在自動(dòng)化抓取作業(yè)或者醫(yī)療手術(shù)中，有時(shí)需要感知并控制力的大小。

例如在機(jī)械手和醫(yī)療手術(shù)機(jī)器人中，力的感知就特別重要，力太大會(huì)造成物品損壞或者人身?yè)p害，力太小物品或者工具可能會(huì)掉落。

這時(shí)，力傳感器就凸顯其作用了。

那么力傳感器有哪些類型？分別是如何工作的？各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？

我最近了解了一下，主流的力傳感器，就原理來(lái)說(shuō)，大致分為應(yīng)變式，壓阻式，壓電式，電容式，電感式等。

今天我們先聊聊使用最多的應(yīng)變式力傳感器。

以后會(huì)慢慢分享其他類型的力傳感器。

01

應(yīng)變式力傳感器的構(gòu)成及工作原理

應(yīng)變式力傳感器有時(shí)也稱為應(yīng)變式稱重傳感器（Loadcell）。

在所有力傳感器中，應(yīng)變式力傳感器應(yīng)用最為廣泛，其使用量約占力傳感器總量的90％左右。

它能應(yīng)用于從極小（0-0.1N）到很大（100t）的動(dòng)、靜態(tài)力的測(cè)量，且測(cè)量精度高。



稱重傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖：主要由彈性體，應(yīng)變片，電路板，加載按鈕等組成。

應(yīng)變式力傳感器是由彈性敏感元件和貼在其上的應(yīng)變片組成，應(yīng)變片在電路中充當(dāng)電阻。

工作時(shí)，應(yīng)變式力傳感器首先把被測(cè)力轉(zhuǎn)變成彈性元件的應(yīng)變，此應(yīng)變作用于應(yīng)變片上，導(dǎo)致其電阻的變化，電阻變化會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生輸出電壓，從而測(cè)出力的大小。

懸臂應(yīng)變式稱重傳感器構(gòu)件示意圖。

彈性元件受力變形，及應(yīng)變計(jì)拉壓變形示意圖。

在上圖所示的的測(cè)力元件中，總共有四個(gè)應(yīng)變計(jì)，它們被連接到測(cè)力元件的上表面和下表面。

當(dāng)負(fù)載如上所示施加到測(cè)力元件的主體上時(shí)，彈性構(gòu)件如圖所示發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并由于施加的應(yīng)力而在這些位置產(chǎn)生應(yīng)變。

因此，兩個(gè)應(yīng)變計(jì)處于壓縮狀態(tài)，而另兩個(gè)處于拉伸狀態(tài)，應(yīng)變計(jì)狀態(tài)的變化導(dǎo)致其電阻的變化。

拉伸時(shí)應(yīng)變片的電阻變大，壓縮時(shí)應(yīng)變片的電阻變小。

應(yīng)變片在電路中可以有不同的連接方式，應(yīng)變片的橋接和布置方式，對(duì)于提高傳感器的靈敏度和消除有害因素非常關(guān)鍵。

根據(jù)電橋的加減特性和彈性元件的受力特性，在貼片位置允許的情況下，可貼4片或者8片應(yīng)變片，其位置應(yīng)是彈性元件應(yīng)變最大的地方。

1/4，1/2，及全橋電路示意圖。

如上圖，四個(gè)應(yīng)變片配置為惠斯通電橋，應(yīng)變片在電路中充當(dāng)電阻。

在一組角上施加激勵(lì)電壓（圖中VEX，通常為10V），測(cè)量其他兩個(gè)角之間的電壓差V0，來(lái)表征電阻的變化，電阻的變化和施加的力有特點(diǎn)關(guān)系，從而表征外力。

在沒(méi)有施加負(fù)載的平衡狀態(tài)下，當(dāng)四個(gè)電阻器的值緊密匹配時(shí)，電壓輸出為零或非常接近零，這就是為什么它被稱為平衡電橋。

當(dāng)連接應(yīng)變計(jì)的金屬構(gòu)件受到力的作用時(shí)，產(chǎn)生的應(yīng)變會(huì)導(dǎo)致一個(gè)或多個(gè)應(yīng)變片的電阻變化，電阻的這種變化導(dǎo)致輸出電壓的變化。

再將這種小毫伏電平信號(hào)放大到更高幅度的0-5V或0-10V信號(hào)之后，可以測(cè)量和數(shù)字化輸出電壓的這種小變化。

02 應(yīng)變式力傳感器的特點(diǎn)及應(yīng)用

彈性元件可以具有許多不同的形狀，包括簡(jiǎn)單實(shí)心圓柱體、空心圓柱體、彎曲梁、剪切梁、S形梁、雙端剪切梁等。

S形稱重傳感器應(yīng)變片分布和拉伸壓縮示意圖。這種力傳感器具有高精度和薄梁特征，外形緊湊，非常適合在線處理和自動(dòng)控制力反饋應(yīng)用。

S形稱重傳感器工作示意圖，含全橋電路及電阻變化示意圖，以及激勵(lì)電壓與輸出電壓之間的計(jì)算關(guān)系。

用于彈性元件的材料通常是工具鋼、不銹鋼、鋁合金或鈹銅。

最好的材料會(huì)在應(yīng)力和應(yīng)變之間表現(xiàn)出很大的線性關(guān)系，并且不隨時(shí)間明顯變化，施力時(shí)還必須具有高水平的重復(fù)性，以確保稱重傳感器是一個(gè)可靠的測(cè)量裝置。

為了實(shí)現(xiàn)這些特性，通常對(duì)材料進(jìn)行特殊的熱處理，例如零度以下的熱處理循環(huán)，以獲得最大的穩(wěn)定性。

應(yīng)變式力傳感器因其精度高，價(jià)格低和易用而最受歡迎。它們對(duì)動(dòng)態(tài)特性具有高速反應(yīng)，并且對(duì)溫度變化不敏感。

因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)用不銹鋼或鋁合金等制作，具有高堅(jiān)固性。

稱重傳感器以其高精度而聞名，檢測(cè)范圍從10g到100t都有，這使其成為測(cè)試和測(cè)量應(yīng)用的主要工具。

校準(zhǔn)良好的稱重傳感器精度可以到其滿量程的0.1%或以下。

FUTEK LSB200系列力傳感器，測(cè)量范圍0.1N-2.5N，毫克級(jí)分辨率。

Anyload，5t-100t應(yīng)變式力傳感器。

FUTEK：3mm*4mm超小納米力傳感器QLA414。

稱重傳感器由制造商精確校準(zhǔn)，發(fā)生沖擊負(fù)荷或過(guò)熱等不良事件后，可能需要定期送出進(jìn)行重新校準(zhǔn)。

力傳感器校準(zhǔn)，指尖的精度和準(zhǔn)確性，1mg校準(zhǔn)能力。傳感器具有零偏移，非線性，滯后，重復(fù)性，溫度偏移等特性，所以需要校準(zhǔn)。

稱重傳感器主要應(yīng)用在在高精度工廠自動(dòng)化，外科機(jī)器人，航空航天，稱重系統(tǒng)，材料拉壓測(cè)試等領(lǐng)域中。

審核編輯：劉清