力傳感器的工作原理：六維力傳感器工作原理

　　六維力傳感器工作原理
　　六維力傳感器標定原理
　　六維力傳感器的標定均在假設(shè)傳感器系統(tǒng)為線性系統(tǒng)的情況下進行，即傳感器靜態(tài)數(shù)學模型滿足
　　F=CV
　　其中，V是六維力傳感器輸出的6路原始信息(列信息，單位是V)，F(xiàn)是經(jīng)過計算的6路力信息(列信息，力的單位是KN，力矩的單位是KNm)[6-7]。
　　傳感器靜態(tài)標定的實質(zhì)就是利用施加在六維力傳感器上的廣義力矢量組F和通過數(shù)據(jù)采集上采樣得到的傳感器6個輸出信號矢量組V求出標定矩陣C，傳感器的輸出信號是一個6路電壓信號組成的矢量。如果不考慮傳感器的非線性因素的影響，只要給傳感器施加6個線性無關(guān)的力矢量，并測得對應6個力矢量的傳感器的輸出電壓信號矢量V，就可以得到一個惟一解C。

　　 六維力傳感器標定裝置簡介
　　“氣動力—慣性力復合離心試驗”六維力傳感器標定系統(tǒng)由測試系統(tǒng)和標定裝置兩部分組成，測試系統(tǒng)主要包括力傳感器，信號測量及放大裝置，數(shù)據(jù)采集卡，計算機以及標定軟件;傳感器標定裝置由六維力承力墻、承力鋼梁、過渡法蘭、L型加載梁，液壓協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)等組成。其中承力墻、過渡法蘭、承力鋼梁主要用于傳感器和液壓作動筒的轉(zhuǎn)接和固定，液壓協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)是載荷施加和控制裝置。
　　作為標定裝置的核心部件—型加載梁：其設(shè)計精巧，簡單實用，確保力傳遞的連續(xù)型和準確性。其8個45°均布的安裝螺孔，使L型加載梁的安裝位置45°可調(diào)，從而使xF和yF載荷的施加可以實現(xiàn)，L型的外形設(shè)計，使該加載裝置不僅可以實現(xiàn)單唯力的施加，而且可以根據(jù)需要完成不同方向和大小的力矩和單唯力的同時施加，這種裝置從結(jié)構(gòu)設(shè)計上滿足了六維力傳感器標定所需所用載荷狀態(tài)的實現(xiàn);后，L型加載梁周身所布置的8個半球狀加載坑，以點一點接觸的方式確保了載荷施加方向的準確性。
　　 六維力傳感器安裝需要注意什么?
　　安裝稱六維力感器重要的問題就是 要是合理的,能夠讓其在日后的工作當中正常的使用。所以進行合理的安裝是非常關(guān)鍵的。那么在安裝六維力傳感器的過程當中需要注意什么問題。
　　1、三維力傳感器的彈性體的制作材料主要還是合金的鋁材,所以出現(xiàn)任何一點震動導致的沖擊或者是發(fā)生掉落的情況都會導致出現(xiàn)非常大的數(shù)據(jù)輸出誤差。因此，安裝六維傳感器要做到輕拿輕放。
　　2、在進行加載裝置設(shè)計或者是安裝的時候,要確保加載力的受力和稱重傳感器的受力線是相重疊的,確保傾斜的符合和偏心符合的影響達到低狀態(tài)。
　　3、假如使用的是六維力傳感器,在安裝底座的時候要使用水平儀進行調(diào)整,達到水平狀態(tài)才能安裝。如果是安裝多個傳感器一起進行測量 ,那么就要讓多維傳感器的底部盡可能保持在一個水平面上。 這樣的發(fā)就可以確保任何一個傳感器所承受的力差不多是一樣的。與此同時,在加載裝置的兩側(cè)還需要假裝銅編織線制作而成的旁路器。
　　4、在安裝六維力傳感器的時候,在其表面還需要涂抹凡士林,這樣可以很好的避免出現(xiàn)化學腐蝕。另外還要盡可能避免太陽光的長時間直接照射,或者是環(huán)境溫度有非常大的變化。
　　六維力傳感器的電纜線是不可以自行加長的,如果要加長的發(fā)就要在接頭的地方進行錫焊而且還要使用有防潮效果的密封膠。
　　 機器人六維力傳感器的使用誤區(qū)有什么?
　　六維力傳感器一般分成固定端(機器人端)和加載端(工具端)。兩端相對受力時，傳感器發(fā)生彈性變形，傳感器內(nèi)部的應變計電阻發(fā)生變化，進而轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出。使用時需要要根據(jù)具體的應用場合考慮，精度和分辨率決不能等同看待。分辨率是指傳感器能分辨的較小信號，精度是指傳感器測量值與標稱值的較小差異。六維力傳感器的精度一般在0.5%F.S以內(nèi)，M38系列六維力傳感器精度高達0.2%F.S，分辨率約為滿量程的1/5000，能夠滿足各種應用需求。XYZ三維空間內(nèi)施加在傳感器上的力和扭矩都要考慮，外力/扭矩的大小較好是傳感器量程范圍的80%左右。
　　使用時的誤區(qū)有，只考慮力，彎矩考慮不夠。只考慮了外力大小，未考慮力臂(受力點離傳感器中心的距離)引起的彎矩。空間未充分利用。夾具和工件很大，力傳感器尺寸卻很小。電氣接口選型失誤。電氣接口選型不合適造成精度降低、分辨率不夠、通信等問題。量程選擇不合適。傳感器量程用得過滿，碰撞、誤用、機器人移動加速度等引起力和力矩考慮不夠。布置位置不合理。傳感器離受力點太遠，使得傳感器承受了多余的力和力矩。
　　六維力傳感器是一種力傳感器，能夠同時測量中性坐標系(OXYZ)內(nèi)的三個力(FX、FY、FZ)和三個矩(MX、MY、MZ)。六維力傳感器一類技術(shù)含量相當高的產(chǎn)品，在機器人、國防、汽車等領(lǐng)域都有重要應用。
　　 六維力傳感器未來市場的應用熱點
　　傳感器可對各種旋轉(zhuǎn)或非旋轉(zhuǎn)機械部件上的力和扭轉(zhuǎn)力矩進行感知及檢測，因而被廣泛應用于各種動力設(shè)備、過程/流程工業(yè)、實驗室測試部門等應用場所。多軸力/扭矩傳感器能夠測量并輸出在笛卡爾直角坐標系中多個坐標軸(X，Y和Z)上的力和扭矩，主要用于工業(yè)機器人手臂、遠程控制機器人系統(tǒng)、牙科研究和外科手術(shù)、產(chǎn)品測試、汽車部件測試等市場。
　　傳感器市場持續(xù)保持著5%左右的低速成長。而同時，在另一方面，由于物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)和中國制造轉(zhuǎn)型升級的共同，近幾年中國傳感器市場呈現(xiàn)出年均15%以上的發(fā)展速度，無線傳感器、六維力傳感器、MEMS傳感器、生物傳感器等新興種類的產(chǎn)品成為重要的增長熱點;此外，在工業(yè)自動化控制、汽車電子、航空航天等領(lǐng)域中，伴隨著行業(yè)用戶對智能化水平的要求日益高漲，一些較為成熟的測試/測量傳感器也同樣面臨著旺盛的市場需求，其中就包括力傳感器/扭矩傳感器、以及多軸力/扭矩傳感器等。
　　 六維力傳感器的校準方法
　　多分量力傳感器校準是為了獲得信號與力的對應關(guān)系。校準過程可以表達成二次多項式的形式。可以發(fā)現(xiàn)，這種表達方式與國內(nèi)教科書上的不太一樣，我們通常是將力F放在等號的左邊。就校準過程來講，這種表達似乎更加合理，那是因為施加了確定的力，而得到了信號。
　　在校準過程中，所施加的載荷F是已知的，而信號Ri是通過高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到的，ε是誤差項。對于六分量的力傳感器，有36個一次項系數(shù)，還有126個二次項系數(shù)。當然，這些系數(shù)的獲取是受到校準設(shè)備的限制的，而校準誤差的大小與校準系統(tǒng)的不確定度也有很大關(guān)系。
　　國外的一些六維力傳感器的校準方法，只是一份短短的讀書筆記。真正的校準數(shù)據(jù)處理過程其實很復雜，通常需要用到小二乘法，還有一些數(shù)據(jù)處理的技巧。在多元回歸過程中有很多成熟的代碼或者軟件可以幫助完成。
　　在校準配套的系統(tǒng)里，甚至還有成熟的軟件直接得到校準結(jié)果，校準人員只需要點點鼠標就可以完成校準。但是作為一名合格的力傳感工程師應該從根源上了解背景知識，這樣才能處理校準過程中的問題，并且不斷改進校準質(zhì)量。

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力傳感器
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本詞條由“科普中國”科學百科詞條編寫與應用工作項目
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。
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)應力和應變等力學量。具體的器件有金屬應變片、壓力傳感器等，在動力設(shè)備、工程機械、各類工作母機和工業(yè)自動化系統(tǒng)中，成為不可缺少的核心部件。
[1]
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變片）。3---電路部分(一般有漆包線，pcb板等）。
中文名
力傳感器
外文名
force sensor
類    別
電子元件
組    成
三個部分
主要分類
應變管式
目錄
1
主要分類
?
應變管式
?
膜片式
?
應變梁式
?
組合式
2
提高力傳感器精度 - 補償
3
應用領(lǐng)域
4
如何更換力傳感器
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(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)生相應的位移，通過位移的測量獲得力的信號。（2）彈性構(gòu)件和應變片共同構(gòu)成傳感器，應變片牢固粘貼在構(gòu)件表面上。彈性構(gòu)件受力時產(chǎn)生形變，使應變片電阻值變化（發(fā)生應變時，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。
[1]
力傳感器主要分類
語音
力傳感器應變管式
石英力傳感器
在筒壁上貼有2片或4片應變片，其中一半貼在實心部分作為溫度補償片,另一半作為測量應變片。當沒有壓力時 4片應變片組成平衡的全橋式電路;當壓力作用于內(nèi)腔時,圓筒變形成“腰鼓形”,使電橋失去平衡,輸出與壓力成一定關(guān)系的電壓。這種傳感器還可以利用活塞將被測壓力轉(zhuǎn)換為力傳遞到應變筒上或通過垂鏈形狀的膜片傳遞被測壓力。應變管式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、適用性強，在火箭彈、炮彈和火炮的動態(tài)壓力測量方面有廣泛應用。
力傳感器膜片式
它的彈性敏感元件為周邊固定圓形金屬平膜片。膜片受壓力變形時，中心處徑向應變和切向應變均達到正的最大值，而邊緣處徑向應變達到負的最大值，切向應變?yōu)榱恪Ｒ虼顺０褍蓚€應變片分別貼在正負最大應變處，并接成相鄰橋臂的半橋電路以獲得較大靈敏度和溫度補償作用。采用圓形箔式應變計(見電阻應變計)則能最大限度地利用膜片的應變效果。這種傳感器的非線性較顯著。膜片式壓力傳感器的最新產(chǎn)品是將彈性敏感元件和應變片的作用集于單晶硅膜片一身，即采用集成電路工藝在單晶硅膜片上擴散制作電阻條，并采用周邊固定結(jié)構(gòu)制成的固態(tài)壓力傳感器（見壓阻式傳感器）。
力傳感器應變梁式
測量較小壓力時，可采用固定梁或等強度梁的結(jié)構(gòu)。一種方法是用膜片把壓力轉(zhuǎn)換為力再通過傳力桿傳遞給應變梁。圖3中兩端固定梁的最大應變處在梁的兩端和中點，應變片就貼在這些地方。這種結(jié)構(gòu)還有其他形式，例如可采用懸梁與膜片或波紋管構(gòu)成。
力傳感器組合式
在組合式應變壓力傳感器中，彈性敏感元件可分為感受元件和彈性應變元件。感受元件把壓力轉(zhuǎn)換為力傳遞到彈性應變元件應變最敏感的部位，而應變片則貼在彈性應變元件的最大應變處。實際上較復雜的應變管式和應變梁式都屬于這種型式。感受元件有膜片、膜盒、波紋管、波登管等，彈性應變元件有懸臂梁、固定梁、Π形梁、 環(huán)形梁、薄壁筒等。它們之間可根據(jù)不同需要組合成多種型式。 應變式壓力傳感器主要用來測量流動介質(zhì)動態(tài)或靜態(tài)壓力，例如動力管道設(shè)備的進出口氣體或液體的壓力、內(nèi)燃機管道壓力等等。
力傳感器提高力傳感器精度 - 補償
語音
力傳感器補償
溫度將會使4個應變片的應變信號（電阻）在相同方向和程度變化。因為兩個正向應變和兩個負向應變被列入等式，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行修正。另外，應變片需要進行溫度對靈敏度的補償 (TCS)。等溫度變化時，材料的 E 模量 將會降低，導致產(chǎn)生應變。另外，應變片的靈敏度依賴于溫度。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來完成。圖 中 列出了補償方法的總結(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行補償.
力傳感器應用領(lǐng)域
語音
稱重傳感器形式的選擇主要取決于稱重的類型和安裝空間，保證安裝合適，稱重安全可靠；另一方面要考慮廠家的建議，對于傳感器制造廠家來講，它一般規(guī)定了傳感器的受力情況、性能指標、安裝形式、結(jié)構(gòu)形式、彈性體的材質(zhì)等。譬如鋁合金懸臂梁傳感器適合于電子計價秤、平臺秤、案秤等；鋼式懸臂梁傳感器適用于電子皮帶秤、分選秤等；鋼質(zhì)橋式傳感器適用于軌道衡、汽車衡等；柱式稱重傳感器適用于汽車衡、動態(tài)軌道衡、大噸位料斗秤等。稱重傳感器主要應用在各種電子衡器、工業(yè)控制領(lǐng)域、在線控制、安全過載報警、材料試驗機等領(lǐng)域。如電子汽車衡、電子臺秤、電子叉車、動態(tài)軸重秤、電子吊鉤秤、電子計價秤、電子鋼材秤、電子軌道衡、料斗秤、配料秤、罐裝秤等。
力傳感器如何更換力傳感器
語音
在稱重傳感器實際使用過程中，有時會遇到超載、沖擊等情況，造成傳感器塑性變形，影響計量準確度，嚴重時，還會導致傳感器損壞，無法正常使用，這時就需要更換傳感器了。此時我們應當如何操作呢？更換的時候還需要注意哪些問題？下面專家就這個問題和大家分享一下。稱重傳感器能夠更換的前提是施加力的軸線與傳感器的受力軸線重合，這是第一點。隨著額定載荷的增大，稱重傳感器輸出的微伏/分度信號是減小的，而不是隨著額定載荷的增大，輸出信號也增大。這一點往往被忽略。所以在更換傳感器時，應盡可能用和原來一樣載荷的傳感器。若想更換載荷稍大一點的，就要注意電子秤的稱重儀表量程是否可調(diào):如果是不可調(diào)的舊式顯示儀表，會因為換成載荷較大的傳感器，輸出的微伏/分度信號變小，不能滿量程輸出、顯示，撥碼調(diào)整達不到目的而不能使用；如果是量程可調(diào)的稱重傳感器，換成載荷較大的傳感器后，則可通過設(shè)定量程，按說明書調(diào)試使用。同時應注意，如果傳感器的額定載荷過大，輸出的微伏/分度信號過小，容易降低秤的靈敏度。對于在第二傳力聯(lián)桿中安裝S形傳感器的機電結(jié)合秤，應注意：重新安裝傳感器后的聯(lián)桿長度與原來的聯(lián)桿長度一致。從另一方面說，就是要保證第一傳力杠桿水平且聯(lián)桿與第一傳力杠桿垂直成90度角。如果有偏差，將直接影響秤的準確度和靈敏度。聯(lián)桿長度過長，將會出現(xiàn)"秤大"現(xiàn)象；過短，將會出現(xiàn)"秤小"現(xiàn)象。此時還應注意，聯(lián)桿必須處于自由懸掛狀態(tài)，不可與其它物體摩擦，以免影響秤的靈敏度。機電結(jié)合秤在更換傳感器后的調(diào)試中，應在機械秤調(diào)試準確的基礎(chǔ)上按稱重顯示儀表說明書進行。無論是電子秤或機電結(jié)合秤，在更換傳感器后，都必須經(jīng)過檢定合格后方可使用。以上方案除了針對一般的稱重傳感器有效外，還對S形傳感器有效。稱重傳感器需要更換的情況在使用的時候經(jīng)常會遇到，只要按照上面的操作，即使更換傳感器也不會對測量造成影響。
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參考資料
1.

《中國大百科全書》總編委會．《中國大百科全書》：《中國大百科全書》出版社，2009

力傳感器的工作原理：壓力傳感器工作原理

1.壓力測量介紹
絕對壓力傳感器
差壓力傳感器
表壓力傳感器
2.壓力位移的轉(zhuǎn)換
位移轉(zhuǎn)換介紹
電容式氣囊
氧化鋁膜片
半導體膜片
單晶式壓力傳感器
3.壓力傳感器的規(guī)格與性能比較
規(guī)格
特性
壓力之測量
關(guān)于壓力的量測，可以分成三類：
(1) 絕對壓力的測量
(2) 表壓力的測量
(3) 差壓力的測量
絕對壓力所指的就是對應于絕對真空所測量到的壓力。
表壓力所指的就是對應于地區(qū)性大氣壓力所測量的壓力。
差壓力就是指兩個壓力源間的壓力差值。
如果有一壓力為絕對真空，則差壓力就等于絕對壓力；如果壓力為地區(qū)性大氣壓力，則差壓力就等于"表壓力"。
壓力的測量單位為巴司卡(pascal)(簡寫pa)，它就相當于牛頓/米2。在工業(yè)應用上，還有其它不同的壓力單位；如Bar，psi(磅/吋2)，大氣壓力，mmHg(水銀柱的上升高度以mm表示)以及cmH2O(水柱的上升高度以cm表示)。

力傳感器的工作原理：進氣管壓力傳感器的工作原理是什么？

進氣管壓力傳感器的工作原理是：根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷的大小檢測出歧管內(nèi)絕對壓力的變化，然后轉(zhuǎn)換成信號電壓送至發(fā)動機ECU，ECU依據(jù)此信號電壓的大小，控制基本噴油量的大小。進氣壓力傳感器簡稱MAP，以真空管連接進氣歧管，隨著引擎不同的轉(zhuǎn)速負荷，感應進氣歧管內(nèi)的真空變化，再從感知器內(nèi)部電阻的改變，轉(zhuǎn)換成電壓信號，供ECU修正噴油量和點火正時角度。壓力傳感器對于壓力的測量采用的是壓力芯片，壓力芯片在可發(fā)生壓力形變的硅膜片上集成的惠斯通電橋。