基于應(yīng)變的力傳感器

工作原理

為了解釋力傳感器如何工作，我們首先需要來回答這個(gè)問題：大多數(shù)通用力傳感器內(nèi)部都有應(yīng)變片，應(yīng)變片是如何工作的？

讓我們來簡(jiǎn)單地了解下應(yīng)變片：其作為電導(dǎo)體牢固地附著在基底上。當(dāng)基底被拉伸時(shí)，應(yīng)變片將會(huì)變長(zhǎng)。反之被壓縮時(shí)，應(yīng)變片將會(huì)縮短。結(jié)果是導(dǎo)致應(yīng)變片電阻產(chǎn)生變化。這就是應(yīng)變測(cè)量原理，通過應(yīng)變電阻變換來確定應(yīng)變大小。

為了制造力傳感器，除了應(yīng)變片外還需要一個(gè)彈性體 - 例如采用不銹鋼等。應(yīng)變片將牢固地黏貼在彈性體上。

我們采用彈性體最簡(jiǎn)單的形式 - 鋼圓柱體來進(jìn)行說明。



如果應(yīng)變片被壓縮，其電阻（Ω）會(huì)下降，如果拉伸，則電阻增加。



如果應(yīng)變片被壓縮，其電阻（Ω）會(huì)下降，如果拉伸，則電阻增加。



圖中為惠斯通電橋，四個(gè)應(yīng)變片組成一個(gè) 橋路。

圖中顯示的四個(gè)應(yīng)變片組成惠斯通電橋。這里不詳細(xì)解釋惠斯通電橋（詳情見參考書《采用應(yīng)變片進(jìn)行應(yīng)力測(cè)量和傳感器制造》)。由于應(yīng)變片牢固地黏貼在彈性體上，因此應(yīng)變片將產(chǎn)生和彈性體一樣的變形，這將導(dǎo)致電阻產(chǎn)生變化。通過惠斯通電橋?qū)⑦@些變形信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。這樣就可以計(jì)算出作用在應(yīng)變片上力的大小。這就是力傳感器的工作原理。

稱重傳感器和力傳感器之間有什么區(qū)別？

原理上，它們似乎非常類似：稱重傳感器測(cè)量質(zhì)量或重量，力傳感器測(cè)量力（即N或牛頓）。他們是否可以互換？每個(gè)牛頓大約等于100克，力傳感器可以轉(zhuǎn)換為稱重傳感器！但是實(shí)際上不是這么簡(jiǎn)單。

區(qū)別1

稱重傳感器僅測(cè)量重量，并且僅是重力場(chǎng)方向（也就是只能測(cè)量垂直地面方向的力）。而且重量將一直大于 0。如果一個(gè)容器放在稱重傳感器下方，其并不會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相反方向的重量。而力傳感器則不同，其可以各種方向和角度傾斜的拉力和壓力等。

區(qū)別2

稱重傳感器在工廠中生產(chǎn)，然后需在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行標(biāo)定。力傳感器生產(chǎn)后立即在工廠進(jìn)行校準(zhǔn)，并且需要保證傳感器拆下并安裝后，測(cè)量值相同。因此，力傳感器具有比稱重傳感器更堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)，以保證在多種變化條件下測(cè)量值的重復(fù)性。

區(qū)別3

稱重傳感器和力傳感器的標(biāo)準(zhǔn)不同，稱重傳感器一般為貿(mào)易秤標(biāo)準(zhǔn)，而力傳感器需要滿足 VDI 2635 或 ISO 376 標(biāo)準(zhǔn)。在這些標(biāo)準(zhǔn)中，可重復(fù)性是其中最重要的因素。


U10M 力傳感器


Z6 剪切梁稱重傳感器

應(yīng)用領(lǐng)域

"力傳感器幾乎可以用于任何地方，例如測(cè)試臺(tái)的氣隙力測(cè)量，即使力傳感器沒有接觸到平臺(tái)，力依然可以測(cè)量"。– Thomas Kleckers

總而言之，我們將看一下力傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域。

· 測(cè)量對(duì)物體的作用力。示例：如意外事故對(duì)摩托車頭盔的影響。
· 測(cè)量值和參考值之間進(jìn)行國際比對(duì)。世界各地的計(jì)量機(jī)構(gòu)都使用特別精確的力傳感器進(jìn)行測(cè)試。提供參考測(cè)量值。
· 在測(cè)試臺(tái)上，力傳感器通常確?？梢跃_地控制所需的載荷：例如對(duì)飛機(jī)機(jī)翼的加載測(cè)試，模擬真實(shí)飛行狀態(tài)。
· 工業(yè)設(shè)備，例如在印刷機(jī)，裝配線或終端測(cè)試中例如蓋子是否被牢固地合攏？

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