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　　近年來，由于客戶需求的變化和惡劣的經濟形勢等因素的影響，迫使OEM生產商必須生產出更纖巧、更經濟實惠的產品。這也令設計師必須研發出能滿足日益狹小空間需求的部件。在這種困難的情況下，即使如力傳感器這樣的微小元件也會對是否能成功開發解決方案產生非常大的影響。一種專利的靈活而精確的薄膜力傳感器可被用來滿足低成本、外形要求簡單的壓力測量解決方案。該項獨特的技術徹底消除了工程師在設計流線型產品時遇到的多項挑戰。

　　大多數工程師對各種類型的力傳感器都很熟悉。這些裝置被運用于機器人、工業設備、汽車安全系統和許多其他領域。最廣為所知的測力傳感器是負載單元。他們通過采用不同的技術來感知負載。應力計、壓電元件、可變電容是被廣泛應用的幾種手段。

　　然而，負載單元自身存在一些缺陷，特別是在測量重量和尺寸都高于平常水平的情況下。負載單元就顯得有些笨重。當涉及測量一些重量較輕的物件時，負載單元可能會得出比物件本身更重的讀數。有些類型的負載單元因其內部元件具有類似彈簧的屬性，因此在某些應用中可能會發出嗡嗡聲。

 
圖1、FlexiForce傳感器基本上就是電阻器，根據電導率和外加負載而線性變化

　　近些年來，市面上出現了一種不同類型的力傳感器，這種設備通稱為觸覺傳感器。這種產品得名于它們經常被用在機器人的手部，用來輕微接觸和觸碰。但是觸覺傳感器的應用范圍遠不止用在擬人仿真機器人上。它們基于柔性電路材料制作，所以能夠具備纖薄、輕巧、柔性（合理范圍內）的特點。這種性能拓寬了它的應用范圍，比如安裝在螺栓下，在技工扳緊螺母的同時可感應負載大小，或者直接通過夾持界面測量兩個滾筒之間的受力。

　　尤其值得一提的是一種觸覺傳感器——針對需要簡單外形的測力裝置的應用需求而開發，即使需要加一個變送器也同樣經濟。這種FlexiForce傳感器由一塊特殊的、專利的壓阻材料夾層，外加兩塊內側帶有銀質印刷導體的柔性聚合物組成。該導體路徑組成了電氣連接和外部電路。該種傳感器像紙一樣薄，厚度只有大約0.008英寸。

　　聚焦多功能性

　　FlexiForce傳感器由Tekscan公司生產，實際上是電導率與負載變化呈高度線性關系的電阻元件。在沒有負載的狀況下，電阻值非常之大，可以說基本上是一個開放式電路。隨著負載增加，電阻值開始下降，最后可以達到10千歐或更低的水平，需要根據實際情況決定。輸出量通過導電性與負載之間的關系得以表示，具備高度線性（線性誤差<±3%）。相對來說，外部電路將輸出量轉換成線性模擬電壓很簡單。

 
 
圖2、Tekscan公司生產各種類型的矩陣傳感器，通常與相關的專利軟件、
電子產品一起使用，用以某一區域的實時壓力分布記錄。

　　FlexiForce傳感器目前以同一標準形狀來為客戶提供概念測試和驗證，提供多種不同長度的產品。但是，這些傳感器也可以根據OEM 的應用需求采用相對簡單的自定義組裝。

　　類似的，這些傳感器的力范圍也可以自定義。他們對負載非常敏感。一個FlexiForce傳感器能夠感測只有5克重的物體，雖然生產商建議負載要占據感測區域面積的80%，其重量達到40克或以上，以便得到最好的測試結果。通過調節它的外部驅動電路實現調整傳感器的動態范圍也是可能的。這些調節方式都如打開一個開關般簡單。

　　市面上還有不同標準形態和大小的矩陣傳感器。這種類型的傳感器通常被稱作傳感器墊，其感測區域最小可達0.0009平方英寸，最大能達到256平方英寸。此類封裝被考慮用于壓力分布測量系統，被用來與Tekscan公司的專利電子產品和軟件配套使用，以顯示傳感器表面負載的壓力分布情況。它們多被用于研發、測試和控制及質量監控方面。

　　性能對比

　　將FlexiForce傳感器與其他類別的觸覺傳感技術對比，其中有一種設計采用了和FlexiForce傳感器類似的電阻材料，夾在柔韌的塑料片之間，在同一基板上都安置了導電區域。需要注意的一點就是傳輸依靠傳感區域的力傳導。同樣的負載施加在更大面積傳感區域上時，相比作用于更小面積的傳感區域時，讀數更小。這樣看來，這種傳感器與其說是力傳感器，不如說是壓力傳感器。

　　另一種觸覺傳感器使用電容作為感應機制。一種典型的方式就是將橫縱兩塊電極重疊起來，中間由彈性介質間隔開來。通過按壓橫縱兩塊電極之間的介質減少了空間，并提供同位移成正比的反饋信號。

　　電阻式觸覺傳感器的一個難題就是它們通常需要通過高頻率的交流信號驅動，這是因為作用力與位移變化相對較小，電容變化同樣也是如此。電子產品需要將電阻轉換成電壓變化，這個過程比較復雜。相比較而言，FlexiForce傳感器由直流電驅動。它們能與Tekscan公司生產的經濟型負載與力感測系統（ELF）配合使用，以高達5.7千赫的速率采樣和記錄數據。

　　簡單的驅動電路加上超薄的外形使得FlexiForce傳感器成為眾多領域的首選解決方案。標準版的感測區域是一個直徑為0.375 英寸的圓形區域。在許多情況下，設計師會先通過一個標準的傳感器的原型來證明是否可行，然后設計一個自定義版本。自定義傳感器有幾乎任何形狀，甚至是不規則外形的。如果實際應用需要的話，傳感器也可以連接到更硬的基板，如硬塑料或金屬。

　　FlexiForce傳感器依據負載大小分成三個規格：0-1 lbs、0-25 lbs、0-100lbs。即使達到負載10000 psi（塑膠極限值），也不會對傳感器造成損傷。為了測試范圍之間和之外的壓力，可以安裝一個簡單的運算放大器電路。通過調整運算放大器電路上的反饋電阻，或者調整傳感器的驅動電壓，各個方向的受力范圍均能精確調大到10倍，使得在特定受力范圍也能記錄讀數。

　　應用評估

　　輕便的體積，小巧的尺寸并不是應用FlexiForce傳感器的唯一原因。耐用性對Sensor Wireless公司來說是很關鍵的一個因素，Sensor Wireless公司是加拿大一家采用無線監控設備的大型制瓶企業。為了幫助他們的客戶在生產中減少瓶子的破損，Sensor Wireless需要一個定制的力傳感器安裝到他們的系統中，來確定生產線的軌道、機器人夾鉗和鄰近的瓶子作用在瓶身上的力。

　　每當Sensor Wireless公司的客戶拿到一個定單的時候，他們總會向咨詢Sensor Wireless公司咨詢有關瓶子與傳感器的問題。生產和研發總監TomMacDonald解釋說，傳感器安裝在瓶子的周圍，并與一個無線轉換設備相連。這項專利電子產品使得在瓶子內部安裝無線設備成為可能。所測瓶子上的受力讀數通過FlexiForce傳感器上的射頻信號發送到手持的掌上設備上，因此操作員可以實時監控負載狀況。

　　在為客戶定制一個FlexiForce傳感器之前，有很多的線路調試需要工作人員去摸索。MacDonald繼續解釋到：“但是現在，操作員只需要將測試評通過設定的生產線5到10次就能得到力傳輸檔案。操作員對剩下的生產線做同樣的測試過程，既能很快地找出問題并調整相關的設備。這種監控設備減少了很多停工時間，因為設備調整只需要幾分鐘就能完成。”

　　制瓶生產線以每分鐘傳輸1200個瓶子的速度運轉。在這樣高速生產的情況下，很容易發生瓶子的碰撞和摩擦，和其他一些操作問題。MacDonald表示只有耐用型的傳感器才能擔當重任。Sensor Wireless公司的一些客戶已經使用這款設備2年半至3年的時間。

 
圖3、一個FlexiForce薄膜傳感器被包裹在測試瓶的周圍，感應側壁受力。
而其內部的電子產品就會將數據無線傳輸到操作人員的手持機器上，這
樣他們就可以實時地看到操作結果。

　　耐用性對SSI Wireless公司來說也是相當重要的，SSI Wireless公司是美國一家工程技術公司，也是SSI工業嵌入式系統的業務部門。據公司總裁MicheleMordacq所說，最近有一個項目是將一個無線庫存管理系統安裝到一家超市的貨架上，該系統用到了為客戶定制的一個單點傳感器。當貨架空的時候，系統就會自動發送一封郵件給管理人員，說明哪些貨物需要重新上架。

　　Mordacq說：“在向很多傳感器生產商咨詢的時候，我們喜歡單點傳感器現貨，因為這樣我們可以隨時購買，組裝一個測試樣本，檢測這個系統是否能很好的運行。對于用在庫存管理中的設備，若采用醫療用的高精度設備就會花費很多。而那樣的高精度水準在這里不需要。只要負載力控制在幾盎司，就夠用了。稱重傳感器太大了，因為他們內部安裝了操控系統。”

　　Mordacq表示，薄膜傳感器也為用戶減少了成本支出，比如維護費用。因為該設備可以遠程遙控，可以盡快地采取糾正措施。Mordacq進一步解釋說到，派出技術人員去現場查看壓力、溫度、電機運轉是很平常的事情。而用這個產品就不需要這樣做了，既節約了時間也節省了開支。因此，SSI Wireless公司將FlexiForce傳感器與無線技術結合，生產出一種遠程遙控的診斷設備。Tekscan公司與之合作，逐一解決了研發過程中的問題。

　　Mordacq還說，更多地與力傳感器制造商溝通非常重要，因為這樣的合作會讓設計師接觸到不熟悉的學科。比如，機械工程師可能會越來越多的處理電子學方面的問題。

　　“Tekscan公司與我們合作，一起將經濟型負載與力感測系統（E L F）轉換成一種無線裝備，”Mordacq繼續說，“我們帶來了在無線通訊中的工作經歷，以及開發Windows桌面程序的經驗。我們兩家公司仍會繼續合作，其中最近的一個項目就是上面提到的無線貨架庫存系統。”

　　瑞士的一家工程公司Cervitrol表示，縮短客戶下單到產品完工的期限對OEM制造商來說是很重要的。他們最近的一個儀器是用來檢測商業打印設備中的鋼板和橡膠板之間的壓力。這個儀器能讓操作員實時檢測到受力情況，盡快相應地調整設備。

　　“我們在過去的工作中已經使用了很多標準而靈活的傳感器，所以對于它超大的使用范圍和完美的精確性都很熟悉，”設計工程師Thomas Eisner說到，“但是這個儀器的設計需要與傳感器制造商緊密合作。它需要用到比標準型號更小的感測區域，因此我們得事先確認這么小的區域范圍是否能感測力度。這個傳感器的傳輸范圍在10到100psi，并需要在表面一條直線的范圍傳輸壓力。通過8個星期的溝通協作，我們拿到了定制的傳感器，制造方為我們排疑解難，讓我們能盡快地完成產品的開發。”

　　結論

　　美好源自小巧，正如越來越多的OEM制造商開始采用靈活、精準的薄膜壓阻式力傳感器（FlexiForce）就是證明。這種傳感器體積小，靈活耐用，可以被很運用到很多設計中。OEM廠商發現這種低成本、可大量生產的傳感器方便他們提高生產樣品的效率。耐久的設計也讓最終的成品性能卓越：電阻范圍廣，高度的線性關系，低漂移，低功率。此外，用戶友好的、單片式的傳感器不需要很復雜的電子設備獲取輸出。

　　基于上述眾多優點，OEM廠商可以在很多領域運用這項技術。他們會發現FlexiForce傳感器在開發更小巧、更靈活的產品中起到了關鍵的作用。