力傳感器在汽車安全性能試驗中的應(yīng)用解析

什么是力傳感器

力傳感器（force sensor） 將力的量值轉(zhuǎn)換為相關(guān)電信號的器件。力是引起物質(zhì)運(yùn)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(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變等力學(xué)量。具體的器件有金屬應(yīng)變片、壓力傳感器等，在動力設(shè)備、工程機(jī)械、各類工作母機(jī)和工業(yè)自動化系統(tǒng)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，合金鋼和不銹鋼）。

2---轉(zhuǎn)換元件（最為常見的是電阻應(yīng)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(chǎn)生多種物理效應(yīng)，可采用多種不同的原理和工藝，針對不同的需要設(shè)計制造力傳感器。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(chǎn)生相應(yīng)的位移，通過位移的測量獲得力的信號。

（2）彈性構(gòu)件和應(yīng)變片共同構(gòu)成傳感器，應(yīng)變片牢固粘貼在構(gòu)件表面上。彈性構(gòu)件受力時產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片電阻值變化（發(fā)生應(yīng)變時，應(yīng)變片幾何形狀和電阻率發(fā)生改變，導(dǎo)致電阻值變化），通過電阻測量獲得力的信號。應(yīng)變片可由金屬箔制成，也可由半導(dǎo)體材料制成。

（3）利用壓電效應(yīng)測力。通過壓電晶體把力直接轉(zhuǎn)換為置于晶體兩面電極上的電位差。

（4）力引起機(jī)械諧振系統(tǒng)固有頻率變化，通過頻率測量獲取力的相關(guān)信息。

（5）通過電磁力與待測力的平衡，由平衡時相關(guān)電磁參數(shù)獲得力的信息。

如何提高力傳感器精度——補(bǔ)償

溫度將會使4個應(yīng)變片的應(yīng)變信號（電阻）在相同方向和程度變化。

因為兩個正向應(yīng)變和兩個負(fù)向應(yīng)變被列入等式，因此溫度將不會產(chǎn)生輸出信號。

剩下微小的殘余誤差可以通過連接到惠斯通電橋上特殊的鎳金屬來進(jìn)行修正。

另外，應(yīng)變片需要進(jìn)行溫度對靈敏度的補(bǔ)償 （TCS）。等溫度變化時，材料的 E 模量 將會降低，導(dǎo)致產(chǎn)生應(yīng)變。另外，應(yīng)變片的靈敏度依賴于溫度。在高溫狀況下電阻的補(bǔ)償將產(chǎn)生更大的壓降。這將降低惠斯通電橋的輸出信號。

在負(fù)載狀態(tài)下，線性誤差 也將產(chǎn)生變化。這可以通過對彈性體材料和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及選擇精確的測量點(diǎn)來完成。

圖中列出了補(bǔ)償方法的總結(jié)。除了以上描述的 TKzero 和 TCS，也可以通過調(diào)整對線性和靈敏度進(jìn)行補(bǔ)償。

力傳感器在汽車安全性能試驗中的應(yīng)用

說起多軸測力傳感器，知道的人并不多。不過，很多人都在電視里看到過汽車碰撞實驗，通過碰撞模擬人傳感器的輸出信號來評判汽車的安全性能?？梢赃@么說，沒有了多軸測力傳感器，碰撞模擬人僅能充當(dāng)櫥窗里的模特，而不能真正發(fā)揮作用。

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

在汽車安全實驗室里，通常汽車廠家會進(jìn)行安全性能的實驗，讓模擬人坐在汽車?yán)?，有意地發(fā)生碰撞，之后檢測模擬人各個部位的加速度、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制作，不僅具有和真人一樣的外形，還有復(fù)雜的脊柱、肋骨和合成肌肉。最重要的是，模擬人身體上遍布著各種各樣的多軸測力傳感器，為技術(shù)人員分析汽車在碰撞瞬間的各項技術(shù)數(shù)據(jù)。一般來說，多軸測力傳感器就通過安裝在汽車碰撞模擬人的頸部、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(shù)據(jù)以及假人的‘傷情’進(jìn)行分析，汽車廠家就能據(jù)此評定出安全性能等級。

帶有測力傳感器的機(jī)器人磨削系統(tǒng)。

測力傳感器在機(jī)器人行業(yè)的應(yīng)用

此外，目前，有國內(nèi)團(tuán)隊將多軸測力傳感器技術(shù)應(yīng)用到機(jī)器人行業(yè)，提升了機(jī)器人的智能水平。

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

銳聰Ricon的六維力傳感器

另外，多軸測力傳感器還能用到諸如普通金屬件打磨這類附加值不高的工業(yè)場合，例如對有觸覺的機(jī)器人需求比較大的就是打磨工作。在打磨工作中，粉塵對人體有害，工作強(qiáng)度大且安全事故頻發(fā)。目前，有國內(nèi)團(tuán)隊也正打算用多軸測力傳感器開發(fā)智能磨頭，讓機(jī)器人替代人工打磨，從而讓更多的企業(yè)用上它。
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