力傳感器的組成分類及應(yīng)用原理解析

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(hào)的器件。力是引起物質(zhì)運(yùn)動(dòng)變化的直接原因。力傳感器能檢測(cè)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(dòng)力設(shè)備、工程機(jī)械、各類工作母機(jī)和工業(yè)自動(dòng)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(gè)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(duì)不同的需要設(shè)計(jì)制造力傳感器。力傳感器主要有：

（1）被測(cè)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(guò)位移的測(cè)量獲得力的信號(hào)。

（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(shí)產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片電阻值變化（發(fā)生應(yīng)變時(shí)，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(guò)電阻測(cè)量獲得力的信號(hào)。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(cè)力。通過(guò)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(guò)頻率測(cè)量獲取力的相關(guān)信息。

（5）通過(guò)電磁力與待測(cè)力的平衡，由平衡時(shí)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(huì)使4個(gè)應(yīng)變片的應(yīng)變信號(hào)（電阻）在相同方向和程度變化。

因?yàn)閮蓚€(gè)正向應(yīng)變和兩個(gè)負(fù)向應(yīng)變被列入等式，因此溫度將不會(huì)產(chǎn)生輸出信號(hào)。

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

另外，應(yīng)變片需要進(jìn)行溫度對(duì)靈敏度的補(bǔ)償 （TCS）。等溫度變化時(shí)，材料的 E 模量 將會(huì)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(hào)。

在負(fù)載狀態(tài)下，線性誤差 也將產(chǎn)生變化。這可以通過(guò)對(duì)彈性體材料和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及選擇精確的測(cè)量點(diǎn)來(lái)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(guò)調(diào)整對(duì)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(yàn)中的應(yīng)用

說(shuō)起多軸測(cè)力傳感器，知道的人并不多。不過(guò)，很多人都在電視里看到過(guò)汽車碰撞實(shí)驗(yàn)，通過(guò)碰撞模擬人傳感器的輸出信號(hào)來(lái)評(píng)判汽車的安全性能?？梢赃@么說(shuō)，沒有了多軸測(cè)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(yàn)的模擬人身上會(huì)裝有測(cè)力傳感器。

汽車安全性能實(shí)驗(yàn)中的測(cè)力傳感器

在汽車安全實(shí)驗(yàn)室里，通常汽車廠家會(huì)進(jìn)行安全性能的實(shí)驗(yàn)，讓模擬人坐在汽車?yán)?，有意地發(fā)生碰撞，之后檢測(cè)模擬人各個(gè)部位的加速度、載荷和變形，從而評(píng)定出汽車的安全等級(jí)。

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(cè)力傳感器，為技術(shù)人員分析汽車在碰撞瞬間的各項(xiàng)技術(shù)數(shù)據(jù)。一般來(lái)說(shuō)，多軸測(cè)力傳感器就通過(guò)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(huì)斷，大腿受猛烈撞擊會(huì)骨折等。對(duì)測(cè)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(píng)定出安全性能等級(jí)。

帶有測(cè)力傳感器的機(jī)器人磨削系統(tǒng)。

測(cè)力傳感器在機(jī)器人行業(yè)的應(yīng)用

此外，目前，有國(guó)內(nèi)團(tuán)隊(duì)將多軸測(cè)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(cè)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(cè)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(chǎng)合，例如對(duì)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(duì)人體有害，工作強(qiáng)度大且安全事故頻發(fā)。目前，有國(guó)內(nèi)團(tuán)隊(duì)也正打算用多軸測(cè)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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