昭和测器SHOWASOKKI Model-4001B-50电荷放大器：力/压传感器的DC测量利器

在动态力测量和压力测量领域，压电式传感器因其高刚度、宽动态范围和快速响应特性而被广泛应用。然而，压电传感器的电荷信号非常微弱，且普通电荷放大器在低频响应上存在天然缺陷——难以测量准静态或缓慢变化的信号。日本昭和测器（SHOWASOKKI）株式会社的Model-4001B-50电荷放大器，正是为解决这一痛点而设计的1通道单体型电荷放大器。本文从技术原理、关键特性、应用场景及选型配置等维度进行全面解析。

一、产品定位与核心参数

Model-4001B-50隶属于SHOWASOKKI的电荷放大器产品线，是一款专门用于压电式力传感器和压力传感器的电荷放大器。与普通电荷放大器不同，它实现了几乎可以从DC（直流）开始测量的宽频响应能力，是准静态力和压力测量的理想前端设备。

测量范围（检测器灵敏度1.00~9.99pC/UNIT时） ：

• 可选量程：10、20、50、100、200、500、1000 UNIT/VOLT

量程精度：

• 1.5%以内（80Hz时）

频率特性（多量程可选）：

• 量程100~1000：DC~50kHz（5%以内）

• 量程50：DC~40kHz（5%以内）

• 量程20：DC~20kHz（5%以内）

• 量程10：DC~10kHz（5%以内）

放电时间常数（TC） ：

• SHORT（短）×0.1秒（反馈电阻10⁹Ω）

• LONG（长）×1000秒（反馈电阻≥10¹³Ω）

输入/输出性能：

• 低频截止：0.16 / 放电时间常数（TC）Hz（-3dB）

• 线性度：±0.1%以内

• 等效输入噪声：≤0.1 pCrms

• 最大漂移：可通过DC BAL调节至±0.03 pC/s以下（预热20分钟后）

• 复位误差：±0.5 pC以下

• 复位切换时间：500ms以上

• 最大输入电荷：±100,000 pC（转换速率5,000 pC/μs）

• 输出电压：最高±10V

• 输出电流：最大±5mA

• 输出电阻：100Ω

• 输出校准信号：由电源单元MODEL-4001-10A提供0~10VDC可变，带CAL/OP切换开关（背面）

  以上参数综合自纳加霍里科技、岩濑商事、MISUMI等多家代理商公开技术规格及SHOWASOKKI相关产品资料。

二、关键技术特性

1. 准DC测量能力——核心差异化优势

普通电荷放大器由于反馈电容上的电荷泄漏，通常难以测量低于数赫兹的准静态信号。Model-4001B-50通过采用超高反馈电阻（LONG模式下≥10¹³Ω）和精密的电路设计，实现了几乎可以从DC（直流）开始测量的能力。放电时间常数在LONG模式下可达1000秒，这意味着传感器信号能够长时间保持而不会明显衰减，为缓慢变化的力和压力测量提供了关键保障。

2. 放电时间常数LONG/SHORT切换——低频响应的灵活选择

Model-4001B-50在面板上设置了放电时间常数切换开关，可在LONG和SHORT两种模式之间选择：

• SHORT模式（×0.1秒） ：适用于高频动态测量，能够快速响应瞬态信号，放电速度快。

• LONG模式（×1000秒） ：适用于低频和准静态测量，能够长时间保持信号电荷，低频响应特性更优

低频截止频率计算公式为0.16/TC（Hz） ，在LONG模式下理论下限可达0.00016Hz以下，是普通电荷放大器难以企及的水平。

3. 宽动态范围与多量程可选

Model-4001B-50提供了10、20、50、100、200、500、1000 UNIT/VOLT共7个量程选项，用户可根据传感器的电荷灵敏度（单位pC/UNIT）和预期测量幅值灵活选择最合适的量程，确保在全动态范围内获得高信噪比的输出。

4. 内置输出校准信号

Model-4001B-50内置了输出校准信号（CAL） ，由配套的电源单元MODEL-4001-10A提供0~10VDC可变的校准电压，并通过背面的CAL/OP切换开关进行选择。这一功能极大地方便了现场的系统校准和通道验证，无需额外连接外部校准源即可快速确认放大器和数据采集系统是否正常工作。

5. 高输入电荷容量与宽频率响应

最大输入电荷可达±100,000 pC（转换速率5,000 pC/μs），能够适应从微小冲击到大幅值力测量的广泛动态范围。频率响应在100~1000量程下可达DC~50kHz（5%以内） ，覆盖从准静态到中高频的广阔频段。

6. 兼容内置放大器型传感器

除了标准的电荷输出型传感器外，Model-4001B-50还兼容内置前置放大器的传感器（如某些加速度传感器），进一步拓宽了其应用灵活性。

7. 紧凑的单体型设计

作为1通道单体型电荷放大器，Model-4001B-50体积小巧，便于集成到现有测试系统中，也适用于多通道扩展时的灵活配置。

8. 宽工作温度与低漂移特性

工作温度范围0~50℃，80%RH以下，覆盖实验室和工业现场的绝大部分应用场景。通过DC BAL调节，预热20分钟后最大漂移可控制在±0.03 pC/s以下，保证了长时间测量的稳定性。

三、典型应用场景

Model-4001B-50专门为压电式力传感器和压力传感器设计，尤其适用于需要准静态或低频动态测量的场合：

1. 宽动态范围的“力”测量

• 材料力学试验中的静态/准静态力测量

• 万能试验机、疲劳试验机的力信号调理

• 医疗器械研发中的力反馈测试

2. 冲击“力”的测量

• 汽车碰撞试验中的冲击力捕捉

• 跌落冲击试验

• 高速冲压过程中的瞬时力监测

• 爆炸冲击波压力测量

3. 发动机燃烧压力的测量

• 内燃机缸内燃烧压力动态监测

• 发动机燃烧室压力波形分析

• 涡轮增压器排气压力测量

4. 压缩机压力的测量

• 往复式压缩机气阀压力脉动监测

• 压缩机排气/吸气压力动态测试

• 制冷系统压力波分析

5. 通用振动测量

• 配合电荷输出型加速度传感器进行振动监测

• 与振动分析仪配合进行频谱分析

• 生产线旋转机械的振动状态监测

与振动分析仪连接后，Model-4001B-50可进行加速度、速度、位移等多种参数的分析测量。

四、系统配置与配套产品

Model-4001B-50可以单独使用，也可以与其他配套产品组成多通道测量系统：

五、配套传感器型号

Model-4001B-50与昭和测器旗下的压电式力传感器系列产品完美配合：

MODEL-2101（1轴力传感器） ：

• 测量范围：0~80kN（压缩）

• 电荷灵敏度：约-4.4 pC/N

• 绝缘电阻：≥10¹³Ω

• 线性度：±2%FS以下

• 阈值：0.01N以下

• 推荐预紧力：40kN

• 工作温度：-20~+60℃

• 材质：不锈钢外壳，压电晶体元件

MODEL-2103（3轴力传感器） ：

• X/Y轴测量范围：-20~+20kN，Z轴：-40~+40kN

• X/Y轴电荷灵敏度：约-4.4 pC/N，Z轴：约-7.6 pC/N

• 绝缘电阻：≥10¹³Ω

• 线性度：±3%FS以下

• 阈值：0.001N以下

• 推荐预紧力：160kN

六、使用与安装建议

1. 基本接线配置

• 连接压电传感器输出至Model-4001B-50输入端（使用低噪声同轴电缆）

• 将放大器输出端连接至数据采集系统、示波器或振动分析仪

• 根据传感器电荷灵敏度选择合适量程

2. 量程选择指南

• 传感器灵敏度S（pC/UNIT）与预期最大测量值M（UNIT）的乘积Qmax = S × M应小于放大器最大输入电荷±100,000 pC

• 量程设置决定输出比：10 UNIT/VOLT表示1V输出对应10 UNIT输入

• 建议选择量程略大于预期最大输入，以获得最佳信噪比

3. 放电时间常数选择

• SHORT模式：适用于高频动态测量（如冲击、振动）

• LONG模式：适用于准静态测量（如缓慢加载力、长时间压力监测）

4. 校准操作

• 将背面CAL/OP开关切换至CAL位置

• 使用电源单元输出0~10VDC可变校准电压

• 检查输出是否与预期一致，必要时调整放大倍数

5. 漂移调节

• 预热20分钟后进行DC BAL调节

• 调节至输出零点漂移最小化

• 长时间测量前建议预热≥30分钟以确保稳定性

6. 复位操作

• 复位切换时间约500ms

• 使用后或超量程后可进行复位操作重置状态

七、竞品对比与选型建议

选型建议：

• ✅ 强烈推荐：需要测量准静态力/压力、冲击力、发动机燃烧压力的场合

• ✅ 推荐：需要宽动态范围测量的力/压力测试系统

• ⚠️ 考虑替代：仅需要纯动态振动测量（无需准静态），可选标准电荷放大器

• ❌ 不推荐：需要同时测量大量程（>100,000 pC）或超高频率（>100kHz）的场合

八、品牌简介

昭和测器（SHOWASOKKI）株式会社成立于1970年，是日本知名的振动测量仪器专业制造商。自创立以来，公司致力于在汽车、涡轮机等旋转机械领域贡献“安全与舒适”的测量解决方案。主营产品涵盖振动传感器、电荷放大器、数字测量仪器、振动监测系统等，广泛应用于汽车、轨道交通、飞机、船舶等运输设备的振动测量，以及涡轮机、发电机、电机、泵、压缩机等旋转机械的振动监测。Model-4001B-50作为其电荷放大器产品线中的力/压传感器专用型号，以其卓越的低频性能和精准的测量能力，成为材料力学、发动机研发及工业测试领域的重要工具。

如需详细CAD图纸、报价或技术选型支持，请联系昭和测器授权代理商（如岩濑商事、纳加霍里科技等）。