基礎知識之力傳感器

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(yè)自動化系統(tǒng)中，成為不可缺少的核心部件。

力傳感器模型：

力傳感器的一般工作原理是對所施加的力作出響應，并將力值轉換成可測量的量。市場上有各種基于各種傳感元件的力傳感器，大多數(shù)力傳感器都是使用力敏電阻器設計的，這些傳感器由傳感膜和電極組成。力傳感器通常使用一種稱為應變計的裝置來測量力的大小。應變計是一種能夠測量物體應變（即形變）的傳感器。當物體受到外力作用時，它會發(fā)生形變，應變計會感知到這種形變并將其轉化為電信號。應變計是由細長且具有彈性的金屬片或導線組成的。當物體受到力作用時，應變計的形狀會發(fā)生微小變化，從而導致金屬片或導線發(fā)生應變。這些應變會導致金屬片或導線的電阻值發(fā)生變化。通過將應變計與電橋電路相連，可以測量出電阻的變化。電橋電路是一種能夠測量電阻差異的電路。當應變計受到力作用時，電橋電路會檢測到電阻的變化，并產生一個與力大小成正比的電信號。這個電信號可以通過放大器進行放大，并通過模數(shù)轉換器轉換為數(shù)字信號，以便進行數(shù)字化處理和分析。這樣，我們就可以準確地測量到施加在力傳感器上的力的大小。 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）。 常用傳感器型號：

• ELAF 系列力傳感器通過高溫微熔玻璃將微機械加工壓阻式應變片黏貼在高性能不銹鋼測力彎曲片上。 這一技術徹底擺脫了傳統(tǒng)力傳感器中使用的容易老化的有機環(huán)氧樹脂，從而具有極好的量程和零點穩(wěn)定性。由于需要在非常低的張力下工作，因此所用應變片的應變靈敏度系數(shù)應大于 100，循環(huán)壽命基本達到無限，具有較高分辨率和極高過載能力（無需停止），可提供 0.5 到 4.5 V 的放大比例輸出或 20 mV/V 的橋路輸出。ELAF 傳感器適合于測試和測量應用。從超緊湊 0.5” 直徑的 B0 和 T1 設計到大尺寸 1.25” 直徑的 B2 封裝，ELAF 擁有超常的靈活性和優(yōu)越的性能。

ELAF產品圖：

ELAF載裝單元：

ELAF連接方式：

• 小型輕量力傳感器XFC200R：不同于具有水平施力表面的傳感器，采用球形負載按鈕設計，使測量結果能夠更加精確。 該產品具有高剛度性能，適用于各種尺寸和測量范圍，支持動態(tài)應用中的測量。應力消除彈簧增加了輸出電纜的強度。傳感元件采用經過全溫補償并配備有高穩(wěn)定性的微機械加工硅應變片組成的惠斯通電橋。

XFC200R產品圖：

XFC200R接線方式：

• FN3002系列：力稱重傳感器是一種能夠測量物體受到的力或重量的傳感器。它通常由一個彈性元件和一個敏感元件組成。當物體施加在傳感器上時，彈性元件會發(fā)生形變，導致敏感元件的電阻、電容或電感發(fā)生變化。通過測量這種變化，傳感器可以將受到的力或重量轉換為電信號輸出。力稱重傳感器廣泛應用于工業(yè)自動化、機械設備、醫(yī)療器械、交通運輸?shù)阮I域，用于測量物體的重量、壓力或拉力等參數(shù)。

產品圖：

力傳感器應用的三大領域： 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(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(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。 傳感器在我們智能化的生活中扮演著重要的角色，其中，力傳感器在力學中使用范圍極廣，常見應用在航天航空，汽車測試，醫(yī)療器械，自動化設備控制環(huán)境中，今天就來講講力傳感器應用大三大領域。

1：醫(yī)療康復領域 應用對象：康復機器人 應用方式：檢測握手力，指尖捏合力，監(jiān)測病人的指尖捏合力，握手力康復情況。 應用傳感器：普通力傳感器

2：踏板力測試系統(tǒng) 應用對象：汽車 應用方式：汽車踏板性能測試系統(tǒng)，是以測量臂空間解算為基礎的汽車踏板智能化測試設備，能夠實現(xiàn)對各型車輛的離合、油門和制動踏板進行行程及踏板力的測試。該儀器采用進口數(shù)采系統(tǒng)作為主控制核心， 選用進口踏板力傳感器及轉角傳感器作為主要測試元件，通過CAN 總線接口進行數(shù)據傳輸，配置專業(yè)的操作軟件，能實時的在上位機上進行顯示并保存。 應用傳感器：踏板力傳感器

3：機器人抓取工件重量在線測量 應用對象：機器人 應用方式：機器人傳送工件時適用；可以檢測工件是否缺損，或者工件類型錯誤，或者多重工件拾??；因為是在機器人運動過程中測量，因此不占用機器人循環(huán)時間；對于6軸傳感器，保證姿態(tài)不變化的情況下，任何方向上的檢測都是可行的；對于3軸傳感器，保證姿態(tài)不變化的情況下，保證Z軸向與重力方向一致時可行的。 

應用傳感器：三維力/六維力傳感器

力傳感器通常由以下幾個模塊組成：彈性體，變形測量元件，信號處理電路，輸出接口，其分別的功能是。彈性體：彈性體是力傳感器的主要組成部分，它能夠感受到外部施加在傳感器上的力，并且產生相應的變形。變形測量元件：變形測量元件通常是一種電阻、電容、電感或半導體等材料，它與彈性體相連，并能夠隨著彈性體的變形而發(fā)生電學或磁學性質的變化。信號處理電路：信號處理電路用于將變形測量元件輸出的變化信號進行放大、濾波、線性化等處理，以便能夠得到精確的力測量結果。輸出接口：輸出接口負責將信號處理電路處理后的數(shù)據輸出給外部設備，常見的輸出接口有模擬電壓輸出、數(shù)字串口輸出、無線通信輸出等。根據不同的使用場景，選擇對應功能的力傳感器，使得力傳感器在各個領域都能得到很好的使用。例如，在虛擬現(xiàn)實游戲中，力傳感器可以用于模擬物體的重量和阻力，使用戶能夠更加真實地感受到力的作用。這就需要將力傳感器與反饋系統(tǒng)相連，可以實現(xiàn)力的反饋。當機械裝置受到過大的力時，控制系統(tǒng)可以自動調整力的大小，以保護設備。這就需要將力傳感器與控制系統(tǒng)相連，可以實現(xiàn)對力的準確控制。需要注意的是，在應用力傳感器時，應根據具體的需求選擇合適的傳感器類型和安裝方式，并確保傳感器的準確性和可靠性。在安裝和使用過程中，還要注意保護傳感器免受過大的力、振動和環(huán)境影響。 面對如此多的力傳感器類型，在不同的應用場景選取適合的傳感器是非常重要的，我們可以從如下幾個步驟選取合適的類型。

• 了解應用程序和您正在測量的內容。測力傳感器不同于壓力傳感器或扭矩傳感器，它們是用來測量拉力和壓縮力的。
• 確定力傳感器的安裝特性及其組裝。你需要的靜態(tài)負載還是動態(tài)類型？定義安裝類型意思是你要如何安裝這個力傳感器，是內螺紋/外螺紋、直列式、側面安裝式、法蘭安裝式、通孔式還是壓縮墊圈。
• 確定最小和最大量程要求。在選擇量程之前，一定要選擇超過最大運行負載的量程，并確定所有的外部負載（側負載或偏心負載）和力矩。
• 確定力傳感器的尺寸和形狀要求（寬度、重量、高度、長度等）和機械性能要求（輸出、非線性、遲滯、蠕變、橋的電阻、分辨率、頻率響應等）其他需要考慮的特性包括（防水、低溫、高溫、多橋或冗余橋、和接口。
• 確定應用程序所需的輸出類型。力傳感器電路以mV/V輸出電壓。因此，如果你的PLC或DAQ需要模擬輸出、數(shù)字測壓元件輸出或串行通信，你肯定需要一個測壓元件放大器或信號調節(jié)器。確保選擇正確的放大器，并校準整個測量系統(tǒng)（負載傳感器+信號調節(jié)器）。

SparkFun Electronics是一家位于美國科羅拉多州的電子零件和工具供應商。他們提供各種各樣的電子零件，包括傳感器、電池、開發(fā)板、電線、電纜等。該公司主要生產的力傳感器是SEN-10245系列的，適用于的工作溫度0°C ~ 50°C，適用的操作力50.00kgf，所需要的電壓是10v。

Ohmite是一家美國的電子元件制造商，成立于1925年。該公司主要生產和銷售電阻器和電阻器相關產品，包括可調電阻器、電位器、電流互感器和電感器等。Ohmite的產品廣泛應用于各種行業(yè)和領域，包括電子、通信、汽車、醫(yī)療和工業(yè)等。該公司的力傳感器主要是FSR系列的，適用的工作溫度為-20~85度，屬于壓力感應電阻器。

Honeywell是一家全球知名的多元化科技和制造公司。該公司總部位于美國新澤西州，業(yè)務涵蓋航空、建筑、化工、電子、能源等多個領域。該公司的力傳感器主要是FSG系列的，適用的工作溫度為-40~85度，適合的操作力更大0~5N，屬于壓力感應電阻器。

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