【導讀】力傳感器（force sensor） 將力的量值轉換為相關(guān)電信號的器件。力是引起物質(zhì)運動(dòng)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(xué)量。具體的器件有金屬應變片、壓力傳感器等，在動(dòng)力設備、工程機械、各類(lèi)工作母機和工業(yè)自動(dòng)化系統中，成為不可缺少的核心部件。
什么是力傳感器
力傳感器（force sensor） 將力的量值轉換為相關(guān)電信號的器件。力是引起物質(zhì)運動(dòng)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(xué)量。具體的器件有金屬應變片、壓力傳感器等，在動(dòng)力設備、工程機械、各類(lèi)工作母機和工業(yè)自動(dòng)化系統中，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(gè)部分組成：
1---力敏元件（即彈性體，常見(jiàn)的材料有鋁合金，合金鋼和不銹鋼）。
2---轉換元件（最為常見(jiàn)的是電阻應變片）。
3---電路部分（一般有漆包線(xiàn)，pcb板等）。
力傳感器分類(lèi)
力能夠產(chǎn)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)生相應的位移，通過(guò)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面上。彈性構件受力時(shí)產(chǎn)生形變，使應變片電阻值變化（發(fā)生應變時(shí)，應變片幾何形狀和電阻率發(fā)生改變，導致電阻值變化），通過(guò)電阻測量獲得力的信號。應變片可由金屬箔制成，也可由半導體材料制成。
（3）利用壓電效應測力。通過(guò)壓電晶體把力直接轉換為置于晶體兩面電極上的電位差。
（4）力引起機械諧振系統固有頻率變化，通過(guò)頻率測量獲取力的相關(guān)信息。
（5）通過(guò)電磁力與待測力的平衡，由平衡時(shí)相關(guān)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(huì )使4個(gè)應變片的應變信號（電阻）在相同方向和程度變化。
因為兩個(gè)正向應變和兩個(gè)負向應變被列入等式，因此溫度將不會(huì )產(chǎn)生輸出信號。
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，應變片需要進(jìn)行溫度對靈敏度的補償 （TCS）。等溫度變化時(shí)，材料的 E 模量 將會(huì )降低，導致產(chǎn)生應變。另外，應變片的靈敏度依賴(lài)于溫度。在高溫狀況下電阻的補償將產(chǎn)生更大的壓降。這將降低惠斯通電橋的輸出信號。
在負載狀態(tài)下，線(xiàn)性誤差 也將產(chǎn)生變化。這可以通過(guò)對彈性體材料和結構的優(yōu)化以及選擇精確的測量點(diǎn)來(lái)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(guò)調整對線(xiàn)性和靈敏度進(jìn)行補償。
力傳感器在汽車(chē)安全性能試驗中的應用
說(shuō)起多軸測力傳感器，知道的人并不多。不過(guò)，很多人都在電視里看到過(guò)汽車(chē)碰撞實(shí)驗，通過(guò)碰撞模擬人傳感器的輸出信號來(lái)評判汽車(chē)的安全性能?？梢赃@么說(shuō)，沒(méi)有了多軸測力傳感器，碰撞模擬人僅能充當櫥窗里的模特，而不能真正發(fā)揮作用。
汽車(chē)安全碰撞試驗的模擬人身上會(huì )裝有測力傳感器。
汽車(chē)安全性能實(shí)驗中的測力傳感器
在汽車(chē)安全實(shí)驗室里，通常汽車(chē)廠(chǎng)家會(huì )進(jìn)行安全性能的實(shí)驗，讓模擬人坐在汽車(chē)里，有意地發(fā)生碰撞，之后檢測模擬人各個(gè)部位的加速度、載荷和變形，從而評定出汽車(chē)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(zhù)各種各樣的多軸測力傳感器，為技術(shù)人員分析汽車(chē)在碰撞瞬間的各項技術(shù)數據。一般來(lái)說(shuō)，多軸測力傳感器就通過(guò)安裝在汽車(chē)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。對測力傳感器采集到的各種受力數據以及假人的‘傷情’進(jìn)行分析，汽車(chē)廠(chǎng)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系統。
測力傳感器在機器人行業(yè)的應用
此外，目前，有國內團隊將多軸測力傳感器技術(shù)應用到機器人行業(yè)，提升了機器人的智能水平。
機器人怎么才能更聰明，一是有視覺(jué)，二是有觸覺(jué)。目前，95%的機器人都有所謂的視覺(jué)，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
另外，多軸測力傳感器還能用到諸如普通金屬件打磨這類(lèi)附加值不高的工業(yè)場(chǎng)合，例如對有觸覺(jué)的機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，工作強度大且安全事故頻發(fā)。目前，有國內團隊也正打算用多軸測力傳感器開(kāi)發(fā)智能磨頭，讓機器人替代人工打磨，從而讓更多的企業(yè)用上它。
