технологии могат да измерват променящите се сили в техните определени граници; решението трябва да следва необходимата продължителност, реакция и несигурност, а не обикновен статичен срещу динамичен етикет.
Те могат да измерват квазистатична сила, когато измервателната верига поддържа затихването и отклонението на сигнала в рамките на разрешената грешка за необходимото време. Това е различно от безкрайното поддържане на точно отчитане на постоянно натоварване. Справка в каталога за статично калибриране не установява пригодност за дългосрочно претегляне или непрекъснат мониторинг на силата на затягане.
| за задача | на сигнал | Проверка на избор |
|---|---|---|
| Динамичен | Принудителен импулс или промяна на формата на вълната | Запазете както бързите, така и бавните части. |
| Квазистатичен | Бавно наклоняване или кратко задържане | Проверете дрейфа и затихването през целия тест. |
| Дългосрочна статичност | Постоянно натоварване за продължителен период от време | Предпочитайте система за измерване на напрежението, освен ако не е валидирана цялата верига. |
Времевата константа описва нискочестотното поведение на измервателната електроника. В идеална система от първи ред стъпковият сигнал затихва като V(t) = V0 × exp(-t/τ), където τ е времевата константа. По-дългата времева константа намалява затихването по време на ограничено задържане, но свързаният с изтичането дрейф и температурните ефекти все още трябва да бъдат проверени. Kistler разграничава тези режими на работа в своите времева константа ръководство.
За илюстрация, задържане от 1 секунда в идеална система със 100-секундна времева константа губи около 1% от първоначалния си сигнал само чрез този механизъм. Това изчисление изключва шум, топлинни ефекти, грешка при калибриране и други отклонения. Това не е иск за производителност за нито един модел FIBOS . Определете допустимата грешка на силата и тествайте цялата продължителност, вместо да приемате, че универсален брой секунди се прилага за всички пиезоелектрични сензори.
В този идеален модел от първи ред по-дългата времева константа намалява затихването по време на ограничено задържане; действителните измервания също трябва да отчитат дрейфа и други грешки.
Следните дизайни са представени в продуктовия каталог FIBOS 2026. Тези групи описват различни съображения за избор: шайбата е механична форма, докато опън-компресия и три оси описват посоките на измерване. Те не са взаимно изключващи се класификации.
Силова шайба поставя пръстеновиден чувствителен елемент около централен отвор. Може да се побере в компресиран възел, където болт или вал минава през центъра. FIBOS FE011 е идентифициран като пиезоелектричен сензор с пръстеновидна структура и неговата каталожна страница уточнява пасивна работа с инструментариум за зареждане. Неговият чертеж предоставя размерите, необходими за оценка на отворите и опорните повърхности.
Шайбата трябва да стои в предвидения път на натоварване; просто монтиране около болт не означава, че измерва цялата съвместна сила. Проверете как болтът и околните части споделят натоварването и определете инсталираната чувствителност. За по-широките проблеми с механичния избор вижте FIBOS водач на сензора за сила на проходен отвор и поничка.
FIBOS FE011 използва пръстеновидна структура. Оценете заедно централния отвор, опорните повърхности и инсталирания път на натоварване.
За едно аксиално натоварване проверете дали сензорът е определен само за компресия или и за опън, и за компресия. Каталожната страница FIBOS FE001B изброява диапазон на измерване 0–1000 N и компактна структура с резба. FE022 осигурява двупосочно измерване с опции за обхват ±10, ±30, ±50 и ±60 kN изброени в каталога. Това са примери за различни възможности за натоварване, а не за взаимозаменяеми конструкции за монтаж.
Инсталацията на напрежение и натиск се нуждае от товарна връзка, която предава двете посоки без разхлабване или нежелано огъване. Потвърдете размера на резбата, зацепването, посоката на зареждане и чувствителността на калибриране за всяка посока. Обхват само на компресия не трябва да се третира като рейтинг на опън само защото корпусът има резби.
FE001B и FE022 илюстрират различни възможности за аксиално измерване. Потвърдете посоката на натоварване и специфичната за модела механична връзка.
Изберете триосен сензор, когато полезният резултат включва Fx , Fy и Fz , а не една аксиална сила. FIBOS FE025 и FE027 са описани като измерващи едновременно три взаимно перпендикулярни компонента на силата. Техните каталожни страници идентифицират изхода на заряда и показват отделни X/Y и Z спецификации. FE025 използва форма с проходен отвор; FE027 има схема за монтаж в стил блок.
Запишете посоките на координатите на сензора преди сглобяването и задайте всеки канал в софтуера за придобиване. Поискайте приложимата информация за кръстосани смущения и калибриране за предвиденото състояние на натоварване. Три силови канала не установяват възможност за сила и въртящ момент по шест оси и не трябва да се приема еднакво ограничение на силата за всяка ос.
FE025 и FE027 измерват три перпендикулярни компонента на силата. Проверете картографирането на координатите и спецификацията на всяка ос преди интегрирането.
В цикъл на пресоване полезният сигнал може да бъде нарастване на силата, пик близо до окончателното закрепване или неочаквана промяна, преди частта да достигне целевата си позиция. Поставете сензора там, където се предава силата на процеса и синхронизирайте силата с изместването, ако критерият за приемане зависи от позицията на вмъкване. Щамповането и други операции по свързване също изискват дефиниран прозорец за измерване и повтарящи се условия на монтаж.
За цикъл със стадий на задържане проверете платото, както и пика. Система, която правилно идентифицира максималната сила, все още може да представи погрешно задържаната сила поради затихване на сигнала. Задайте точката на нулиране последователно преди принудителното събитие и извън интервала, използван за приемане.
За тест за удар преценете импулса на силата и времето му на нарастване, преди да изберете обхвата на сензора и настройките за придобиване. Малък изпуснат предмет не създава непременно малка пикова сила: спирачният път и твърдостта на контакта влияят на събитието. Проверете приспособлението и записаната форма на вълната за звънене, изрязване и повтарящ се контакт. Повтарящото се динамично натоварване също изисква потвърждение на разрешената история на натоварването; цифрата за безопасно претоварване сама по себе си не е оценка на умора-живот.
Измерването по три оси може да помогне за отделяне на компонентите на силата в експеримент за рязане или изследователско приспособление. Определете дали необходимият резултат е отделен компонент, резултатна сила или промяна спрямо предварително заредена базова линия. Сензор, монтиран под приспособление, не изолира автоматично желаната контактна сила: инерцията на приспособлението, структурното движение и други пътища на натоварване могат да допринесат.
Запишете най-високото и най-ниското механично натоварване на сензора, включително предварително натоварване и преходни пикове. Електрическото нулиране променя референтното показание; не премахва предварителното натоварване или възстановява механичния капацитет. Като опростен пример за счетоводство, 2 kN компресионно предварително натоварване плюс 3 kN допълнително компресионно събитие поставя 5 kN през сензора, ако и двата товара следват един и същи път. Действителните възли на шайбите могат да споделят това допълнително натоварване с болт или заобикаляща конструкция.
За опън, измерен чрез предварително натоварен възел, проверете колко компресия остава при максимално разтоварване и следвайте посочения метод на монтаж. Не избирайте универсален процент на предварително натоварване или използвайте ограничението за безопасно претоварване като нормален работен диапазон. Изпратете хронологията на очакваното натоварване и монтажния чертеж за преглед на конкретния модел.
Посочете най-малката промяна, която би повлияла на вашето решение. Например разграничаването на разликата в силата на сглобяване от 5 N е различна задача от простото откриване на пик от 1 kN . Попитайте дали посочената грешка е спрямо пълната скала или спрямо показанието и оценете базовия шум и дрейфа в единиците за сила. Увеличаването на усилването на усилвателя прави промяната на напрежението по-голяма, но не премахва механичните грешки или установява по-малка гарантирана граница на измерване.
Изградете оценката на несигурността около инсталираната верига: калибриране, повторяемост, подравняване, споделяне на силата, електроника и продължителност на измерването. За работа по три оси включете влиянието на натоварванията върху другите канали. Каталожната линейност сама по себе си не е несигурността на завършената машина.
Проверете чертежа на модела за предвидените товарни повърхности и детайли за монтаж. Свързващите се части трябва да поддържат определената зона на лагеруване и да предават сила в предвидената посока. Мръсотията, неравномерният контакт и натоварването на ръба могат да накарат номинално аксиален тест да въведе огъване или локално напрежение. Уверете се, че адаптерите не влизат в контакт с конектора и че кабелите имат свободно пространство през хода на машината.
По време на пускането в експлоатация сравнете повтарящите се цикли, без да променяте приспособлението. Ако едно малко препозициониране промени съществено измерения пик, проучете пътя на монтажа и натоварването, преди да коригирате софтуерната скала. За динамични тестове също проверете дали добавен адаптер променя реакцията на сглобеното приспособление.
Предварителното натоварване поддържа предвидените контактни повърхности ангажирани. При инсталация на шайба с болтове обаче болтът също така образува паралелна пътека на натоварване. Част от външна промяна на силата може да премине през този път, така че чувствителността на инсталирания модул може да се различава от стойността на калибриране на сензора. Kistler обсъжда това разграничение в своя Ръководство за монтаж на преобразувател на сила на пръстена.
Определете коефициента на преобразуване с окончателния болт, дистанционните елементи, поддържащите части и условието за предварително натоварване. Запишете тези условия с резултатите от калибрирането. Смяната на разделител или болт може да промени споделянето на силата, дори когато сензорът и усилвателят са непроменени. Използвайте специфичните инструкции на сензора, за да установите предварително натоварване; правило от друг модел не е достатъчно.
Болтът за предварително натоварване променя пътя на инсталираното натоварване. Установете чувствителността с окончателния болт, опорите и условието за предварително натоварване.
Сензорът за изходен заряд обикновено се свързва към усилвател на заряд или DAQ вход, специално проектиран за сигнали за заряд. Обикновен мостов усилвател с входно напрежение или тензометричен усилвател не е заместител. IEPE сензор използва съвместимо захранване с постоянен ток и устройство за отчитане на напрежението. Сглобяването на съединителя само по себе си не установява електрическа съвместимост. PCB обяснява заряда и кондиционирането на сигнала на интегрираната електроника.
Примерите FIBOS в тази статия се основават на каталожна информация за режим на зареждане. FE011 изрично изисква инструментариум за зареждане, а FE025/FE027 определят изхода за зареждане. Изберете входа за посочения изход за зареждане; не предполагайте, че тези модели съдържат IEPE електроника. FE8101 е FIBOS усилвател на заряда, а не друг сензор за сила.
FE8101 е усилвател на заряда. Съпоставете предоставената конфигурация със сигнала за зареждане на сензора, входа за придобиване и прозореца за измерване.
Изчислете очаквания заряд, преди да зададете усилването на усилвателя. Използвайки номиналната чувствителност FE001B от 4 pC/N от каталога за 2026 г., промяна на сила от 500 N създава номинални 2000 pC. С илюстративна настройка на усилвателя от 1 mV/pC, промяната на изхода е 2 V. При 10 mV/pC същото събитие ще изисква 20 V и ще ограничи усилвател, ограничен до ±10 V. Това е пример за мащабиране, а не проверка на конкретна конфигурация сензор-усилвател.
За същия сигнал за номинален заряд, увеличаването на усилването от 1 до 10 mV/pC повишава искания изход от 2 до 20 V; ±10 V изходно стъпало би скочило.
Проверете заедно лимита на входа на заряда, колебанието на изхода, настройката на усилването и режима на измерване. Дългият прозорец на измерване също се нуждае от подходящ нискочестотен отговор и производителност на отклонение. Каталогът FE8101 изброява регулируемото усилване и изходното напрежение, но не установява гарантирана продължителност на задържане за вашето приспособление. Потвърдете точната предоставена конфигурация и необходимия прозорец за измерване. Kistler обобщава по-широко критерии за избор на усилвател на заряда.
Свържете кондиционирания изход към DAQ или PLC вход с правилния обхват на напрежението, разположението на заземяването и скоростта на придобиване. Не приемайте, че усилвател на заряд осигурява 4–20 mA или цифрова полева шина, освен ако не е посочен този изход. За бързо събитие проверете скоростта на актуализиране на аналоговия вход и филтрирането, както и програмния цикъл на PLC. Ако системата за управление не може да запази формата на вълната, използвайте подходящ канал за придобиване и предайте валидиран резултат на контролера.
Изберете семплиране и филтриране срещу псевдоними за сигнала, който трябва да запазите; повишаването на честотата на дискретизация не коригира неподходящ аналогов филтър. Закрепете кабелите за режим на зареждане, така че движението на машината да не ги огъва ненужно, използвайте посочения нискошумен кабел и поддържайте връзките с висок импеданс чисти и сухи. Документирайте мащабирането и полярността на канала с файла с данни, така че друг инженер да може да възстанови силата от записаното напрежение.
Сертификатът на сензора описва определени условия за калибриране. Въвеждането в експлоатация трябва също така да установи как крайният монтаж преобразува приложената сила в записания резултат. Когато съществува силов шунт, сравнете инсталираната система с подходящ калибриран еталон през планирания път на натоварване. Използвайте множество точки на сила и повтарящи се цикли на натоварване, подходящи за работния диапазон, и поддържайте всяко отчитане в рамките на валидиран прозорец на измерване.
Запазете серийния номер на сензора, референтния инструмент, условията на монтаж, предварителното натоварване, настройките на усилвателя, DAQ скалата и времето на теста. Проверете отново след промени, които могат да повлияят на споделянето или преобразуването на силата, включително нов сензор, променено приспособление, променено усилване на усилвателя или ревизирана софтуерна скала. Инжектирането на електрически заряд може да провери електрониката, но не може само по себе си да провери пътя на механичното натоварване.
Преди да приемете инсталацията, дефинирайте измерими критерии за преминаване: разрешената базова промяна през цикъла, разрешената грешка по време на задържане и приемливата вариация в повтарящите се пикове. Проверете поведението на базовата линия с механично стабилно приспособление, след което приложете контролирано референтно натоварване, като използвате същата последователност за нулиране и придобиване, планирана за работа. Тестът за задържане сам по себе си не може да разграничи истинското отпускане на натоварването от електрическото разпадане без независима справка.
За динамична проверка проверете необработените данни за изрязване и звънене, сравнете резултатите при подходящи настройки на филтъра и проверете реакцията на сглобеното приспособление с подходящ метод. Задайте допустими граници, преди да сравните кандидат-сензори. Когато заявявате преглед на модела FIBOS , предоставете историята на натоварването, монтажния чертеж, най-малката промяна на силата, продължителността на измерване и подробности за съществуващия усилвател или DAQ. За проекти за подмяна включете оригиналния модел и информация за калибриране; съпоставянето на номиналния капацитет само по себе си не установява съвместимост.
Сензорният елемент с пасивен заряд генерира заряд без мостово възбуждане, но неговият усилвател на заряда и електрониката за придобиване се нуждаят от захранване. Сензорите IEPE също се нуждаят от определеното захранване с постоянен ток за тяхната интегрирана електроника. Проверете действителния тип на сигнала, преди да свържете захранването; входът за пасивен заряд не е IEPE захранваща връзка.
Потенциално, ако сензорът остане в рамките на своите механични граници и цялата верига разреши необходимата инкрементална сила. Установяването на нова електрическа базова линия при предварително натоварване може да позволи на подходящата електроника да се съсредоточи върху последващата промяна. Проверете обхвата на зареждане, шума, дрейфа и споделянето на силата; нулирането не премахва предварително натоварване или гарантира определена резолюция.
Не. Резонансната честота описва механичен резонанс, докато използваемата честотна лента е честотният интервал, в който инсталираната система отговаря на необходимия толеранс на реакция. Добавената маса и твърдостта на приспособлението влияят на механичната реакция; усилвателят и филтрите също ограничават резултата. Не използвайте каталожна резонансна стойност като гарантирана равна честотна лента на измерване. PCB обсъжда честотната характеристика на сензора за сила и монтажа.
Само след проверка на типа на сигнала, чувствителността, обхвата на зареждане, полярността, окабеляването на конектора и необходимия режим на измерване. Механичното прилягане и посоката на натоварване също трябва да съответстват на приложението. Актуализирайте настройките за преобразуване и проверете инсталираната верига с референтен товар. Същият обхват на номиналната сила не установява директна подмяна или еквивалентна производителност.
Движението на заряден кабел с висок импеданс може да генерира нежелан електрически заряд, често наричан трибоелектричен шум. Първо проверете дали движението не прилага реална сила към сензора или конектора. При стабилно механично натоварване сравнете сигнала преди и след закрепването на посочения кабел с нисък шум. Проверете чистотата на връзката и заземяването, преди да третирате всеки пик като сила на процеса.
