什么是工業制造中最有效的優化和控制生產鏈的方法？據麥姆斯咨詢報道，對于許多制造商來說，最有效的解決方案是利用壓電傳感器對動態制造過程進行集成監控。

“工業4.0”的愿景已經在當今眾多的工業應用領域，如汽車制造、醫療技術和電氣工程等領域成為現實。現在，由于數字化、機器和系統網絡的發展，所有生產過程的空前優化成為可能。

以零缺陷生產為目標的生產鏈持續控制，對于任何現代生產企業，若想在未來市場上占有一席之地，都是必不可少的。

就在前幾年，幾乎所有的產品都是在下線（即在完成制造過程之后）以后進行檢測。相比之下，如今越來越多的產品在生產過程中，或者說“在線”狀態下就能夠被實際監控，這也是節省成本的一種方式。對于連接、組裝和測試等制造工序而言，基于壓電原理的傳感器技術是以零缺陷生產為目標優化生產過程的根本要素。這種技術非常適合測量力、壓力、加速度和扭矩等物理變量。

壓電傳感器基本工作原理

壓電傳感器的物理原理是由pierre和jacques curie在1880年發現的“壓電效應”。在機械載荷作用下（希臘語“pie-zein”：壓或擠壓），壓電材料會產生電荷。1950年，walter p. kistler申請了壓電信號電荷放大器專利，邁出了應用壓電效應的重要一步。

壓電效應對于石英晶體尤其顯著：當經過適當處理的石英受到機械載荷時，會產生一個與作用力成正比的電荷信號（圖1）。因此，與其它技術相比，使用壓電效應捕獲被測量的信號，并不取決于應變和位移。

很好的利用石英晶體的壓電效應，當受到機械載荷時，它會產生一個與作用力成正比的電信號。

在這種情況下，石英元件的尺寸僅僅決定最大允許測量振幅。因而，大型傳感器產生的信號與具有相同結構的小型傳感器相當。然后使用下游放大器來設置所需的測量范圍，只需一個傳感器即可在幾十年內進行精確測量，而無需改變機械結構。

例如，瑞士奇石樂公司（kistler）已經開發出具有icp輸出的壓電式力傳感器。在這種情況下，原始信號已經在傳感器中轉換成5或10 v的輸出電壓。

由于石英晶體的剛性非常高，所以測量偏差很小，通常在數千牛頓/微米的范圍內，使測量系統具有很高的固有頻率，這對于高動態過程的測量非常關鍵。另一個重要的因素是石英和晶體沒有零點偏移或線性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由于物理原因發生的電荷漂移而受到限制。根據被測變量的振幅和測量技術的設計，仍然可以進行持續幾分鐘甚至幾小時的準靜態測量。

應用奇石樂開發的石英傳感器技術，可以直接或間接測量動態變化的力。在圖2中，對于直接測量，傳感器完全置于力通量（1）中，并測量整個過程動態變化的力。這種方法可以獲得很高的測量精度，而且幾乎與施力點無關。如果傳感器不能直接被定位在力通量中，則只能測量部分力（3）。其余部分的力則施加在它安裝的結構上（被稱為力分流器）。通過間接力測量，應變傳感器被用來通過結構應變（2）間接測量過程力。

根據安裝條件，可使用各種傳感器來提供最佳的生產監控：1、直接測量（測量通過傳感器的整個過程力）。2、間接測量（測量通過傳感器的一小部分力）。3、分流測量（通過c型壓力機的彎曲間接測量力）。

壓電傳感器在科研和工業中的應用

除考慮總體經濟性外，安裝條件變得越來越重要。尺寸往往是選擇力傳感器的關鍵因素。石英傳感器非常穩定、堅固、緊湊，它們通常可以安裝在其它技術根本無法使用的測量點上。

這些特性不僅在研發方面有著廣泛的用途，還越來越多地應用于生產線和工業測試技術。

例如，對于汽車部件的老化和負載研究，如鎖、門、發動機罩、行李箱甲板、座椅和彈簧等的壓力、張力、碰撞和耐久性測試，需要具有長期穩定的動態力測量。在這種情況下，因為石英沒有老化的跡象，所以石英力傳感器優于其它傳感器。因此，校準通常可以被限制在如din en iso 9001：2015等質量保證體系規定的周期內。

這些優勢可以節省時間和成本。對于某些應用，石英力傳感器可以提供多種技術優勢，并且由于其較低的生命周期成本，因而具有大幅降低成本的優勢。

奇石樂公司的maxymos xy顯示器能夠根據配置文件監控和評估產品質量或制造步驟。在評估對象（eos）的幫助下，用戶可對特定的監測任務進行曲線評估。

壓電式力傳感器可用于動態力的測量（例如用于鈑金件的沖壓工藝）。此外，它們還可用于測量壓裝發動機缸體中的軸承等準靜態過程。在這種情況下，設備可以更安全的施力。即使機械施力出現可能永久破壞傳統測量系統的峰值時，這種壓電測量技術也不會遭受損壞。

由奇石樂公司開發的系統，具有分析和存檔注塑工藝，確保產品質量的能力。模腔壓力是最具信息量的過程變量，因為在制造鑄模部件的過程中，它能立即反應工藝條件。因此，傳感器和系統可以根據模腔壓力，盡可能早地檢測出合格部件或廢品。

工藝集成質量保證系統解決方案

為了使高靈敏度壓電傳感器捕獲的數據得到實際應用，將數據在合適的監測系統中進行可視化、評估和記錄存檔。當這些測量系統被集成到生產線中，可以及早發現生產缺陷，從而減少由于零件故障而造成的財務損失風險。

在裝配工藝上，奇石樂公司的maxymos系統能夠可靠地監控生產流程（圖3），因此可以最大限度地提高生產效率，實現零缺陷生產目標。該系統的特點包括靈活性和用戶友好的操作界面。它可以用于自動化連接和壓合工藝，以及像手工壓制過程一樣的手動操作。除了生產和組裝之外，奇石樂公司的傳感器和xy顯示器的應用還包括最終產品功能的驗證。

專注增強的成本效益

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