Inleiding tot piëzo-elektrische krachtsensoren

Kwarts-krachtsensoren worden aanbevolen voor dynamische krachttoepassingen. Ze worden niet gebruikt als "load cells" voor statische toepassingen. Metingen van dynamische oscillerende krachten, impactor hoge snelheid compressie/spanning onder wisselende omstandigheden kunnen sensoren met speciale mogelijkheden vereisen. Snelle respons, robuustheid, stijfheid vergelijkbaar met massief staal, grote bereiken en de mogelijkheid om ook quasi-statische krachten te meten zijn standaard kenmerken van PCB-kwarts krachtsensoren.

De volgende informatie presenteert enkele ontwerp- en werkingskenmerken van PCB-krachtsensoren om u te helpen beter te begrijpen hoe ze functioneren, wat u op zijn beurt "zal helpen betere dynamische metingen te verrichten".

Figuur 1 illustreert de doorsnede van een typische kwartskrachtsensor. Deze specifieke sensor is een algemeen 208-serie compressie/spanning-model met ingebouwde elektronica.

Figuur 1: Compressie-spanning-Impact Serie 208

Wanneer op deze sensor kracht wordt uitgeoefend, genereren de kwartskristallen een elektrostatische lading die evenredig is met de ingevoerde kracht. Deze output wordt opgevangen op de elektroden tussen de kristallen en vervolgens rechtstreeks naar een externe ladingsversterker geleid of omgezet in een spanningssignaal met lage impedantie in de sensor. Beide werkwijzen worden in de volgende hoofdstukken onderzocht.

Een piëzo-elektrische krachtsensor genereert bij belasting een hoge elektrostatische lading van de kristallen. Deze lading met hoge impedantie moet via een speciale "ruisarme" kabel worden geleid naar een impedantieomzettende versterker zoals een laboratoriumlaadversterker of bronvolger voor registratiedoeleinden. Aansluiting van de sensor rechtstreeks op een afleesapparaat zoals een oscilloscoop is mogelijk voor hoogfrequente slagindicatie, maar is niet geschikt voor de meeste kwantitatieve krachtmetingen.

De primaire functie van de ladings- of spanningsversterker is het omzetten van de hoge impedantie-uitgang naar een bruikbaar spanningssignaal met lage impedantie voor registratiedoeleinden. Ladingsversterkers in het laboratorium bieden extra veelzijdigheid voor signaalnormalisatie, bereik en filtering. PCB's "elektrostatische" ladingsversterkers hebben extra ingangsaanpassingen voor quasi statische metingen, statische kalibratie en driftvrije dynamische werking. Miniatuur in-line versterkers hebben over het algemeen een vast bereik en een vaste frequentie.

Kwartslaadsensoren met gevallen isolatoren kunnen worden gebruikt bij bedrijfstemperaturen tot 400°F (204°C).

Wanneer u het gebruik van ladingmodus-systemen overweegt, moet u bedenken dat de output van de kristallen een zuivere elektrostatische lading is. De interne componenten van de krachtsensor en de externe elektrische connector handhaven een zeer hoge (typisch 10el3 ohm) isolatieweerstand zodat de door de kristallen gegenereerde elektrostatische lading niet "weglekt". Bijgevolg moeten alle gebruikte connectoren, kabels of versterkers ook een zeer hoge isolatieweerstand hebben om de signaalintegriteit te behouden. Milieuverontreinigingen zoals vocht, vuil, olie of vet kunnen allemaal bijdragen tot verminderde isolatie, met als gevolg signaaldrift en inconsistente resultaten.

Het gebruik van speciale "ruisarme" kabel is vereist voor krachtsensoren met laadmodus. Standaard tweedraads- of coaxkabel genereert bij buiging een elektrostatische lading tussen de geleiders. Dit wordt "tribo-elektrische ruis" genoemd en is niet te onderscheiden van de elektrostatische output van het kristal van de sensor. Kabels met "weinig ruis" hebben een speciaal grafietsmeermiddel tussen de diëlektrische afscherming dat het tribo-elektrisch effect minimaliseert.

De figuren 2 en 3 tonen een typisch oplaadversterkersysteem met: sensor, ruisarme kabel en oplaadversterker.

Figuur 2: Schema van het Charge Mode System



Figuur 3: Charge Mode Systeem

ICP® krachtsensoren hebben een ingebouwde MOSFET micro-elektronische versterker om de hoge impedantie lading om te zetten in een lage impedantie spanningssignaal voor registratie. ICP-sensoren, gevoed door een aparte constante stroombron, werken over lange gewone coax- of lintkabel zonder signaaldegradatie. Het spanningssignaal met lage impedantie wordt niet beïnvloed door tribo-elektrische kabelruis of verontreinigingen.

Figuur 4: Schema van het ICP-sensorsysteem

De ICP-sensoren worden doorgaans gevoed door een goedkope 24-27 VDC constante stroomvoorziening van 2-20 mA. Figuur 4 illustreert schematisch een typisch ICP-sensorsysteem. PCB biedt een aantal AC of batterij gevoede, enkel- of meerkanaals voedings/signaal conditioners, met of zonder versterkingsmogelijkheden voor gebruik met krachtsensoren. (Zie het hoofdstuk Gerelateerde producten in deze catalogus voor beschikbare modellen.) Bovendien bevatten veel data-acquisitiesystemen nu constante stroom voor directe voeding van ICP-sensoren. Omdat statische kalibratie of quasi-statische korte-termijn respons van enkele seconden vaak vereist is, produceert PCB signaal conditioners die DC koppeling bieden.

Figuur 5 vat een complete 2-draads ICP-systeemconfiguratie samen.

Afbeelding 5: Typisch ICP-sensorsysteem

Naast bedieningsgemak bieden ICP-krachtsensoren aanzienlijke voordelen ten opzichte van types met laadmodus. Vanwege de lage impedantie-uitgang en de hermetische constructie in vaste toestand zijn ICP-krachtsensoren zeer geschikt voor continue, onbemande krachtbewaking in ruwe fabrieksomgevingen. Ook zijn de kosten per ICP-sensor aanzienlijk lager, omdat ze werken via standaard, goedkope coaxkabel en geen dure laadversterkers nodig hebben.

De polariteit van de uitgangsspanning van lCP-krachtsensoren is positief voor compressie- en negatief voor trekkrachtmetingen. De polariteit van PCB-laadmodus-krachtsensoren is precies omgekeerd: negatief voor compressie en positief voor spanning. Dit komt doordat oplaaduitgangssensoren gewoonlijk worden gebruikt met externe oplaadversterkers die een inverterende karakteristiek vertonen. Daarom is de resulterende uitgangspolariteit van het laadversterkersysteem positief voor compressie en negatief voor spanning; hetzelfde als bij een ICP-sensorsysteem. (Er zijn ook sensoren met omgekeerde polariteit verkrijgbaar).

De kwartskristallen van een piëzo-elektrische krachtsensor genereren alleen een elektrostatische lading wanneer er kracht op wordt uitgeoefend of van wordt verwijderd. Hoewel de elektrische isolatieweerstand vrij groot is, zal de elektrostatische lading uiteindelijk naar nul lekken via het pad met de laagste weerstand. Als u een statische kracht uitoefent op een piëzo-elektrische krachtsensor, zal de aanvankelijk opgewekte elektrostatische lading uiteindelijk naar nul lekken.

De snelheid waarmee de lading teruglekt naar nul is afhankelijk van het pad met de laagste isolatieweerstand in de sensor, de kabel en de elektrische weerstand/capaciteit van de gebruikte versterker.

In een krachtsensor met laadmodus wordt de leksnelheid gewoonlijk bepaald door de waarden van de capaciteit en de weerstand in de ruisarme kabel en de gebruikte externe laad- of bronvolgerversterker.

Bij een krachtsensor met ingebouwde ICP-elektronica bepalen de weerstand en de capaciteit van de ingebouwde ICP-elektronica gewoonlijk de leksnelheid.

Wanneer op een piëzo-elektrische krachtsensor een snelle dynamische kracht wordt uitgeoefend, wordt de elektrostatische lading snel gegenereerd en lekt deze bij een adequate ontladingstijdconstante niet terug naar nul. Er is echter een punt waarop een langzame dynamische kracht quasi-statisch wordt en de lekkage sneller verloopt dan de snelheid van de veranderende kracht. Waar ligt het punt waarop de kracht te langzaam is voor de piëzo-elektrische krachtsensor om de meting uit te voeren? Zie de volgende paragraaf over de ontlaadtijdconstante voor het antwoord.

DTC is gedefinieerd als de tijd die een sensor of meetsysteem nodig heeft om zijn signaal te ontladen tot 37% van de oorspronkelijke waarde na een stapsgewijze verandering van de te meten grootheid. Dit geldt voor elke piëzo-elektrische sensor, of het nu gaat om kracht-, druk- of trillingsbewaking. De DTC van een systeem houdt rechtstreeks verband met de bewakingsmogelijkheden van een systeem bij lage frequentie en wordt, in het geval van krachtbewaking, zeer belangrijk omdat het vaak gewenst is quasi-statische metingen uit te voeren.

In een charge mode systeem bevatten de sensoren geen ingebouwde versterkers, daarom wordt de DTC gewoonlijk bepaald door de instellingen op een externe charge versterker. Een feedbackweerstand bepaalt samen met een condensator op de operationele versterker de tijdconstante. PCB Serie 460 Laadversterkers hebben een korte, middellange en lange tijdconstante schakelaar waaruit DTC wordt gekozen. Aangenomen wordt dat de elektrische isolatieweerstand van de krachtsensor en de kabel die op de laadversterker is aangesloten groter is dan die van de feedbackweerstand in de laadversterker; anders zal drift optreden. Daarom moeten het aansluitpunt van de krachtsensor en de kabel schoon en droog worden gehouden.

Bij ICP-sensoren zijn er twee factoren waarmee rekening moet worden gehouden bij laagfrequente metingen. Deze zijn

1.) De ontladingstijdconstante karakteristiek van de krachtsensor.
2.) De ontladingstijdconstante van het AC-koppelingscircuit dat in de signaalconditioner wordt gebruikt. (Als DC-koppeling wordt gebruikt, hoeft alleen met het bovenstaande (1) rekening te worden gehouden).

Het is belangrijk dat de gebruiker beide factoren goed begrijpt om nauwkeurige laagfrequente metingen te garanderen.

Figuur 6: Standaard DTC-curve

Het product van R en C vertegenwoordigt de DTC (in seconden) van de sensor. Sensortijdconstanten variëren van enkele seconden tot >2000 seconden voor standaardsensoren. Speciale tijdconstanten kunnen worden geleverd door de weerstandswaarde, R, in de ingebouwde micro-elektronische versterker van de sensor te wijzigen.

De meeste uitleesinstrumenten hebben een hoge ingangsimpedantie, >1 Megohm. Voor deze systemen wordt de eerder besproken DTC van de sensor de dominante waarde, die kan worden gebruikt om de signaalontlading te bepalen. Voor signalen die gekoppeld zijn aan uitleesinstrumenten met een lage impedantie, over het algemeen <1 Megohm, moet echter de systeemtijdconstante worden bepaald. Dit wordt in het volgende hoofdstuk nader toegelicht.

De externe voeding van een ICP-krachtsensor kan ook een DTC hebben. In sommige ICP-signaalconditioners met interne bufferversterkers of versterkers wordt de tijdconstante vastgesteld door diverse interne componenten en kan deze korter of langer zijn dan de DTC van de sensor. Bij signaalversterkers met capacitief gekoppelde uitgangen ligt de DTC niet vast. In dit geval werkt een condensator die wordt gebruikt om de voorspanning van een ICP-krachtsensor te ontkoppelen samen met de ingangsimpedantie van het uitleesapparaat om een andere tijdconstante te creëren.

Controleer de specificaties van de signaalomvormer om na te gaan of deze een vaste interne DTC heeft, die de lage frequentierespons bepaalt, of een capacitief gekoppelde uitgang heeft. Indien de uitgang capacitief gekoppeld is, kan de tijdconstante, wanneer deze aan de ingang van de uitlezing wordt toegevoerd, als volgt worden berekend:

DTC = ingangsimpedantie van de uitlezing x waarde van de koppelcondensator van de voeding.

Merk op dat de uitgang van sommige ICP-vermogensregelaars met capacitieve koppeling een shuntweerstand heeft die de effecten van de ingangsweerstand van het uitleesapparaat tenietdoet als deze 1 Megohm of meer bedraagt.

AC-koppeling in het uitleesapparaat is ook een extra type DTC. Controleer de specificaties van de stroomconditioners en het uitleesapparaat om er zeker van te zijn dat ze geschikt zijn voor uw specifieke dynamische meting. Indien u meer dan één DTC in het systeem hebt, overheerst meestal een tijdconstante die aanzienlijk korter is dan de andere. De bepaling van de DTC van het systeem voor oscillerende en transiënte ingangen kan worden berekend aan de hand van deze vergelijkingen:

De TCr, of uitleestijdconstante, wordt berekend uit het product van de koppelcondensator van de ICP-voeding en de ingangsimpedantie van de uitlezing, in seconden. Om mogelijke problemen te voorkomen, wordt aanbevolen de koppelingstijdconstante ten minste 10 keer zo lang te houden als de sensortijdconstante. De ontladingstijdconstante van de ICP-sensor bepaalt de laagfrequente respons van het systeem. Hij is analoog aan een eerste orde hoogdoorlatend RC-filter. De theoretische onderhoekafsnijfrequentie (fc) wordt geïllustreerd in fig. 7 hieronder, en kan worden berekend aan de hand van de volgende relaties:

3 dB omlaag: fc = 0,16/DTC
10% omlaag: fc = 0,34/DTC
5% omlaag: fc = 0,5/DTC

Figuur 7: Overdrachtskenmerken van een ICP-sensor

Het is vaak gewenst een ingangspuls van enkele seconden te meten. Dit geldt met name voor krachtsensortoepassingen waarbij statische kalibratie of quasi-statische metingen plaatsvinden. (Voordat dergelijke tests worden uitgevoerd, is het belangrijk om het gehele monitoringsysteem te DC-koppelen om snel signaalverlies te voorkomen. PCB 484-serie signaalconditioners hebben een AC/DC werkingsmodus en zijn ontworpen voor dergelijke toepassingen).

De algemene vuistregel voor dergelijke metingen is dat het verlies van het uitgangssignaal en de tijd die verstrijkt over de eerste 10% van een DTC een één op één relatie hebben. Als een sensor een DTC van 500 seconden heeft, zal gedurende de eerste 50 seconden 10% van het oorspronkelijke ingangssignaal zijn vervallen. Voor 1% nauwkeurigheid moeten gegevens worden genomen in de eerste 1% van de DTC. Als 8% nauwkeurigheid aanvaardbaar is, moet de meting worden verricht binnen 8% van de DTC, enzovoort. Figuur 8 toont dit gebeuren grafisch.

Figuur 8: Stapsgewijze respons

Bij ongewijzigd beleid zal het signaal op natuurlijke wijze afnemen tot nul. Dit duurt ongeveer 5 DTC. U zult merken dat het uitgangssignaal, nadat de oorspronkelijke stapimpuls is verwijderd, onder het referentiepunt van de basislijn zakt (t0+.01 TC). Deze negatieve waarde is dezelfde waarde als die van de oorspronkelijke impuls. Verdere observatie zal uitwijzen dat het signaal, wanneer het niet wordt aangeraakt, naar nul zal dalen totdat een evenwicht in het systeem wordt waargenomen.

In tegenstelling tot de laagfrequente respons van de sensor, die elektrisch wordt bepaald via de DTC = RC-vergelijking, wordt de hoogfrequente respons mechanisch bepaald aan de hand van de sensorcomponenten. Elke krachtsensor heeft een onbelaste resonantiefrequentie die in acht moet worden genomen bij het bepalen van de lineaire bovengrenzen van de werking. De lineaire respons van krachtsensoren wordt in het algemeen geacht tot 20% van deze resonantiefrequentiewaarde te liggen.

Een juiste installatie van de sensoren is essentieel voor nauwkeurige dynamische metingen. Hoewel robuuste PCB-krachtsensoren tot op zekere hoogte vergevingsgezind zijn, moeten bepaalde basisprocedures worden gevolgd.

Aangezien de meeste PCB-krachtsensoren zijn ontworpen met kwartscompressieplaten om krachten te meten die in axiale richting worden uitgeoefend, zal het uitlijnen van de sensor en contactoppervlakken om randbelasting of buigmomenten in de sensor te voorkomen betere dynamische metingen opleveren.

Evenwijdigheid tussen de sensor en de contactoppervlakken van de teststructuur minimaliseert buigmomenten en randbelasting. Ook de vlakheid van de montageoppervlakken is van invloed op de kwaliteit van de meting. Het gebruik van een dunne laag smeermiddel op de montagevlakken tijdens de installatie zorgt voor een beter contact tussen de sensor en het montageoppervlak.

De montagevlakken op PCB-krachtsensoren worden tijdens de fabricage gelept om ervoor te zorgen dat ze vlak, parallel en glad zijn. Ringvormige krachtsensoren worden geleverd met wrijvingsringen om de schuifbelasting van het sensoroppervlak bij het aandraaien tussen twee oppervlakken te minimaliseren.

Voor goede metingen is het ook belangrijk dat het gehele sensoroppervlak wordt belast. Dit kan echter moeilijk zijn als het oppervlak dat in contact wordt gebracht met de for sensor vlak is maar niet parallel aan het sensorbevestigingsoppervlak. In dit geval kan een tussenliggend gebogen oppervlak de invloed van de randbelasting verminderen. (Zie figuur 9)

Figuur 9: Randbelasting versus middenbelasting

Krachtsensoren van de PCB-serie 208 worden geleverd met een bolle gebogen slagkap om de krachten over het hele oppervlak van de krachtsensor te helpen verdelen.

Een andere overweging bij de montage van krachtsensoren is het minimaliseren van onnodige mechanische hoogfrequente schokbelasting van de sensoren. De hoge frequentie van directe metaal-op-metaal botsingen kan vaak leiden tot kortdurende, hoge "g" overbelasting van structuren en sensoren. Dit probleem kan worden geminimaliseerd door een dunne dempingslaag van een zachter materiaal te gebruiken op het raakvlak tussen de structuur en de sensor die wordt getroffen. (Vooraf dient te worden overwogen of de lichte demping van de hoogfrequente schok kritisch is voor de vereisten van de krachtmeting). Het botsoppervlak van krachtsensoren van de serie 200 en de botskappen van krachtsensoren van de serie 208 zijn voorzien van dunne lagen dempingsmateriaal.

De PCB ringvormige krachtsensoren worden meestal geïnstalleerd tussen twee delen van een teststructuur met een elastische beryllium koperen bout of tap. Dit tapeind houdt de structuur bijeen en oefent een voorspanning uit op de krachtring. Bij dit type installatie wordt een deel van de kracht tussen de twee structuren door het bevestigingsboutje geleid. Dit kan tot 5% zijn voor het bij het instrument geleverde berylliumkoperen tapeind en tot 50% voor stalen tapeinden. Indien een ander tapeind dan berylliumkoper wordt gebruikt, is het van cruciaal belang dat de ringsensoren in voorgespannen toestand worden gekalibreerd om nauwkeurige metingen en lineariteit over het gehele werkbereik van de sensor te garanderen.

De PCB in-house kalibratieprocedure vereist de installatie van een krachtring met BeCu tap in serie met een NIST traceerbare testring. Een voorspanning van 20% (volledige schaalbereik van de krachtring), maar niet minder dan 10 lbs, wordt toegepast voordat de meetgegevens worden geregistreerd. Laat de statische component van het signaal ontladen vóór de kalibratie.

Het uitgangskenmerk van piëzo-elektrische sensoren is dat van een AC gekoppeld systeem, waarbij repeterende signalen afnemen totdat er een gelijk gebied boven en onder de oorspronkelijke basislijn is. Naarmate de omvang van de gecontroleerde gebeurtenis fluctueert, blijft de output gestabiliseerd rond de basislijn, waarbij de positieve en negatieve gebieden van de curve gelijk blijven. Figuur 10 geeft een AC-signaal weer dat deze curve volgt. (De output van sensoren die in DC-modus werken, volgt hetzelfde patroon, maar over een langer tijdsbestek dat samenhangt met de tijdconstanten van de sensoren).

Figuur 10: AC-signaal

Voorbeeld: Aangenomen wordt dat een uitgangssignaal van 0 tot 4 volt wordt gegenereerd door een AC gekoppelde krachttoepassing met een constante pulsfrequentie van één seconde en één seconde tussen de pulsen. De frequentie blijft constant, maar het signaal neemt snel negatief af totdat het signaal zich centreert rond de oorspronkelijke basislijn (waar gebied A = gebied B). De uitvoer van piek tot piek blijft gelijk.

Bij veel toepassingen van krachtbewaking is het gewenst een reeks repeterende pulsen van nul tot piek te bewaken, die binnen een kort tijdsinterval van elkaar kunnen voorkomen. Dit uitgangssignaal wordt vaak een "pulstrein" genoemd. Zoals eerder besproken zal het AC-gekoppelde uitgangssignaal van piëzo-elektrische sensoren afnemen naar een evenwichtstoestand, waardoor het lijkt alsof de positieve kracht afneemt en het moeilijk is om een continu nul-tot-piek uitgangssignaal, zoals bij stempelen of pillenpersen, nauwkeurig te bewaken. Met behulp van speciale ICP-signaalconditioneringsapparatuur wordt het mogelijk een uitgangssignaal positief te positioneren boven een op de grond gebaseerd nulpunt. PCB's model 484B02 werkt in driftvrije AC-modus en levert de constante stroomspanning voor ICP-krachtsensoren en heeft een op nul gebaseerd klemcircuit dat elke puls elektronisch op nul zet. Zoals geschetst in figuur 11, voorkomt deze speciale schakeling dat de uitgang negatief afdrijft, waardoor een continu positief polariteitssignaal ontstaat.

Figuur 11: Positieve polariteit, op nul gebaseerde AC-uitgang

PCB biedt NIST (National Institute of Standards and Technology) traceerbare kalibratie- en testdiensten voor alle krachtsensoren. Kalibratieprocedures volgen geaccepteerde richtlijnen zoals aanbevolen door ANSI (American National Standards Institute) en ISA (Instrument Society of America). Kalibratie van krachtsensoren bij PCB is in overeenstemming met ISA-37-10 en voldoet aan MIL-STD-45662A. Deze normen voorzien in het opzetten en beheren van complete kalibratiesystemen, waardoor de nauwkeurigheid van de specificaties van een sensor wordt gecontroleerd door de nauwkeurigheid van de meet- en testapparatuur te controleren.

Elke individueel gekalibreerde krachtsensor wordt geleverd met een NIST traceerbaar certificaat dat de gekalibreerde gevoeligheid aangeeft. Het bepalen van de gevoeligheid van sensoren met een werkbereik van 5 000 tot 100 000 lbs (22,24 tot 444,8 kN) gebeurt door de krachtsensor in een hydraulische pers te plaatsen. In serie met de sensor staat een Morehouse ringreferentiekrachtstandaard, geselecteerd voor het werkbereik van de sensor. Referentieproefringen worden om de zes maanden gekalibreerd en gecertificeerd om de gekalibreerde waarde te verifiëren. Een kleinere testopstelling wordt gebruikt voor sensoren met een kleiner bereik. Miniatuurmodellen met hoge gevoeligheid worden gekalibreerd door een bekende lichtgewicht massa aan te brengen, het signaal op nul te laten komen en dan snel de massa te verwijderen. De geregistreerde output is de gevoeligheid van de sensor. Laadmodus en sensoren met een langere tijdconstante worden gekalibreerd door statisch een bekende kracht uit te oefenen en de outputgegevens te registreren.

Bij elke kalibratieprocedure worden datapunten uitgezet met een interval van 20% van het werkbereik van de sensor. Elk punt vertegenwoordigt het gemiddelde van drie afzonderlijke metingen in dat bereik. Deze gemiddelde punten worden grafisch uitgezet en de beste rechte lijn door het nulpunt wordt getrokken. Als de gekalibreerde punten buiten de gespecificeerde lineariteit vallen, zoals bepaald in de gepubliceerde specificaties, is het apparaat niet gekalibreerd en wordt het afgekeurd.