ZN-F3201型压电式三向力传感器

ZN-F3201型压电式三向力传感器

工作原理

• 核心物理效应：基于某些材料（如石英、压电陶瓷PZT、压电聚合物PVDF）的正压电效应。当外力作用于传感器时，敏感元件因受力产生微观变形，其内部会发生电极化，在两个表面上产生正负相反的电荷，从而将机械力转换为电信号（电荷或电压）输出 。

• 力分解与测量机制：为了同时测量空间中的三个力分量（Fx, Fy, Fz），传感器内部通常采用特殊的结构设计，主要分为两类：

• 堆叠式：将多组压电元件堆叠在一起。其中一组利用厚度方向的压电效应测量法向力（Fz），另外两组利用厚度剪切效应且方向互相垂直，分别测量两个方向的剪切力（Fx, Fy）。

• 分布式：采用四个对称布置的压电单元（如平板型或微柱阵列）和一个传力结构（如截顶金字塔状的传力头）组合。当受到三轴力时，法向力（Fz）会使四个单元产生相同极性和大小的电荷，而剪切力（Fx/Fy）则会使一侧单元受拉、另一侧单元受压，产生极性相反的电荷。通过计算四个单元输出电荷的和与差，即可解耦出三个方向的力 。

• 信号输出类型：

• 电荷型（PE）：直接输出电荷信号，需要外接电荷放大器才能转换为电压信号。这类传感器适用于高温等恶劣环境 。

• 电压型（IEPE）：传感器内部集成了微电子电路，可以直接输出电压信号，使用更方便 。

• 关键性能特征：

• 高动态响应：固有频率高（可达50kHz以上），非常适合测量瞬态冲击力、高频振动和动态力 。

• 高刚度和高稳定性：压电材料本身刚度很大，受力时变形极小，因此传感器的线性度和稳定性好，迟滞误差小 。

• 宽环境适应性：工作温度范围极广（例如-200°C至+400°C），且耐辐射、抗电磁干扰，能适应各种恶劣工况 。

• 静态测量局限：传统的压电传感器存在电荷泄漏，一般不能测量真正的静态力，但通过特殊设计（如采用PZT材料并利用特定模态），也可以实现准静态力的测量 。

• 主要应用领域

• ZN-F3201型压电式三向力传感器

• 航空航天与国防：

• 风洞测试：测量飞行器模型在气流中受到的空气动力和力矩 。

• 火箭发动机测试：实时监测发动机的推力振动和冲击力 。

• 结构动态分析：用于飞行器部件的冲击、振动测试 。

• 工业自动化与制造：

• 切削力与磨削力测量：在机床上实时监测加工过程中的切削力，用于优化工艺参数、监测刀具磨损 。

• 精密装配：在手机镜头、精密轴承等微小零部件的装配线上，确保0.01N级别的装配力，保证产品质量 。

• 冲压与锻造检测：在金属成形过程中测量模具表面的法向压力和摩擦力，帮助优化模具设计 。

  汽车与碰撞安全：

• 碰撞测试：安装在碰撞假人或车体上，捕捉碰撞瞬间的多维动态力，为车辆安全设计提供数据 。

• 动态力测量：用于测量汽车零部件的冲击、振动和反推力 。

• 科研与其他：

• 触觉传感阵列：利用柔性压电材料（如PVDF）制作的柔性传感器阵列，可以贴合在曲面表面，用于研究机器人触觉、可穿戴电子设备等 。

• 材料力学研究：用于测试材料在动态载荷下的力学性能 。