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隨著工業(yè)制造行業(yè)全球競(jìng)爭(zhēng)的白熱化，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和精度的要求也越來(lái)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(duì)于許多生產(chǎn)商而言，解決方案無(wú)疑是集成動(dòng)態(tài)過(guò)程監(jiān)控——特別是在其中應(yīng)用壓電傳感器。
在目前的眾多工業(yè)應(yīng)用中，工業(yè)4.0的愿景已成為卓有成效的現(xiàn)實(shí)——比如，汽車(chē)制造、醫(yī)療技術(shù)和電氣工程等領(lǐng)域。由于數(shù)字化水平不斷提升以及機(jī)械和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，目前，生產(chǎn)過(guò)程各環(huán)節(jié)有可能實(shí)現(xiàn)前所未有的優(yōu)化。任何現(xiàn)代制造企業(yè)要在未來(lái)市場(chǎng)中維持競(jìng)爭(zhēng)力，關(guān)鍵在于能否對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行持續(xù)一致的監(jiān)控，以實(shí)現(xiàn)零缺陷生產(chǎn)為目標(biāo)。
圖1：石英晶體的壓電效應(yīng)可以提供價(jià)值極高的應(yīng)用：對(duì)石英施加機(jī)械荷載，可產(chǎn)生與作用力直接成正比的電荷信號(hào)。
僅在數(shù)年前，幾乎所有產(chǎn)品的檢驗(yàn)都是在線下——即生產(chǎn)過(guò)程結(jié)束之后——進(jìn)行的。而目前，越來(lái)越多的產(chǎn)品實(shí)際上在生產(chǎn)過(guò)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(duì)于連接、組裝及測(cè)試而言，在以零缺陷生產(chǎn)為目標(biāo)，優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程時(shí)，基于壓電原理的傳感器技術(shù)是關(guān)鍵因素。傳感器技術(shù)非常適宜測(cè)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(yīng)”。這一效應(yīng)是Pierre和Jacques Curie兩兄弟于1880年發(fā)現(xiàn)的。壓電材料在受到機(jī)械荷載（來(lái)自希臘語(yǔ)“pie-zein”，意為擠壓或壓力）時(shí)會(huì)產(chǎn)生電荷。1950年，Walter P. Kistler獲得了壓電信號(hào)電荷放大器專利，這是實(shí)現(xiàn)壓電效應(yīng)應(yīng)用的關(guān)鍵進(jìn)展。
石英晶體的壓電效應(yīng)可以提供價(jià)值極高的應(yīng)用：對(duì)適當(dāng)處理過(guò)的石英施加機(jī)械荷載，可產(chǎn)生與作用力直接成正比的電荷信號(hào)。因此，與其他技術(shù)不同的是，利用壓電效應(yīng)捕獲被測(cè)值，并不會(huì)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(cè)值的最大幅值。因此，大型傳感器產(chǎn)生的信號(hào)與相同結(jié)構(gòu)的小型傳感器產(chǎn)生的信號(hào)并無(wú)區(qū)別。我們通過(guò)下游放大器來(lái)設(shè)置所需測(cè)量范圍，并可在幾十年內(nèi)僅使用一個(gè)傳感器來(lái)進(jìn)行精確測(cè)量，而無(wú)需改變機(jī)械結(jié)構(gòu)。
奇石樂(lè)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(hào)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(cè)量撓度較低——通常在幾千牛頓/微米以內(nèi)，令測(cè)量系統(tǒng)具備較高的自振頻率，特別是對(duì)于高度動(dòng)態(tài)過(guò)程而言，這是一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。另一個(gè)重要因素是，石英和晶體不會(huì)顯示出零點(diǎn)偏移或線性度變化等疲勞或長(zhǎng)期影響。在某些情況下，壓電傳感器的使用可能會(huì)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(cè)值的范圍以及測(cè)量技術(shù)的設(shè)計(jì)，在幾分鐘或幾小時(shí)內(nèi)的期間內(nèi)，進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量仍是可能的。
奇石樂(lè)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(cè)量動(dòng)態(tài)力。直接測(cè)力時(shí)，傳感器完全安裝在力流中（1），測(cè)量全部力。該方法測(cè)量精度很高，幾乎不依賴力的作用點(diǎn)。如果傳感器不能直接安裝在力流中，則其只能測(cè)量部分力（3）；其余的力則通過(guò)其安裝的結(jié)構(gòu)（分流器）進(jìn)行測(cè)量。間接測(cè)力時(shí)，可用應(yīng)變傳感器測(cè)量間接通過(guò)結(jié)構(gòu)應(yīng)變的過(guò)程力（2）。
圖2：根據(jù)安裝條件，各類(lèi)不同的傳感器可提供最優(yōu)生產(chǎn)監(jiān)控：1.直接測(cè)力（全部的過(guò)程力均通過(guò)傳感器）。2.間接測(cè)力（小部分過(guò)程力通過(guò)傳感器）。3.分流測(cè)力（通過(guò)C型框架式壓機(jī)的撓度間接測(cè)力）。
在研究和工業(yè)中的應(yīng)用
除了一般的經(jīng)濟(jì)考量外，目前，安裝條件的重要性也越來(lái)越高。選擇力傳感器時(shí)，尺寸通常是關(guān)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(wú)法使用的測(cè)量點(diǎn)。該等屬性說(shuō)明了石英傳感器在研究和開(kāi)發(fā)領(lǐng)域廣泛使用，并在生產(chǎn)線和工業(yè)測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域日益受到青睞的原因。
試舉一例，在汽車(chē)零部件的老化和負(fù)載調(diào)查時(shí)，需應(yīng)用具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)力測(cè)量——比如，針對(duì)鎖、門(mén)、發(fā)動(dòng)機(jī)護(hù)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(cè)試。在這一方面，石英力傳感器相較其他傳感器具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。由于石英不會(huì)老化，因此大多情況下，可以將校準(zhǔn)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(cè)量時(shí)間和費(fèi)用。對(duì)于特定應(yīng)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(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并有利于降低主要成本。
壓電力傳感器用于動(dòng)態(tài)力測(cè)量（例如，鈑金零件的沖切過(guò)程）；此外，也用于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體軸承壓合等準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。在該等情況下，過(guò)程力可被安全激活：在出現(xiàn)力峰值時(shí)，常規(guī)測(cè)量系統(tǒng)可能遭受永久損害，但該項(xiàng)測(cè)試技術(shù)卻不會(huì)受到影響。
奇石樂(lè)的系統(tǒng)可為注塑成型過(guò)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(shuō)明性的過(guò)程變量，因?yàn)樵趯?shí)際創(chuàng)建模制件時(shí)，它可以立即說(shuō)明相關(guān)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(cè)出模制件的質(zhì)量是否合格。
過(guò)程集成質(zhì)量保證系統(tǒng)解決方案
通過(guò)過(guò)程集成，可在適當(dāng)?shù)谋O(jiān)控系統(tǒng)中顯示、評(píng)估并記錄數(shù)據(jù)，從而實(shí)際應(yīng)用高靈敏度壓電傳感器捕捉的數(shù)據(jù)。該等測(cè)量系統(tǒng)集成進(jìn)制造序列后，就有可能對(duì)產(chǎn)品缺陷進(jìn)行及早檢測(cè)——從而降低因缺陷部件導(dǎo)致的潛在財(cái)務(wù)損失風(fēng)險(xiǎn)。
圖3： maXYmos XY監(jiān)控器可根據(jù)型線監(jiān)控、評(píng)估產(chǎn)品或生產(chǎn)環(huán)節(jié)的質(zhì)量。在評(píng)估對(duì)象（EO）的幫助下，用戶將曲線評(píng)估進(jìn)行調(diào)整，使之適于特定監(jiān)控任務(wù)。
在組裝技術(shù)方面，奇石樂(lè)的maXYmos系統(tǒng)能可靠地監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程，用戶能夠借此優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程，趨向于以最低成本實(shí)現(xiàn)零缺陷生產(chǎn)的目標(biāo)。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(dòng)化連接過(guò)程和壓合過(guò)程，而且還能用于手工執(zhí)行的壓制過(guò)程等人工操作中。除了用于生產(chǎn)和組裝之外，奇石樂(lè)傳感器和XY監(jiān)控器也用于最終產(chǎn)品的性能驗(yàn)證。由于奇石樂(lè)XY監(jiān)控器無(wú)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(mén)，XY監(jiān)控器可達(dá)到這些部門(mén)制定的質(zhì)量要求。
圖4：小型力傳感器設(shè)計(jì)緊湊，節(jié)省空間，可優(yōu)化集成到機(jī)械設(shè)計(jì)之中。
專注于提升成本效益
奇石樂(lè)的壓電傳感器及相關(guān)的監(jiān)控系統(tǒng)正在歐洲、美國(guó)和亞洲得到應(yīng)用——事實(shí)上，已在全球范圍得到全面應(yīng)用?；趬弘娫淼膫鞲衅骷夹g(shù)顯著提升了企業(yè)生產(chǎn)線的過(guò)程可靠性，并能夠持續(xù)不斷地提高企業(yè)的生產(chǎn)率——推動(dòng)企業(yè)以最大化的過(guò)程效率實(shí)現(xiàn)零缺陷生產(chǎn)。從企業(yè)角度而言，該類(lèi)高精度技術(shù)最大的用處在于：為企業(yè)在全球激烈競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)領(lǐng)域取得商業(yè)成功奠定穩(wěn)固基礎(chǔ)。
圖5： 這款測(cè)針的直徑超窄，僅有8毫米，是奇石樂(lè)各類(lèi)應(yīng)變傳感器的完美搭檔。
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