聊聊应变式力传感器的构成及工作原理

在自动化抓取作业或者医疗手术中，有时需要感知并控制力的大小。

例如在机械手和医疗手术机器人中，力的感知就特别重要，力太大会造成物品损坏或者人身损害，力太小物品或者工具可能会掉落。

这时，力传感器就凸显其作用了。

那么力传感器有哪些类型？分别是如何工作的？各有什么优缺点？

我最近了解了一下，主流的力传感器，就原理来说，大致分为应变式，压阻式，压电式，电容式，电感式等。

今天我们先聊聊使用最多的应变式力传感器。

以后会慢慢分享其他类型的力传感器。

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应变式力传感器的构成及工作原理

应变式力传感器有时也称为应变式称重传感器（Loadcell）。

在所有力传感器中，应变式力传感器应用最为广泛，其使用量约占力传感器总量的90％左右。

它能应用于从极小（0-0.1N）到很大（100t）的动、静态力的测量，且测量精度高。

称重传感器内部结构示意图：主要由弹性体，应变片，电路板，加载按钮等组成。

应变式力传感器是由弹性敏感元件和贴在其上的应变片组成，应变片在电路中充当电阻。

工作时，应变式力传感器首先把被测力转变成弹性元件的应变，此应变作用于应变片上，导致其电阻的变化，电阻变化会在系统中产生输出电压，从而测出力的大小。

悬臂应变式称重传感器构件示意图。

弹性元件受力变形，及应变计拉压变形示意图。

在上图所示的的测力元件中，总共有四个应变计，它们被连接到测力元件的上表面和下表面。

当负载如上所示施加到测力元件的主体上时，弹性构件如图所示发生偏转，并由于施加的应力而在这些位置产生应变。

因此，两个应变计处于压缩状态，而另两个处于拉伸状态，应变计状态的变化导致其电阻的变化。

拉伸时应变片的电阻变大，压缩时应变片的电阻变小。

应变片在电路中可以有不同的连接方式，应变片的桥接和布置方式，对于提高传感器的灵敏度和消除有害因素非常关键。

根据电桥的加减特性和弹性元件的受力特性，在贴片位置允许的情况下，可贴4片或者8片应变片，其位置应是弹性元件应变最大的地方。

1/4，1/2，及全桥电路示意图。

如上图，四个应变片配置为惠斯通电桥，应变片在电路中充当电阻。

在一组角上施加激励电压（图中VEX，通常为10V），测量其他两个角之间的电压差V0，来表征电阻的变化，电阻的变化和施加的力有特点关系，从而表征外力。

在没有施加负载的平衡状态下，当四个电阻器的值紧密匹配时，电压输出为零或非常接近零，这就是为什么它被称为平衡电桥。

当连接应变计的金属构件受到力的作用时，产生的应变会导致一个或多个应变片的电阻变化，电阻的这种变化导致输出电压的变化。

再将这种小毫伏电平信号放大到更高幅度的0-5V或0-10V信号之后，可以测量和数字化输出电压的这种小变化。

02 应变式力传感器的特点及应用

弹性元件可以具有许多不同的形状，包括简单实心圆柱体、空心圆柱体、弯曲梁、剪切梁、S形梁、双端剪切梁等。

S形称重传感器应变片分布和拉伸压缩示意图。这种力传感器具有高精度和薄梁特征，外形紧凑，非常适合在线处理和自动控制力反馈应用。

S形称重传感器工作示意图，含全桥电路及电阻变化示意图，以及激励电压与输出电压之间的计算关系。

用于弹性元件的材料通常是工具钢、不锈钢、铝合金或铍铜。

最好的材料会在应力和应变之间表现出很大的线性关系，并且不随时间明显变化，施力时还必须具有高水平的重复性，以确保称重传感器是一个可靠的测量装置。

为了实现这些特性，通常对材料进行特殊的热处理，例如零度以下的热处理循环，以获得最大的稳定性。

应变式力传感器因其精度高，价格低和易用而最受欢迎。它们对动态特性具有高速反应，并且对温度变化不敏感。

因为结构用不锈钢或铝合金等制作，具有高坚固性。

称重传感器以其高精度而闻名，检测范围从10g到100t都有，这使其成为测试和测量应用的主要工具。

校准良好的称重传感器精度可以到其满量程的0.1%或以下。

FUTEK LSB200系列力传感器，测量范围0.1N-2.5N，毫克级分辨率。

Anyload，5t-100t应变式力传感器。

FUTEK：3mm*4mm超小纳米力传感器QLA414。

称重传感器由制造商精确校准，发生冲击负荷或过热等不良事件后，可能需要定期送出进行重新校准。

力传感器校准，指尖的精度和准确性，1mg校准能力。传感器具有零偏移，非线性，滞后，重复性，温度偏移等特性，所以需要校准。

称重传感器主要应用在在高精度工厂自动化，外科机器人，航空航天，称重系统，材料拉压测试等领域中。

审核编辑：刘清