什麼是力傳感器

 

力傳感器（force sensor） 將力的量值轉換為相關電信號的器件。力是引起物質運動變化的直接原因。力傳感器能檢測張力、拉力、壓力、重量、扭矩、內應力和應變等力學量。具體的器件有金屬應變片、壓力傳感器等，在動力設備、工程機械
、各類工作母機和工業自動化係統中
，成為不可缺少的核心部件。

 

 

力傳感器組成

 

力傳感器主要由三個部分組成：

 

1---力敏元件（即彈性體，常見的材料有鋁合金
，合金鋼和不鏽鋼）。

 

2---轉換元件（最為常見的是電阻應變片）。

 

3---電路部分（一般有漆包線
，pcb板等）。

 

力傳感器分類

 

力能夠產生多種物理效應，可采用多種不同的原理和工藝

，針對不同的需要設計製造力傳感器。力傳感器主要有：

 

（1）被測力使彈性體（如彈簧、梁
、波紋管、膜片等）產生相應的位移，通過位移的測量獲得力的信號。

 

（2）彈性構件和應變片共同構成傳感器，應變片牢固粘貼在構件表麵上。彈性構件受力時產生形變，使應變片電阻值變化（發生應變時
，應變片幾何形狀和電阻率發生改變
，導致電阻值變化），通過電阻測量獲得力的信號。應變片可由金屬箔製成，也可由半導體材料製成。

 

（3）利用壓電效應測力。通過壓電晶體把力直接轉換為置於晶體兩麵電極上的電位差。

 

（4）力引起機械諧振係統固有頻率變化
，通過頻率測量獲取力的相關信息。

 

（5）通過電磁力與待測力的平衡
，由平衡時相關電磁參數獲得力的信息。

 

如何提高力傳感器精度——補償

 

溫度將會使4個應變片的應變信號（電阻）在相同方向和程度變化。

 

因為兩個正向應變和兩個負向應變被列入等式，因此溫度將不會產生輸出信號。

 

剩下微小的殘餘誤差可以通過連接到惠斯通電橋上特殊的鎳金屬來進行修正。

 

另外，應變片需要進行溫度對靈敏度的補償 （TCS）。等溫度變化時
，材料的 E 模量 將(jiang)會(hui)降(jiang)低(di)，導(dao)致(zhi)產(chan)生(sheng)應(ying)變(bian)。另(ling)外(wai)，應(ying)變(bian)片(pian)的(de)靈(ling)敏(min)度(du)依(yi)賴(lai)於(yu)溫(wen)度(du)。在(zai)高(gao)溫(wen)狀(zhuang)況(kuang)下(xia)電(dian)阻(zu)的(de)補(bu)償(chang)將(jiang)產(chan)生(sheng)更(geng)大(da)的(de)壓(ya)降(jiang)。這(zhe)將(jiang)降(jiang)低(di)惠(hui)斯(si)通(tong)電(dian)橋(qiao)的(de)輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)。

 

在負載狀態下
，線性誤差 也將產生變化。這可以通過對彈性體材料和結構的優化以及選擇精確的測量點來完成。

 

圖中列出了補償方法的總結。除了以上描述的 TKzero 和 TCS，也可以通過調整對線性和靈敏度進行補償。

力傳感器在汽車安全性能試驗中的應用

 

說(shuo)起(qi)多(duo)軸(zhou)測(ce)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)，知(zhi)道(dao)的(de)人(ren)並(bing)不(bu)多(duo)。不(bu)過(guo)
，很(hen)多(duo)人(ren)都(dou)在(zai)電(dian)視(shi)裏(li)看(kan)到(dao)過(guo)汽(qi)車(che)碰(peng)撞(zhuang)實(shi)驗(yan)，通(tong)過(guo)碰(peng)撞(zhuang)模(mo)擬(ni)人(ren)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)來(lai)評(ping)判(pan)汽(qi)車(che)的(de)安(an)全(quan)性(xing)能(neng)。可(ke)以(yi)這(zhe)麼(me)說(shuo)，沒(mei)有(you)了(le)多(duo)軸(zhou)測(ce)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)，碰(peng)撞(zhuang)模(mo)擬(ni)人(ren)僅(jin)能(neng)充(chong)當(dang)櫥(chu)窗(chuang)裏(li)的(de)模(mo)特(te)，而(er)不(bu)能(neng)真(zhen)正(zheng)發(fa)揮(hui)作(zuo)用(yong)。

 

 

汽車安全碰撞試驗的模擬人身上會裝有測力傳感器。

 

汽車安全性能實驗中的測力傳感器

 

在(zai)汽(qi)車(che)安(an)全(quan)實(shi)驗(yan)室(shi)裏(li)，通(tong)常(chang)汽(qi)車(che)廠(chang)家(jia)會(hui)進(jin)行(xing)安(an)全(quan)性(xing)能(neng)的(de)實(shi)驗(yan)，讓(rang)模(mo)擬(ni)人(ren)坐(zuo)在(zai)汽(qi)車(che)裏(li)
，有(you)意(yi)地(di)發(fa)生(sheng)碰(peng)撞(zhuang)，之(zhi)後(hou)檢(jian)測(ce)模(mo)擬(ni)人(ren)各(ge)個(ge)部(bu)位(wei)的(de)加(jia)速(su)度(du)、載荷和變形
，從而評定出汽車的安全等級。

 

模擬人大多采用金屬與塑料製作，不僅具有和真人一樣的外形，還有複雜的脊柱、肋(lei)骨(gu)和(he)合(he)成(cheng)肌(ji)肉(rou)。最(zui)重(zhong)要(yao)的(de)是(shi)，模(mo)擬(ni)人(ren)身(shen)體(ti)上(shang)遍(bian)布(bu)著(zhe)各(ge)種(zhong)各(ge)樣(yang)的(de)多(duo)軸(zhou)測(ce)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)

，為(wei)技(ji)術(shu)人(ren)員(yuan)分(fen)析(xi)汽(qi)車(che)在(zai)碰(peng)撞(zhuang)瞬(shun)間(jian)的(de)各(ge)項(xiang)技(ji)術(shu)數(shu)據(ju)。一(yi)般(ban)來(lai)說(shuo)，多(duo)軸(zhou)測(ce)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)就(jiu)通(tong)過(guo)安(an)裝(zhuang)在(zai)汽(qi)車(che)碰(peng)撞(zhuang)模(mo)擬(ni)人(ren)的(de)頸(jing)部(bu)、手部、腿部等不同部位上。

 

頸部受一定程度的力就會斷，大腿受猛烈撞擊會骨折等。對測力傳感器采集到的各種受力數據以及假人的‘傷情’進行分析，汽車廠家就能據此評定出安全性能等級。

 

 

帶有測力傳感器的機器人磨削係統。

 

測力傳感器在機器人行業的應用

 

此外，目前，有國內團隊將多軸測力傳感器技術應用到機器人行業，提升了機器人的智能水平。

 

機器人怎麼才能更聰明，一是有視覺，二是有觸覺。目前，95%的機器人都有所謂的視覺，如果加了多軸測力傳感器，讓機器人的手有感知
，這樣就能大大增強機器人的智能。

 

 

銳聰Ricon的六維力傳感器

另(ling)外(wai)，多(duo)軸(zhou)測(ce)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)還(hai)能(neng)用(yong)到(dao)諸(zhu)如(ru)普(pu)通(tong)金(jin)屬(shu)件(jian)打(da)磨(mo)這(zhe)類(lei)附(fu)加(jia)值(zhi)不(bu)高(gao)的(de)工(gong)業(ye)場(chang)合(he)
，例(li)如(ru)對(dui)有(you)觸(chu)覺(jiao)的(de)機(ji)器(qi)人(ren)需(xu)求(qiu)比(bi)較(jiao)大(da)的(de)就(jiu)是(shi)打(da)磨(mo)工(gong)作(zuo)。在(zai)打(da)磨(mo)工(gong)作(zuo)中(zhong)
，粉(fen)塵(chen)對(dui)人(ren)體(ti)有(you)害(hai)，工(gong)作(zuo)強(qiang)度(du)大(da)且(qie)安(an)全(quan)事(shi)故(gu)頻(pin)發(fa)。目(mu)前(qian)
，有(you)國(guo)內(nei)團(tuan)隊(dui)也(ye)正(zheng)打(da)算(suan)用(yong)多(duo)軸(zhou)測(ce)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)開(kai)發(fa)智(zhi)能(neng)磨(mo)頭(tou)
，讓(rang)機(ji)器(qi)人(ren)替(ti)代(dai)人(ren)工(gong)打(da)磨(mo)，從(cong)而(er)讓(rang)更(geng)多(duo)的(de)企(qi)業(ye)用(yong)上(shang)它(ta)。