压电石英称重传感器的结构与特点
上海坤科仪器设备有限公司 / 2014-10-20
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单分量压电石英称重传感器的结构象一个承载垫圈，由带底座的外壳，两个 X 切割的石英晶体圆片，夹在两个圆片之间的电极板，带有密封膜片的上压头和信号输出插座组成，如图 6 所示。
石英晶体的排列为以其晶轴 X 指向电极板的并联连接，使其在外载荷作用下产生的电荷和灵敏度都增加一倍。在装配时，必须对石英晶体圆片施加足够的预紧力，就是在较高的预紧力下使上压 板与外壳成为一个坚实的整体，上压板的膜片与外壳采用电子束焊或激光焊对石英晶体圆片进行密封和保持预紧力。密封膜片必须具有柔软的线性弹簧特性。对石英晶体圆片施加预紧力进行装配时应作到：预紧力必须垂直于称重传感器表面；在石英晶体圆片上产生的应力应尽量均匀分布；预紧元件的刚度应远远小于称重传感器的刚度以保持较高的灵敏度。
将石英晶体敏感元件与电阻应变计进行比较，不难得出，电阻应变计实际上是测量称重传感器弹性体上的应变，而不是测量外力。在具体设计时必须使额定载荷下弹性体上产生的应变大小适当，即 1100με左右。实际上电阻应变计在弹性体上测量的是一个或几个位置上的表面应变值。表面应 变是否代表弹性体每一种受载状态下的平均应变，取决于设计技术水平。应变式称重传感器的固有缺点在动态称重中受到较多限制：测量范围小，对于 10 的几次方的测量范围必须用多个不同量程 的称重传感器进行测量；量程与鉴别阈之比通常被限制在 50000 以下；弹性体结构较复杂；刚度偏 小，固有频率低；使用温度范围小，一般为-10℃～60℃。相对压电石英称重传感器唯一的优点是 可以进行绝对测量和静态称重，特别是非常适用于精确称重。
与电阻应变计不同，石英晶体敏感元件测量的是应力，是它产生的电荷对于应力的平均值，也 就是说石英晶体具有把敏感元件（石英圆片）整个表面上的载荷进行积分的能力。
压电石英称重传感器与应变式称重传感器的最大区别是石英晶体没有热电效应，即使是温度瞬 变也不会引起信号漂移，而且灵敏度温度系数非常小，约为-0.02%℃，因此不必采取特殊手段补偿 路面温度的影响。而应变式称重传感器则必须进行零点和灵敏度温度补偿。垫圈式压电石英称重传感器一般有额定量程为 100、200、500kg，l、2、5、10、20、50、100t 十种规格。灵敏度均为 40pc/kg， 固有频率≥40KHz，线性度≤1%FS，绝缘电阻≥10TΩ，50t 的压电石英称重传感器的重量只有 l00g。 压电石英称重传感器具有如下特点：
①量程范围广，测量范围达 10 的几次方，一个称重传感器即可完成全量程测量，频率响应范围能在低至接近零周，高达十千周范围内工作；
②量程与鉴别阈之比可达 100000000，一般比值超过 1000000。灵敏度高，测量值可到上百吨 载荷，又能分辨出小至几公斤的动态力；
③刚度大，固有频率高（几十千赫以上），是同尺寸应变式称重传感器的 8 倍，动态响应快；
④时间老化率低，无热释电现象，工作可靠性高，寿命长；
⑤石英晶体的居里点高（573℃），对温度的敏感性低，灵敏度变化极小，长期稳定性好；
⑥石英晶体具有较好的线性，在一般情况下无滞后，组装成称重传感器其动态测量的综合误差优于 1%；
⑦结构紧凑，体积小，高度低，重量轻，可用多个石英晶体片组装大型称重传感器；
⑧用多分量称重传感器进行称重计量时，抗交叉干扰能力强，交叉干扰达到 800Hz 时，测量误 差仍然低于 10%，交叉干扰到 400Hz 时，测量误差小至 2%以内；
⑨使用温度范围广，通常为-200℃～200℃；
⑩在使用时不用事先调整平衡，操作方便。 唯一的缺点是不能在长时间内进行静态测量。
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