隨著工業(yè)制造行業(yè)全球競爭的白熱化，對產(chǎn)品質(zhì)量和精度的要求也越來越高。那么，優(yōu)化和監(jiān)控整條生產(chǎn)線最高效、最具成本效益的方式是什么？對于許多生產(chǎn)商而言，解決方案無疑是集成動態(tài)過程監(jiān)控 - 特別是在其中應用壓電傳感器。

在目前的眾多工業(yè)應用中，工業(yè)4.0的愿景已成為卓有成效的現(xiàn)實——比如，汽車制造、醫(yī)療技術(shù)和電氣工程等領域。由于數(shù)字化水平不斷提升以及機械和系統(tǒng)網(wǎng)絡的發(fā)展，目前，生產(chǎn)過程各環(huán)節(jié)有可能實現(xiàn)前所未有的優(yōu)化。任何現(xiàn)代制造企業(yè)要在未來市場中維持競爭力，關鍵在于能否對生產(chǎn)線進行持續(xù)一致的監(jiān)控，以實現(xiàn)零缺陷生產(chǎn)為目標。

僅在數(shù)年前，幾乎所有產(chǎn)品的檢驗都是在線下，即生產(chǎn)過程結(jié)束之后進行的。而目前，越來越多的產(chǎn)品實際上在生產(chǎn)過程中就已處于監(jiān)控之下（即，線上監(jiān)控），從而避免了許多不必要的成本。對于連接、組裝及測試而言，在以零缺陷生產(chǎn)為目標，優(yōu)化生產(chǎn)過程時，基于壓電原理的傳感器技術(shù)是關鍵因素。傳感器技術(shù)非常適宜測量力、壓力、加速度及扭矩等物理變量。

壓電傳感器：基本原理

使用壓電傳感器的物理原理是“壓電效應”。這一效應是Pierre和Jacques Curie兩兄弟于1880年發(fā)現(xiàn)的。壓電材料在受到機械荷載（來自希臘語“pie-zein”，意為擠壓或壓力）時會產(chǎn)生電荷。1950年，Walter P. Kistler獲得了壓電信號電荷放大器專利，這是實現(xiàn)壓電效應應用的關鍵進展。

石英晶體的壓電效應可以提供價值極高的應用：對適當處理過的石英施加機械荷載，可產(chǎn)生與作用力直接成正比的電荷信號。因此，與其他技術(shù)不同的是，利用壓電效應捕獲被測值，并不會受到形變與位移影響。在這種情況下，石英元件的尺寸唯一決定的是被測值的最大幅值。因此，大型傳感器產(chǎn)生的信號與相同結(jié)構(gòu)的小型傳感器產(chǎn)生的信號并無區(qū)別。我們通過下游放大器來設置所需測量范圍，并可在幾十年內(nèi)僅使用一個傳感器來進行精確測量，而無需改變機械結(jié)構(gòu)。

圖1：石英晶體的壓電效應可以提供價值極高的應用：對石英施加機械荷載，可產(chǎn)生與作用力直接成正比的電荷信號。

奇石樂也提供ICP®輸出型的壓電力傳感器：在這種傳感器內(nèi)，原始信號已轉(zhuǎn)換為5伏特或10伏特的輸出電壓。

由于晶體剛度極高，其測量撓度較低——通常在幾千牛頓/微米以內(nèi)，令測量系統(tǒng)具備較高的自振頻率，特別是對于高度動態(tài)過程而言，這是一項關鍵指標。另一個重要因素是，石英和晶體不會顯示出零點偏移或線性度變化等疲勞或長期影響。在某些情況下，壓電傳感器的使用可能會受到因物理原因產(chǎn)生的漂移電荷的限制。雖然取決于被測值的范圍以及測量技術(shù)的設計，在幾分鐘或幾小時內(nèi)的期間內(nèi)，進行準靜態(tài)測量仍是可能的。

奇石樂在1950年代研發(fā)的石英傳感器技術(shù)，可用于直接或間接測量動態(tài)力。直接測力時，傳感器完全安裝在力流中（1），測量全部力。該方法測量精度很高，幾乎不依賴力的作用點。如果傳感器不能直接安裝在力流中，則其只能測量部分力（3）；其余的力則通過其安裝的結(jié)構(gòu)（分流器）進行測量。間接測力時，可用應變傳感器測量間接通過結(jié)構(gòu)應變的過程力（2）。

圖2： 根據(jù)安裝條件，各類不同的傳感器可提供最優(yōu)生產(chǎn)監(jiān)控：1.直接測力（全部的過程力均通過傳感器）。2.間接測力（小部分過程力通過傳感器）。3.分流測力（通過C型框架式壓機的撓度間接測力）。

在研究和工業(yè)中的應用

除了一般的經(jīng)濟考量外，目前，安裝條件的重要性也越來越高。選擇力傳感器時，尺寸通常是關鍵因素。石英傳感器非常穩(wěn)定、耐用、緊湊；經(jīng)常安裝在其他技術(shù)無法使用的測量點。該等屬性說明了石英傳感器在研究和開發(fā)領域廣泛使用，并在生產(chǎn)線和工業(yè)測試技術(shù)領域日益受到青睞的原因。

試舉一例，在汽車零部件的老化和負載調(diào)查時，需應用具有長期穩(wěn)定性的動態(tài)力測量——比如，針對鎖、門、發(fā)動機護罩、行李艙蓋、閥座與彈簧等裝置的壓力、張力、碰撞及耐久性測試。在這一方面，石英力傳感器相較其他傳感器具有獨特優(yōu)勢。由于石英不會老化，因此大多情況下，可以將校準限于DIN EN ISO 9001:2015等質(zhì)量保證系統(tǒng)中規(guī)定的壽命周期，從而節(jié)省了整體的測量時間和費用。對于特定應用，由于石英力傳感器的壽命周期成本較低，其可以提供多項技術(shù)優(yōu)勢，并有利于降低主要成本。

壓電力傳感器用于動態(tài)力測量（例如，鈑金零件的沖切過程）；此外，也用于發(fā)動機機體軸承壓合等準靜態(tài)過程。在該等情況下，過程力可被安全激活：在出現(xiàn)力峰值時，常規(guī)測量系統(tǒng)可能遭受永久損害，但該項測試技術(shù)卻不會受到影響。

奇石樂的系統(tǒng)可為注塑成型過程的分析和記錄提供最佳質(zhì)量保證解決方案。模腔壓力是最具說明性的過程變量，因為在實際創(chuàng)建模制件時，它可以立即說明相關情況。因此，傳感器和系統(tǒng)可根據(jù)模腔壓力，在盡可能早的階段檢測出模制件的質(zhì)量是否合格。

圖3：maXYmos XY監(jiān)控器可根據(jù)型線監(jiān)控、評估產(chǎn)品或生產(chǎn)環(huán)節(jié)的質(zhì)量。在評估對象（EO）的幫助下，用戶將曲線評估進行調(diào)整，使之適于特定監(jiān)控任務。

過程集成質(zhì)量保證系統(tǒng)解決方案

通過過程集成，可在適當?shù)谋O(jiān)控系統(tǒng)中顯示、評估并記錄數(shù)據(jù)，從而實際應用高靈敏度壓電傳感器捕捉的數(shù)據(jù)。該等測量系統(tǒng)集成進制造序列后，就有可能對產(chǎn)品缺陷進行及早檢測——從而降低因缺陷部件導致的潛在財務損失風險。

在組裝技術(shù)方面，奇石樂的maXYmos系統(tǒng)能可靠地監(jiān)控生產(chǎn)過程，用戶能夠借此優(yōu)化生產(chǎn)過程，趨向于以最低成本實現(xiàn)零缺陷生產(chǎn)的目標。該系統(tǒng)以非凡的靈活性和用戶友好型操作界面為顯著特征，不僅可用于自動化連接過程和壓合過程，而且還能用于手工執(zhí)行的壓制過程等人工操作中。除了用于生產(chǎn)和組裝之外，奇石樂傳感器和XY監(jiān)控器也用于最終產(chǎn)品的性能驗證。由于奇石樂XY監(jiān)控器無與倫比的多功能性，因此，在質(zhì)量保證日益成為首要考量因素的所有工業(yè)部門，XY監(jiān)控器可達到這些部門制定的質(zhì)量要求。

圖4：小型力傳感器設計緊湊，節(jié)省空間，可優(yōu)化集成到機械設計之中。

專注于提升成本效益

奇石樂的壓電傳感器及相關的監(jiān)控系統(tǒng)正在歐洲、美國和亞洲得到應用——事實上，已在全球范圍得到全面應用�；�于壓電原理的傳感器技術(shù)顯著提升了企業(yè)生產(chǎn)線的過程可靠性，并能夠持續(xù)不斷地提高企業(yè)——推動企業(yè)以最大化的過程效率實現(xiàn)零缺陷生產(chǎn)。從企業(yè)角度而言，該類高精度技術(shù)最大的用處在于：為企業(yè)在全球激烈競爭的市場領域取得商業(yè)成功奠定穩(wěn)固基礎。

部分內(nèi)容來源：齊石樂官方微信公眾號

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奇石樂是壓電測量技術(shù)的創(chuàng)始者，并在壓力、力、扭矩和加速度等動態(tài)測量技術(shù)領域處于行業(yè)領先地位。奇石樂的尖端技術(shù)為模塊化系統(tǒng)和奇石樂的服務業(yè)務奠定了基礎。

奇石樂作為經(jīng)驗豐富的開發(fā)合作伙伴，幫助客戶在工業(yè)、研發(fā)等領域優(yōu)化產(chǎn)品和流程，持續(xù)保持競爭優(yōu)勢。這家瑞士家族企業(yè)以其創(chuàng)新的傳感器技術(shù)推動了汽車開發(fā)和工業(yè)自動化以及眾多新興行業(yè)的發(fā)展。奇石樂廣泛的應用技術(shù)與經(jīng)驗和絕對嚴格的質(zhì)量意識助推輕量化制造、汽車安全、減排和工業(yè) 4.0 等方面的創(chuàng)新。

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