隨著工業(yè)制造行業(yè)全球競爭的白熱化，對產品質量和精度的要求也越來越高。那么，優(yōu)化和監(jiān)控整條生產線最高效、最具成本效益的方式是什么？對于許多生產商而言，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實——比如，汽車制造、醫(yī)療技術和電氣工程等領域。由于數字化水平不斷提升以及機械和系統(tǒng)網絡的發(fā)展，目前，生產過程各環(huán)節(jié)有可能實現前所未有的優(yōu)化。任何現代制造企業(yè)要在未來市場中維持競爭力，關鍵在于能否對生產線進行持續(xù)一致的監(jiān)控，以實現零缺陷生產為目標。

僅在數年前，幾乎所有產品的檢驗都是在線下，即生產過程結束之后進行的。而目前，越來越多的產品實際上在生產過程中就已處于監(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，在以零缺陷生產為目標，優(yōu)化生產過程時，基于壓電原理的傳感器技術是關鍵因素。傳感器技術非常適宜測量力、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，可產生與作用力直接成正比的電荷信號。因此，與其他技術不同的是，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，大型傳感器產生的信號與相同結構的小型傳感器產生的信號并無區(qū)別。我們通過下游放大器來設置所需測量范圍，并可在幾十年內僅使用一個傳感器來進行精確測量，而無需改變機械結構。

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，原始信號已轉換為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，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的設計，在幾分鐘或幾小時內的期間內，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，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構（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構應變的過程力（2）。

圖2： 根據安裝條件，各類不同的傳感器可提供最優(yōu)生產監(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；經常安裝在其他技術無法使用的測量點。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，并在生產線和工業(yè)測試技術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)可根據模腔壓力，在盡可能早的階段檢測出模制件的質量是否合格。

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

過程集成質量保證系統(tǒng)解決方案

通過過程集成，可在適當的監(jiān)控系統(tǒng)中顯示、評估并記錄數據，從而實際應用高靈敏度壓電傳感器捕捉的數據。該等測量系統(tǒng)集成進制造序列后，就有可能對產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。

在組裝技術方面，奇石樂的maXYmos系統(tǒng)能可靠地監(jiān)控生產過程，用戶能夠借此優(yōu)化生產過程，趨向于以最低成本實現零缺陷生產的目標。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。除了用于生產和組裝之外，奇石樂傳感器和XY監(jiān)控器也用于最終產品的性能驗證。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。基于壓電原理的傳感器技術顯著提升了企業(yè)生產線的過程可靠性，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零缺陷生產。從企業(yè)角度而言，該類高精度技術最大的用處在于：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的創(chuàng)始者，并在壓力、力、扭矩和加速度等動態(tài)測量技術領域處于行業(yè)領先地位。奇石樂的尖端技術為模塊化系統(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與經驗和絕對嚴格的質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。

分布于全球58個城市和地區(qū)的超過1600名員工致力于創(chuàng)新測量方案的開發(fā)，并提供面向應用的本地化和個性化支持。自 1959 年成立以來，奇石樂集團與客戶共同發(fā)展，并于2016年取得了3.64 億美金的銷售額。每年約 10% 的收入回饋創(chuàng)新和研發(fā) – 以便為客戶提供更好的產品和服務。

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