测力传感器研究发展综述_杨兆建
《刚柔混合结构三腿六维力传感器关键技术研究》范文
《刚柔混合结构三腿六维力传感器关键技术研究》篇一一、引言随着现代工业技术的快速发展，对于高精度、高稳定性的力传感器需求日益增长。
刚柔混合结构三腿六维力传感器作为一种新型的传感器技术，具有高灵敏度、高可靠性以及良好的动态响应特性，被广泛应用于机器人、自动化设备、航空航天等领域。
本文将重点研究刚柔混合结构三腿六维力传感器的关键技术，探讨其工作原理、设计方法以及实际应用。
二、刚柔混合结构三腿六维力传感器的工作原理刚柔混合结构三腿六维力传感器主要由弹性体、传感元件及信号处理电路等部分组成。
其工作原理是通过将外部作用力转化为传感元件的电信号输出，从而实现对力的测量。
该传感器具有三个支撑腿，能够在三个方向上同时测量力和扭矩，具有六维力测量能力。
三、关键技术研究1. 弹性体设计弹性体是刚柔混合结构三腿六维力传感器的核心部件，其设计直接影响到传感器的性能。
在弹性体设计过程中，需要考虑到材料的刚性和柔性、结构的稳定性和可靠性等因素。
通过优化设计，使得弹性体在受到外部作用力时，能够产生准确的形变，从而将力信号转化为电信号输出。
2. 传感元件选择与配置传感元件是刚柔混合结构三腿六维力传感器的关键部件，其性能直接影响到传感器的测量精度和稳定性。
在选择传感元件时，需要考虑到其灵敏度、线性范围、响应速度等因素。
同时，还需要根据传感器的具体应用场景，合理配置传感元件的数量和位置，以保证传感器在各个方向上的测量精度和稳定性。
3. 信号处理电路设计信号处理电路是刚柔混合结构三腿六维力传感器的重要组成部分，其主要功能是对传感元件输出的电信号进行放大、滤波、转换等处理，以得到可用的力测量数据。
在信号处理电路设计过程中，需要考虑到电路的抗干扰能力、稳定性、响应速度等因素，以保证传感器在复杂环境下的可靠性和稳定性。
四、实际应用刚柔混合结构三腿六维力传感器具有广泛的应用前景，可以应用于机器人、自动化设备、航空航天等领域。
在机器人领域，该传感器可以用于机器人末端执行器的力控制，实现精确的抓取和操作；在自动化设备领域，该传感器可以用于对生产线上的工件进行精确的定位和装配；在航空航天领域，该传感器可以用于飞机和卫星的姿态控制和稳定性的监测。
测力传感器的原理及应用
测力传感器的原理及应用测力传感器是一种能够测量物体受力状态的装置，它可以将物体受到的力转换为电信号输出，常用于实验室、工业生产等领域。
测力传感器的原理主要包括应变电桥原理、电容原理和电阻应变原理等。
下面我将详细介绍测力传感器的原理及应用。
一、应变电桥原理：应变电桥原理是测力传感器最常用的原理之一。
应变电桥是由四个电阻组成的电桥，其中两个电阻为应变电阻，当受力物体变形时，应变电阻也会产生变化，从而引起电桥的不平衡。
通过测量电桥不平衡的电压信号，可以间接测量受力物体所受力的大小。
1. 工作原理：应变电桥是由两个有应变特性的电阻和两个无应变特性的电阻组成的，当受力物体受力变形时，引起有应变特性的电阻阻值改变，从而引起电桥不平衡，进而引起电桥两端的电压变化。
2. 优点：应变电桥原理的传感器具有灵敏度高、精度高、线性度好、抗干扰能力强等优点。
3. 应用领域：应变电桥原理广泛应用于工业控制、仪器仪表、材料测试等领域，如测量力学性能、压力、扭矩等。
二、电容原理：电容原理是另一种常用的测力传感器原理。
电容传感器是由两个平行的金属电极构成的测量装置，当介质在两电极之间存在力作用时，导致电极之间的电容变化。
通过测量电容的变化，可以判断受力物体所受力的大小。
1. 工作原理：电容传感器利用介质在两电极之间的电容变化来间接测量受力物体的力大小。
受力后，介质在电极之间会发生形变，从而引起电容的变化。
2. 优点：电容原理的传感器具有灵敏度高、响应速度快、结构简单等优点。
3. 应用领域：电容传感器在压力测量、液位测量、力学测试等领域有较广泛的应用。
三、电阻应变原理：电阻应变原理也是测力传感器常用的原理之一。
电阻应变传感器是由材料具有应变能力的电阻片构成的装置。
当受力物体变形时，电阻片会发生应变，导致电阻值的变化，通过测量电阻值的变化可以得知受力大小。
1. 工作原理：电阻应变传感器利用材料的应变特性，当受力物体发生应变时，导致电阻片产生变化，从而引起电阻值的变化。
结构健康监测若干方法与技术研究进展综述共3篇
结构健康监测若干方法与技术研究进展综述共3篇结构健康监测若干方法与技术研究进展综述1随着城市化和建筑业的发展，结构健康监测日益重要。
结构健康监测方法和技术的研究已经广泛应用于各种建筑结构和设施。
本文将对结构健康监测方面的若干方法和技术进行综述。
1. 轴力传感器轴力传感器能够测量梁、柱、桁架等建筑结构中的轴力，是结构健康监测中常用的一种技术。
轴力传感器可以分为电阻应变式和电容式两类。
电阻应变式轴力传感器通常使用应变片来测量梁、柱等结构的应变，进而计算出轴力。
电容式轴力传感器利用电极之间的电容变化来测量轴力。
轴力传感器的安装方便，可以非常准确地测量结构的轴力。
2. 加速度传感器加速度传感器是结构健康监测中最常用的传感器之一。
加速度传感器的作用是测量结构的加速度。
结构在发生震动或振动时，加速度传感器可以量化震动或振动的频率和幅值。
这种监测方法被广泛应用于地震研究、桥梁、风力发电机塔等建筑结构的结构健康监测。
加速度传感器的数据可以用于识别结构的刚性、阻尼和质量等特性。
3. 光纤传感器光纤传感器是一种基于光学原理的传感器。
光纤传感器可以用于测量多种物理量，包括应变、温度和压力等。
在结构健康监测中，应变光纤传感器可以用于测量结构的变形和应变，温度光纤传感器可以用于测量结构的温度变化。
光纤传感器的优点是灵敏度高、精度高、抗干扰能力强。
这种传感器通常用于海底管道、桥梁等长距离的结构监测。
4. 振动传感器振动传感器可以测量结构的振动。
振动传感器基于加速度传感器原理，但更多地专注于结构在某一频率范围内的振动。
它可以用于监测桥梁、风力发电机塔、建筑物等结构的振动。
振动传感器可以通过固定在结构上的惯性物体和磁铁实现震动控制和监测。
5. 影像监测影像监测是一种非接触的结构健康监测方法。
它通过在结构表面安装摄像头或激光传感器等设备，并运用计算机视觉技术进行图像分析，可以实现对结构表面形变和裂缝等的监测。
影像监测适用于高层建筑、拱桥等建筑结构的结构健康监测。
切削力测量技术现状及其发展趋势分析
切削力测量技术现状及其发展趋势分析分析了目前切削力测量技术的现状及存在问题，根据现代切削加工高速、高精度和强力切削的特点，提出了切削力测量技术新的要求及发展趋势。
标签：切削力；测量技术；现状；发展趋势1 切削力测量技术现状分析切削力测量系统一般由三部分构成：由测力仪、数据采集系统和PC机三部分组成，如图1所示。
测力仪（测力传感器）通常安装在刀架（车削）或机床工作台上（铣削），负责拾取切削力信号，将力信号转换为弱电信号；数据采集系统对此弱电信号进行调理和采集，使其变为可用的数字信号；PC机通过一定的软件平台，将切削力信号显示出来，并对其进行数据处理和分析。
1.1 切削测力仪1.1.1 应变式测力仪应变式测力仪由弹性元件、电阻应变片及相应的测量转换电路组成，其工作原理如图2所示。
把电阻应变片贴在弹性元件表面，并连接成某种形式的电桥电路，当弹性元件受到力的作用而产生变形时，电阻应变片便随之产生变形，从而引起其电阻阻值的变化ΔR，即应变片电阻值的变化ΔR造成电桥不平衡，使电桥输出发生变化ΔU，通过标定建立输出电压与力之间的关系。
使用时根据输出电压反算切削力的大小。
应变式测力具有灵活性大、适应性广、性能稳定等优点，而且配套仪表（如静态应变仪、动态应变仪等已标准化，因而得到广泛应用。
但是其测量原理决定了测量精度和动态特性主要取决于弹性元件的结构，如何有效解决灵敏度和刚度之间的矛盾，是提高应变式测力仪测量精度和动态特性的关键。
1.1.2 压电式测力仪压电式测力仪是以压电晶体为力传感元件的切削测力仪，当石英晶体在外力作用下发生变形时，在它的某些表面上出现异号极化电荷。
这种没有电场的作用、只是由于应变或应力在晶体内产生电极化的现象称为压电效应。
通过测量产生电荷量即可以达到测量切削力的目的。
从动态测力的观点出发，压电式测力仪是一种比较理想的测力传感器，具有灵敏度高、受力变形小等优点。
然而压电式测力传感器仍然存在一系列缺点：如由于电荷泄漏而不能测试静态力、固有频率的提高受装配接触刚度的限制、维护极不方便、价格昂贵，因此在使用上受到很大的限制。
传感器在检测技术中的应用及发展的研究
传感器在检测技术中的应用及发展的研究传感器在检测技术中的应用及发展的研究一：传感器在检测技术中的作用及地位检测（Detection）是利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装置，将生产、科研、生活等各方面的有关信息通过检查与测量的方法赋予定性或定量结果的过程。
能够自动的完成整个检测处理过程的技术称为自动检测与转换技术。
检测技术是现代化领域中很有发展前途的技术，他在国民经济中起着极其重要的作用。
近几十年来，自动控制理论和计算机技术迅速发展，并已应用到生产和生活的各个领域。
但是，由于作为“感觉器官”的传感器技术没有与计算机技术协调发展，出现了信息处理功能发达、检测功能不足的局面。
目前许多国家已投入大量人力、物力，发展各类新型传感器，检测技术在国民经济中的地位也日益提高。
传感器是能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，主要用于检测机电一体化系统自身与操作对象、作业环境状态，为有效控制机电一体化系统的运作提供必须的相关信息。
随着人类探知领域和空间的拓展，电子信息种类日益繁多，信息传递速度日益加快，信息处理能力日益增强，相应的信息采集——传感技术也将日益发展，传感器也将无所不在。
传感器技术是实现自动控制、自动调节的关键环节，也是机电一体化系统不可缺少的关键技术之一，其水平高低在很大程度上影响和决定着系统的功能；其水平越高，系统的自动化程度就越高。
在一套完整的机电一体化系统中，如果不能利用传感检测技术对被控对象的各项参数进行及时准确地检测出并转换成易于传送和处理的信号，我们所需要的用于系统控制的信息就无法获得，进而使整个系统就无法正常有效的工作。
传感器（Sensor）是一种常见的却又很重要的器件，它是感受规定的被测量的各种量并按一定规律将其转换为有用信号的器件或装置。
对于传感器来说，按照输入的状态，输入可以分成静态量和动态量。
我们可以根据在各个值的稳定状态下，输出量和输入量的关系得到传感器的静态特性。
故障诊断文献综述
模式识别分析 智能诊断技术 预测状态
内容三：电机转子故障诊断
电机转子故障类型：导条断裂、端环断裂以及转子动、静偏心 引起不对称现象
定子电流重新分布
产生相应谐波分量
方法：电流信号分析法（MCSA）
电流信号分析法
优点：非侵入式、远程故障诊断 缺点：故障信号较微弱、信号成分复杂 解决方法：去除基频信号干扰、凸显故障信号
内容一：电力拖动系统
注：用电动机作为原动机带动生产机械运动的拖动方式，称电力拖动。 本课题研究的生产机械是旋转机械。
电动机转子的故障诊断：电流信号分析法 旋转机械转子系统故障诊断： 振动分析法（主要） 电流分析法（次要） 多源融合技术（电流与振动 )
内容二：故障诊断步骤
采集信息（种类、方式）来自提取故障特征（信号处理技术）
内容五：多源融合技术
5、探究多源融合技术在转子系统故障诊断中的可行性 难点:（1）、异质传感器数据的建模、协同 （2）、怎样实现振动信号与定子电流信号的 数据融合
常见方法：起动电流法 傅里叶变换 Park矢量法 Hibert变换 自适应滤波 小波变换 仿真模拟
内容四：旋转机械转子系统故障诊断
转子系统常见故障类型：转子不平衡、转子不对中、碰摩、 轴承及其支承故障、裂纹、油膜涡动、油膜振荡。 方法1：振动信号分析法 常用方法： 时域分析：利用信号幅值、周期、相位、均值、 均方值、方差分析 频域分析：快速傅里叶变换(FFT)基础上进行 相干分析、 传递函数分析、细化谱分析、 时间序列分析、倒频谱分析、包络分析 时频分析：短时傅立叶变换(STFT)、 小波(wavelet)变换以及Hilbert一Huang变换分析。 方法2：电流分析法
面向转子系统电机电流与振动的 多源信息融合技术动态
测力传感器的使用原理及发展
测力传感器的使用原理及发展作者：于庆龙来源：《中国新技术新产品》2015年第12期摘要：传感器作为人机交流的主要工具之一，它能在不停止机器运行状态的前提下及时的提取设备运行状态，并对相关信息做出处理，为人们进行下一步控制决策提供依据。
本文简单介绍了测力传感器的组成以及工作原理，并提出了使用中需要注意的各种事项，以供同行工作参考。
关键词：测力传感器；使用原理；灵敏度中图分类号：TP212 文献标识码：A传感器在目前工业生产中采用较多，它是机械设备运行状态的信息显示基础，让管理人员及时的了解到设备的运行状态，为工作人员设备控制决策提供指导依据。
近年来，随着科学技术的进步，传感器在产品和参数设计上也发生了重大变化。
自从20世纪以来，国外发达国家就已经开始实现无样机生产模式，这也是传感器技术在工业生产领域应用的开始，目前这一技术早已渗透到社会各个行业。
1 测力传感器概述随着科学技术的进步，传感器早已经被广泛的应用在各个生产行业当中，成为生产领域设备控制的技术基础。
传感器的工作原理在于将专用的测力芯片安装在应变粘贴上，并将这些设备置放在需要测量的弹性轴上，由此组成系统的应变桥，如果应变桥提供的电源是可测试弹性轴受到损伤的信号，利用扭矩传感器进行测试的时候是一个比较成熟的检测手段，并将此作为应变电测技术的依据。
在工作中测力传感器的应用是一个精度高、频率快、可靠性好且寿命长的工作有点。
2 测力传感器的组成传感器在目前生产工作中的主要作用在于将非电量利用一些特殊的设备转换成为电能输送给目标机械，这种系统在当前应用各种包含了电源、转换原件、敏感原件等四个不同的方面构成的。
2.1 敏感元件。
敏感原件是测力传感器构成中的关键内容，它是在感受到被测量目标发生变化之后而产生特殊变量，并利用相应原理将测量变换成为容易传输的电能的某一变量。
比如在膜片式压力传感器中，敏感原件通常都是直接放置在弹性膜片上面的，它的工作原理是利用膜片受到压力信号所发生的变形而传递敏感信号，进而为下一步工作的更好开展做好准备工作。
电式传感器与测力仪研发回顾与展望
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* * 对) 切型晶片的影响 不 大 ! 而 对 +* 切型晶片 * * 的影响却很大 "作用在 +* 切型晶片上的切向力
《基于六维力传感器的机器人力控研究》范文
《基于六维力传感器的机器人力控研究》篇一一、引言随着机器人技术的快速发展，力控制成为机器人技术的重要研究方向之一。
机器人的力控制不仅涉及到机器人的操作精度和稳定性，也关系到对环境和人的安全保护。
因此，基于六维力传感器的机器人力控研究，在工业生产、医疗、航空航天、物流等领域得到了广泛应用。
本文旨在探讨基于六维力传感器的机器人力控技术的研究现状、方法及发展趋势。
二、六维力传感器概述六维力传感器是一种能够同时测量三个方向上的力和三个方向上力矩的传感器。
它能够提供关于物体与机器人之间相互作用力的全面信息，从而为机器人的力控制提供基础数据。
六维力传感器主要由传感器本体、支撑结构、电路和数据处理模块等组成，具有测量精度高、实时性好等优点。
三、机器人力控技术研究机器人力控技术是机器人技术的重要分支之一，其研究内容主要包括力控制的算法和策略。
基于六维力传感器的机器人力控技术主要应用于工业机器人和协作机器人中，其主要目标是在精确的物理环境下，控制机器人的操作行为以达到预设的力学指标。
其涉及的技术和方法包括：1. 机器学习算法：通过训练机器人学习不同的力控制策略，提高其适应不同环境和任务的能力。
2. 动力学模型：通过建立机器人动力学模型，预测和计算机器人在特定环境下的力和力矩。
3. 鲁棒控制算法：采用鲁棒控制算法，如模糊控制、神经网络控制等，以提高机器人在复杂环境下的稳定性和准确性。
四、基于六维力传感器的机器人力控应用基于六维力传感器的机器人力控技术在工业生产、医疗、航空航天、物流等领域得到了广泛应用。
其中，工业机器人主要应用于装配、焊接等任务中，需要精确控制力和位置；协作机器人则主要应用于人机协同作业中，需要保证对人的安全保护。
具体应用包括：1. 机器人装配任务：在装配过程中，机器人需要通过六维力传感器实时监测物体间的相互作用力，调整自身运动状态以实现精准装配。
2. 机器人手术系统：在医疗领域，基于六维力传感器的手术机器人可以精确地感知医生的手势和力量，协助医生完成手术操作。
电子测力传感器检定系统
浅谈电子测力传感器检定系统摘要：电子测力传感器检定系统是一种以力学量值的传递需要为依据，主要应用于电子万能试验机问题的计量检定而建立的特定的力学量的传递标准。
该系统结合了计算机技术、自动检测技术、电子技术等多种技术为一体，能够为材料试验机的测验提供可信度极高的测试数据。
本文主要分析了电子测力传感器检定系统的特点，并介绍电子测力传感器检定系统的应用。
关键词：电子测力传感器检定系统万能试验机电子测力传感器检定系统主要是针对于电子式万能试验机在计量检定方面的需求，该系统是根据力值的计量标准所需的技术要求以及量值的传递量的基本要求，建立起的新的力学量传递准则。
电子测力传感器检定系统是一种结合了计算机技术、自动检测技术、电子技术等多种技术的可应用于现场的计量检测系统。
电子测力传感器检定系统主要应用于电子万能试验机方面的计量检定。
该系统主要的目的是对具有高准精度的电子式万能试验机来进行周期性的正常检定，保证力值的测量处在受控的状态，为电子式万能材料试验机提供非常可靠地数据。
电子测力传感器检定系统是以完善力值的传递情况来提高计量装置所需的精确到，并且针对万能试验机的检测方法以及检测手段进行研究，以使得力值的传递能够连续并完善，最终实现为材料试验机检定的质量提供更加可靠的技术依据，并保证生产的正常运行和满足精准度的要求。
一、关于电子式万能材料试验机和电子测力传感器检定系统1.1 电子式万能材料试验机的特点电子式万能材料试验机在各种情况下（如高温、高压、时间较长等）都能够根据需要对材料的力学性能进行了解和掌握。
它拥有动态响应快、测量精度高、负荷范围广、功能齐全、操作简单等特点。
目前我国采用的材料试验机的准确等级一般为1.0%，一些新近引进的万能试验机的准确度能够达到0.5%，其测量范围一般为2kn～100kn。
目前在工业上它主要应用于对产品或材料的力学性能和工艺性能等参数进行检测。
1.2 对电子式万能试验机检定的现状在当今21世纪，随着数字化测试技术的迅速发展，电子式万能试验机检定技术现状测力传感器在计量检定领域得到了广泛的应用。
仿生原型毫一微牛级二维力测试系统研制
仿生原型毫一微牛级二维力测试系统研制1. 引言1.1 研究背景在科学研究领域，力学性能测试是一项至关重要的工作。
随着科技的不断发展，对于微小力的测量需求也越来越迫切。
传统的力测试系统往往无法满足微小力的精确测量要求，因此迫切需要一种高精度、高灵敏度的二维力测试系统。
当前市场上的二维力测试系统往往存在着测量精度不高、响应速度慢、使用复杂等问题，不适用于一些对力测量要求极高的应用场景。
有必要开发一种新型的二维力测试系统，以满足各领域对于微小力测量的需求。
本研究旨在研制一种仿生原型毫一微牛级二维力测试系统，通过结合仿生学原理和先进的传感技术，实现对微小力的高精度测量。
该系统将具有高灵敏度、高稳定性、快速响应等优点，可以广泛应用于生物医学、微机械制造、材料科学等领域。
通过此次研究，我们希望能够为微小力的准确测量提供一种新的解决方案，推动微小力测试技术的发展，为相关学科的研究和应用提供有力支持。
1.2 研究目的研究目的是为了研制一种能够精确测量微小力的二维力测试系统，以应对日益复杂和精密的工程和科学研究需求。
目前市面上的力测试系统往往难以满足对微牛级力的测量要求，因此我们希望通过仿生原型的设计和关键技术的应用，开发出一种新型的测试系统，能够实现对微小力的准确测量和分析。
这样的系统将在材料力学、生物医学、纳米技术等领域具有广泛的应用前景，有助于推动科学研究的进步和技术的发展。
通过本研究，我们希望能够提高微牛级力测量的精度和准确度，为科研工作者和工程师提供一种可靠的工具，有助于推动相关领域的发展和创新。
在未来的研究中，我们还将进一步完善测试系统的性能，并探索其在更多领域的应用，为科学研究和工程实践提供更多的可能性和机遇。
1.3 研究意义仿生原型毫一微牛级二维力测试系统的研究意义主要体现在以下几个方面：该系统的研制可以满足对微小力量进行精确测量的需求。
在一些领域，如微机械制造、生物医学工程等，需要对微小力量进行测量和研究，而传统的力测试系统往往无法满足这些需求。
测力传感器的使用原理及发展
测力传感器的使用原理及发展
于庆龙
【期刊名称】《中国新技术新产品》
【年(卷),期】2015(000)012
【摘要】传感器作为人机交流的主要工具之一，它能在不停止机器运行状态的前提下及时的提取设备运行状态，并对相关信息做出处理，为人们进行下一步控制决策提供依据。
本文简单介绍了测力传感器的组成以及工作原理，并提出了使用中需要注意的各种事项，以供同行工作参考。
【总页数】1页(P48-48)
【作者】于庆龙
【作者单位】佳木斯市质量技术监督检验检测中心，黑龙江佳木斯 154004
【正文语种】中文
【中图分类】TP212
【相关文献】
1.就《关于国家新型实用专利塞入式组合测力传感器(三棱塞入式测力传感器)可行性的技术探讨》的不同意见
2.关于国家新型实用专利塞入式组合测力传感器(三棱塞入式测力传感器)可行性的技术探讨
3.测力传感器研究发展综述
4.测力传感器的使用原理及发展
5.测力传感器的应用集中原理与发展策略浅析
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力传感器行业专题报告：力学感知,星辰已现,蓝海可期
力传感器行业专题报告：力学感知，星辰已现，蓝海可期一.力/力矩传感器：感知并度量力/力矩信号（一）力/力矩传感器为工业感知的核心部件力/力矩传感器将力/力矩信号转化为电信号。
传感器是指能感受规定的被测量并按照一定的规律（数学函数法则）转换成可用信号的器件或装置。
力传感器是将力的大小转换成相关电信号的元件。
力传感器主要由力敏元件、转换元件和电路三部分组成，可以检测张力、压力、重量、扭矩、应变和内应力等机械量，已成为动力设备、工程机械、各种工作机械、工业自动化系统不可或缺的核心部件。
（二）力传感器可依据测量维度、转化元件、使用场景进行分类力传感器分类标准众多，根据测量维度可分为一维至六维传感器；根据转化元件可分为电阻应变式、光学式、压电式和电容式传感器；根据使用场景又可分为力传感器可分为压力、称重（衡器）和力矩传感器。
根据测量维度，力传感器可分为一维至六维传感器。
一维力传感器测量一个方向的力，力的方向和作用点固定并与一维力传感器的标定坐标轴一致，可对力进行精确测量；三维力传感器测定三个正交方向的力，力的方向随机变化，但力的作用点保持不变并与传感器的标定参考点重合；六维力传感器可在指定的直角坐标系内同时精确测量Fx x Fy.Fz 三个方向的力信息和Mx、My、Mz三个方向的力矩信息,力的方向和作用点都在三维空间内随机变化。
根据转化元件，力传感器主要包括电阻应变式、光学式、压电式和电容式传感器。
电阻应变式传感器测量原理是将应变片粘贴在弹性体上，作用在弹性体上的外载荷使应变片随之形变，应变片的电阻阻值随载荷大小线性变化，并通过测量系统测量这一信号变化并输出对应力值；光学式传感器的核心零件是光纤，基于光纤传感技术，将被测量转换为光学参数的变化量从而进行测量；压电式传感器是一类基于石英、压电陶瓷和压电薄膜等晶体材料的压电效应测量力信号的传感器；电容式传感器主要利用外力引起电容形变，导致其电容量产生变化来测量力值。
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第1期(总第118期)2003年3月山 西 机 械SHA NX I M A CHIN ERY N o.1M ar.文章编号:1008-8342(2003)01-0001-03测力传感器研究发展综述杨兆建,王勤贤(太原理工大学,山西 太原 030024)摘要:简述了传感器的发展简况,比较了力传感器基本类型及其优缺点,对电阻应变式测力(称重)传感器发展进行了评述,讨论了若干关键技术及研究热点。
关键词:传感器;发展;综述;研究中图分类号:P 212 文献标识码:A基金项目:山西省自然科学基金资助项目(20001040)收稿日期:2002-10-10作者简介:杨兆建(1955-),男,河北省人,工学博士,教授,博士生导师;王勤贤(1958-),女,山东省人,副教授。
1 传感器发展简况传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。
随着科学技术的发展,传感器技术在自动控制、机器人、机械设备工况监测与故障诊断等众多领域中发挥着越来越重要的作用,有人将传感器比作人的五官与皮肤是很恰当的。
传感器技术的发展建立在敏感机理、功能材料、制造工艺和计测技术四块基石之上,因而造成了传感器种类极其繁多。
按传感器的使用对象可分为长度、力学、湿度、频率、电量、磁性、光学、声学、射线、化学和生理量传感器,按传感器的工作原理又可分为结构型和物性型传感器。
结构型传感器的基本工作原理是基于构件的机械位移。
其主要大类有:电阻应变式、电位器式、电容式、电感式、变压器式、电涡流式、电动式、谐振式等传感器。
结构型传感器是早期工业用传感器,虽有体积大、耗材多、速度慢等缺点,但由于工艺成熟、牢固可靠、价格低廉,仍然有广阔的应用前景。
目前总的发展趋势是以微电子技术和计算机技术改造传统的结构型传感器,使之成为新兴的复合型传感器。
如电阻应变式传感器采用弹性元件和应变计一体化的合金膜压力传感器。
利用微电子技术将电容式传感器的极距减小到几个L m ,从而提高传感器的性能,利用大规模集成电路将测量线路封装在传感器壳体内,可消除电缆电容的影响。
以石英晶体为弹性体的谐振式传感器也是以微电子技术改造的一个例子。
物性型传感器的工作原理是基于构成传感器的功能材料在外界物理量、化学量、生物量的作用下性质发生的变化。
物性型传感器的发展方向概括地说是微结构化、薄膜化、集成化、智能化,以陶瓷为功能材料的传感器,传感器的微粉工程和微观结构工程等。
从现代科学发展的观点来看,所谓结构型传感器和物性型传感器的界面将会十分模糊,两类传感器各有优缺点,两者有机地结合应是传感器重要发展方向之一。
2 力传感器基本类型及其优缺点比较力学量传感器包括力、力矩、振动、转速、加速度、质量、流量、硬度和真空度等传感器。
按照用途力传感器又可分为力、称重(衡器)和压力传感器。
按照工作原理力传感器又可分为电阻式(应变式、压阻式和电位器式)、电感式(压磁式)、电容式、磁电式(霍尔式)、压电式、表面声波(Sur face Aco ustic Wave 简写为SAW )、光纤、薄膜(连续膜)力传感器等。
电阻应变式传感器是利用金属丝在外力作用下发生机械变形时,其电阻值将发生变化这一金属的电阻应变效应,将被测量转换为电量输出的一种传感器。
压阻式传感器是利用半导体材料在应力作用时,其电阻率会发生明显变化的压阻效应,将被测量转换为电量输出的一种传感器。
电位器式传感器的基本工作原理是将电刷相对于电阻元件的运动转换为与其成一定函数关系的电阻或电压输出。
电阻式传感器结构简单、性能稳定、灵敏度较高、性能价格比好、抗干扰能力强,在机械量和几何量测量领域中应用十分广泛。
压磁式传感器是利用铁磁材料在外力作用下其内部产生的应力使铁磁材料的导磁率发生变化的压磁效应,把作用力变换成电量输出。
压磁式传感器具有输出功率大、抗干扰能力强、过载性能好、结构与电路简单、能在恶劣环境下工作和寿命长等优点,不足之处是测量精度不高、反应速度低等,较适合于重工业行业。
电容式传感器是可将压力等被测量的变化转换成电容量变化的一种传感器。
电容式传感器具有结构简单、灵敏度高、分辨率高、动态响应好、能在恶劣环境下工作、能实现非接触测量等优点,但存在抗干扰能力差和寄生电容问题,电容式传感器可用于压力测量,但更适合于位移测量。
霍尔式传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原理将压力等被测量转换成电动势输出的一种传感器。
霍尔式传感器虽然转换效率较低、温度影响大,但其结构简单、体积小、频率响应宽、无触点、使用寿命长、可靠性高,故在测量技术(压力、位移)中得到广泛的应用。
压电式传感器的工作原理是以某些物质(如石英等单晶体和人造压电陶瓷等多晶体)的压电效应为基础,将压力等被测量转换为电信号输出的滑动式传感器。
压电式传感器的压电转换元件是一种典型的力敏元件,具有自发电和可逆两种重要性能,且体积小、结构简单、工作可靠、固有频率高、灵敏度和信噪比高等优点,其主要缺点是无静态输出。
SAW传感器是基于SA W器件构成的振荡器的频率随着压力等被测量的变化来实现对被测量的检测的。
SAW传感器主要优点是高精度、高灵敏度,与微处理器相连,接口和结构工艺简单,主要用作压力传感器和加速度传感器。
光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器,使压力等待测参数与进入调制区的光相互作用后,导致光的光学性质发生变化,成为被调制的信号光,再经过光纤送入光探测器,经解调器解调后,获得被测参数。
光纤传感器具有灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、可挠性、以及可实现不带电的全光型探头等独特的优点,除可应用于压力、加速度等物理量测量外,还可进行电、磁、声、射线和气体等物理量的测试。
薄膜电阻应变式传感器由淀积在需要测量的表面上的压电电阻薄膜组成,其工作原理与电阻应变式传感器相同,主要应用于压力传感器上。
目前,基于测力传感器的测力技术应用范围之广,可以从它们的测量范围之宽来推断。
在大力值方面,测量轧钢机轧制力的传感器上限已达60MN,测量材料性能的巨型试验机已达100M N;而在微小力值方面,生物力学中动物肌肉纤维的拉力仅为若干个10nN (1L gf)。
测力范围的两端之比为1015量级。
无论在建筑、地质、石油开采、金属加工、航空航天、机器人领域,还是在体育、医疗方面无不存在测力传感器的应用。
在不同工作原理的测力传感器中,电阻应变式传感器以其优越的性能价格比和抗干扰能力在机械量测量技术领域得到广泛应用,并成为发展测力与称重的主流。
从上世纪80年代至今,在国内外所举行的各种有关测力与称重的学术会议及举办的传感器展览会上,80%的论文和展品都离不开电阻应变式传感器,国内负荷传感器有95%以上是应变式的。
不仅如此,它还步入具有计量学精度的领域。
3 电阻应变式测力(称重)传感器发展概况3.1 发展过程电阻应变式测力(称重)传感器历经几十年的发展历程,其主要理论和生产技术已趋成熟,在质量和性能方面已达到一定的水准。
电阻应变式测力(称重)传感器由于性能好、结构简单、信号易于传输和控制,其应用十分广泛。
据估计,1990年美国年产约100万只,日本年产约50万只,我国约5万只。
电阻应变式测力(称重)传感器总的发展过程大致可划分为以下三个阶段: 3.1.1 完善和提高基本性能阶段基本性能包括直线度、滞后、重复性、蠕变、灵敏度及其允差、灵敏度稳定性、温度对零点输出和灵敏度的影响、过载特性等,国外大多数产品的性能指标约在0.1%～0.02%的水平,我国生产的传感器大部分性能指标约在0.5%～0.05%的水平,有些性能指标(如蠕变、长期稳定性等)在上世纪80年代后期才开始规定。
3.1.2 确保产品具有优良的稳定性阶段为确保传感器产品满足实际使用的要求,当传感器性能指标达到一定程度后,将研究重点放在实用效果上,着眼提高产品的稳定性和环境适应性。
3.1.3 为用户降低传感器的成本阶段该阶段的主要任务是降低传感器的成本、便于用户安装、减少维护等。
有关专家认为先进国家的传感器生产状况属于基本完成前两阶段而向第三阶段发展,我国正处于逐渐完善第一阶段工作,已开展第二阶段工作。
3.2 发展特点近些年来,随着市场对传感器需求层次的提高,传感器设计、制造、检验技术的更新以及国际通行质量保证体系在生产管理过程中的引入,使这一传统传感器的品质发生了重大变革。
其中一些有代表的发展特点如下:3.2.1 应用性与技术集成一体性目前,无论从用户的需求还是应变式传感器本身的工作特性来看,大幅度提高测量准确度的必要性和可能性已相对减弱,但解决其在应用过程中可能出现的问题是近来传感器发展的一个突出特点。
所谓应用性与技术集成一体性是指以传感器的研究应用为目的,提高传感器的技术集成一体性。
如美国最大的称重传感器生产厂家ST S公司首创的65058T SA一体化・2・山西机械 2003年第1期 称量组件传感器,将传感器、安装底垫、承载压头与承载平台进行了技术密集型组合,有效降低了其在作为衡器的应用过程中出现问题的可能性。
3.2.2 可靠性、长期稳定性传感器的可靠性、长期稳定性一直是国内外各传感器生产厂家多年来致力于解决的主要技术关键。
3.2.3 环境适应性对于高温、潮湿、腐蚀性强等环境,提高传感器的环境适应性是保证传感器可靠性、长期稳定性的前提条件。
一般采用有效的密封手段,可提高传感器防腐能力。
3.2.4 新型结构设计传感器结构设计主要有两方面的目的,一方面是采用新的结构型式,得到性能优良的传感器,如双端剪切桥式传感器具有准确度高、抗侧载能力强、型面低、沿受力方向热膨胀小、易于组成一体化组件等特点,在中、大称量领域(如汽车衡、轨道衡等)正逐步代替其它结构(如柱式)传感器,逐渐成为市场上的主导产品;另一方面是利用新的结构型式,提高传感器的环境适应性,如美国STS公司的60060型平台式传感器采用了独特的内凹梁结构,将应变计粘贴于应变梁内侧,进而使多层密封技术得以应用,提高了传感器对潮湿的防护能力。
此外,在新型结构设计中普遍采用CAD技术。
3.2.5 新的加工技术随着高精密数控加工系统在传感器制造领域的应用,在一块钢材上加工出特殊结构的传感器成为可能,如整体型多柱式传感器,其性能优于组装式多柱式传感器。
3.2.6 质量保证体系国外一些大型传感器厂家均在生产过程中全面系统地引入了ISO9000质量保证体系,对每一生产工序、岗位和检验环节都制定了严密、完整、详细的操作程序,从而保证了传感器的制造质量。
3.2.7 多维力测量传感器多维力测量传感器的发展比较引人注目,在机器人、金属切削、微机械系统、电脑智能笔、体育等许多领域中研制了不少新型多维力测量传感器。
如日本、德国等国家研制的机器人多维视觉传感器,美国Dr aper试验室研制的竖梁结构Waston六维力/力矩传感器,美国斯坦福大学人工智能研究所设计的横梁结构Scheinman六维力/力矩传感器,瑞士KIST LER公司推出的用于机床的三维力测量传感器相关误差≤4%。