力傳感器 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傳感器系統為線性系統的情況下進行，即傳感器靜態數學模型滿足
　　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是經過計算的6路力信息(列信息，力的單位是KN，力矩的單位是KNm)[6-7]。
　　傳感器靜態標定的實質就是利用施加在六維力傳感器上的廣義力矢量組F和通過數據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由測試系統和標定裝置兩部分組成，測試系統主要包括力傳感器，信號測量及放大裝置，數據采集卡，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，液壓協調加載系統等組成。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接和固定，液壓協調加載系統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：其設計精巧，簡單實用，確保力傳遞的連續型和準確性。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，從而使xF和yF載荷的施加可以實現，L型的外形設計，使該加載裝置不僅可以實現單唯力的施加，而且可以根據需要完成不同方向和大小的力矩和單唯力的同時施加，這種裝置從結構設計上滿足了六維力傳感器標定所需所用載荷狀態的實現;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,所以出現任何一點震動導致的沖擊或者是發生掉落的情況都會導致出現非常大的數據輸出誤差。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。
　　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整,達到水平狀態才能安裝。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，傳感器發生彈性變形，傳感器內部的應變計電阻發生變化，進而轉換成電壓信號輸出。使用時需要要根據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，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)內的三個力(FX、FY、FZ)和三個矩(MX、MY、MZ)。六維力傳感器一類技術含量相當高的產品，在機器人、國防、汽車等領域都有重要應用。
　　 六維力傳感器未來市場的應用熱點
　　傳感器可對各種旋轉或非旋轉機械部件上的力和扭轉力矩進行感知及檢測，因而被廣泛應用于各種動力設備、過程/流程工業、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，主要用于工業機器人手臂、遠程控制機器人系統、牙科研究和外科手術、產品測試、汽車部件測試等市場。
　　傳感器市場持續保持著5%左右的低速成長。而同時，在另一方面，由于物聯網建設和中國制造轉型升級的共同，近幾年中國傳感器市場呈現出年均15%以上的發展速度，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品成為重要的增長熱點;此外，在工業自動化控制、汽車電子、航空航天等領域中，伴隨著行業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系。校準過程可以表達成二次多項式的形式。可以發現，這種表達方式與國內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是通過高精度數據采集系統得到的，ε是誤差項。對于六分量的力傳感器，有36個一次項系數，還有126個二次項系數。當然，這些系數的獲取是受到校準設備的限制的，而校準誤差的大小與校準系統的不確定度也有很大關系。
　　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。真正的校準數據處理過程其實很復雜，通常需要用到小二乘法，還有一些數據處理的技巧。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。
　　在校準配套的系統里，甚至還有成熟的軟件直接得到校準結果，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量。

力傳感器 原理：力傳感器

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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
審核
。
力傳感器（force sensor） 將力的量值轉換為相關電信號的器件。力是引起物質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，在動力設備、工程機械、各類工作母機和工業自動化系統中，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
應用領域
4
如何更換力傳感器
力能夠產生多種物理效應，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）產生相應的位移，通過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。彈性構件受力時產生形變，使應變片電阻值變化（發生應變時，應變片幾何形狀和電阻率發生改變，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，通過頻率測量獲取力的相關信息。（5）通過電磁力與待測力的平衡，由平衡時相關電磁參數獲得力的信息。
[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系的電壓。這種傳感器還可以利用活塞將被測壓力轉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構簡單、制造方便、適用性強，在火箭彈、炮彈和火炮的動態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，切向應變為零。因此常把兩個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，并采用周邊固定結構制成的固態壓力傳感器（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構。一種方法是用膜片把壓力轉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。這種結構還有其他形式，例如可采用懸梁與膜片或波紋管構成。
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、 環形梁、薄壁筒等。它們之間可根據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動態或靜態壓力，例如動力管道設備的進出口氣體或液體的壓力、內燃機管道壓力等等。
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。在負載狀態下，線性誤差 也將產生變化。這可以通過對彈性體材料和結構的優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。除了以上描述的 TKzero 和 TCS,也可以通過調整對線性和靈敏度進行補償.
力傳感器應用領域
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，它一般規定了傳感器的受力情況、性能指標、安裝形式、結構形式、彈性體的材質等。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、工業控制領域、在線控制、安全過載報警、材料試驗機等領域。如電子汽車衡、電子臺秤、電子叉車、動態軸重秤、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:如果是不可調的舊式顯示儀表，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，撥碼調整達不到目的而不能使用；如果是量程可調的稱重傳感器，換成載荷較大的傳感器后，則可通過設定量程，按說明書調試使用。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。對于在第二傳力聯桿中安裝S形傳感器的機電結合秤，應注意：重新安裝傳感器后的聯桿長度與原來的聯桿長度一致。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。聯桿長度過長，將會出現"秤大"現象；過短，將會出現"秤小"現象。此時還應注意，聯桿必須處于自由懸掛狀態，不可與其它物體摩擦，以免影響秤的靈敏度。機電結合秤在更換傳感器后的調試中，應在機械秤調試準確的基礎上按稱重顯示儀表說明書進行。無論是電子秤或機電結合秤，在更換傳感器后，都必須經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 原理：力傳感器的組成分類及應用原理解析

描述
什么是力傳感器
力傳感器（force sensor） 將力的量值轉換為相關電信號的器件。力是引起物質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，在動力設備、工程機械、各類工作母機和工業自動化系統中，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）。
力傳感器分類
力能夠產生多種物理效應，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）產生相應的位移，通過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。彈性構件受力時產生形變，使應變片電阻值變化（發生應變時，應變片幾何形狀和電阻率發生改變，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，通過頻率測量獲取力的相關信息。
（5）通過電磁力與待測力的平衡，由平衡時相關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。
在負載狀態下，線性誤差 也將產生變化。這可以通過對彈性體材料和結構的優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。除了以上描述的 TKzero 和 TCS，也可以通過調整對線性和靈敏度進行補償。
力傳感器在汽車安全性能試驗中的應用
說起多軸測力傳感器，知道的人并不多。不過，很多人都在電視里看到過汽車碰撞實驗，通過碰撞模擬人傳感器的輸出信號來評判汽車的安全性能。可以這么說，沒有了多軸測力傳感器，碰撞模擬人僅能充當櫥窗里的模特，而不能真正發揮作用。
汽車安全碰撞試驗的模擬人身上會裝有測力傳感器。
汽車安全性能實驗中的測力傳感器
在汽車安全實驗室里，通常汽車廠家會進行安全性能的實驗，讓模擬人坐在汽車里，有意地發生碰撞，之后檢測模擬人各個部位的加速度、載荷和變形，從而評定出汽車的安全等級。
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各種各樣的多軸測力傳感器，為技術人員分析汽車在碰撞瞬間的各項技術數據。一般來說，多軸測力傳感器就通過安裝在汽車碰撞模擬人的頸部、手部、腿部等不同部位上。
頸部受一定程度的力就會斷，大腿受猛烈撞擊會骨折等。對測力傳感器采集到的各種受力數據以及假人的‘傷情’進行分析，汽車廠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的應用
此外，目前，有國內團隊將多軸測力傳感器技術應用到機器人行業，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，二是有觸覺。目前，95%的機器人都有所謂的視覺，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附加值不高的工業場合，例如對有觸覺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。目前，有國內團隊也正打算用多軸測力傳感器開發智能磨頭，讓機器人替代人工打磨，從而讓更多的企業用上它。
責任編輯；zl
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力傳感器 原理：壓電力傳感器原理

下圖為壓電力傳感器的剖面圖，黃色為石英材料，即壓電材料，根據剖面圖可知沖擊帽與藍色零件是螺紋連接，原理"應該"是藍色件上半部分壓石英，產生電荷/電壓，其中石英“應該”通過集電板固定在紫色件上。藍色件通過預壓力雙頭螺柱形成一個整體，與紫色件之間“應該”可自由相對滑動。
中間的預壓力雙頭螺柱使得藍色件上半部分和下半部分聯合擠壓石英，消除藍色件與石英之間的間隙，同時消除石英起始階段的非線性部分。
“應該”是個人推論，不過可以確定的是：石英本省的壓電效應就是壓電力傳感器的原理。
NVH測試中的力錘“應該”就是這個原理。當力錘為斜著敲擊時，力傳感器反饋的“應該”是敲擊方向的力。斜著錘擊，敲擊方向的響應中有一部分是另外一個方向分量的力引起的，偏小，因此測得的敲擊方向的響應偏小，即FRF偏小。
激振器測試中用到的力傳感器是ICP類型，因此原理肯定是類似的，只不過施加力的不是錘擊產生的反力，而是激振器。而大激振器存在頂桿，頂桿往往不能保證絕對直，因此施加的力可能是斜的，而傳感器中的壓電晶體產生的電荷/電壓“應該”是與正壓力呈正比的。這樣會造成響應偏大，即FRF偏大。
壓電力傳感器剖面圖
參考視頻：