根據(jù)GB/T 36378.1-2018《傳感器分類與代碼第1部分：物理量傳感器》規(guī)定，力學傳感器是指對如壓力、重力、應力、力矩、位置、速度、加速度等參數(shù)進行測量的傳感器，其中在在汽車、航空航天、機械制造、醫(yī)療等多個領域的應用中，通過將力/力矩轉換為電信號以供系統(tǒng)使用的傳感器稱作力傳感器。

圖1 力學傳感器分類

力傳感器按其對力/力矩的測量原理的不同，可將其分為應變式、壓電式、電容式、光學式等數(shù)種類別，其中：

應變式力傳感器是最常見的一種力傳感器類型，它基于金屬或半導體材料的電阻值隨其形變而變化的性質。即當外力作用于傳感器時，內部的應變片（通常是電阻絲或箔片）會發(fā)生形變，導致其電阻值發(fā)生變化，這種變化可以通過惠斯通電橋電路檢測并轉換成電壓信號輸出，這類傳感器具有高精度、穩(wěn)定性好、線性度高等優(yōu)點。

圖2 應變式力傳感器

壓阻式力傳感器利用半導體材料的壓阻效應，即材料的電阻率隨著施加的應力而改變。當外力作用于壓阻元件上時，其內部的半導體材料會因應力而改變電阻，進而影響通過該材料的電流或電壓。這種傳感器通常用于需要高靈敏度和快速響應的應用場合。

圖3 壓阻式力傳感器

壓電式力傳感器在受到機械應力作用時會產生電荷，這種現(xiàn)象稱為壓電效應，其在應用過程中通過將外力直接轉換成電荷或電壓信號，從而實現(xiàn)對外力的測量，常見的壓電材料包括石英、鋯鈦酸鉛等。這類傳感器響應速度快、靈敏度高，但需要額外的電荷放大器來處理輸出信號。

圖4 壓電式力傳感器

電容式力傳感器基于電容的變化來測量力。電容由兩個平行的導體板組成，中間隔著一層絕緣介質，當外力作用于其中一個導體板時，使其與另一個導體板的距離發(fā)生改變時，此時電容值也會隨之變化，這種變化可以轉化為電信號輸出。電容式傳感器具有結構簡單、動態(tài)范圍大等特點

圖5 電容式力傳感器

光學式力傳感器利用光的傳播特性來測量力。當力作用于傳感器時，會引起光纖彎曲或折射率變化，從而影響光的傳輸，通過檢測光強、相位或偏振的變化，可以間接測量出作用力的大小。這類傳感器通常具有高精度和抗電磁干擾的能力。

圖6 光學式力傳感器

對不同工作原理的力傳感器對比如下：

表1 不同工作原理力傳感器對比

力傳感器類型

工作原理

精度

適用場景

特性

成本

應變式

利用金屬或半導體應變片的電阻變化，通過彈性體的形變轉換為電信號

高

靜態(tài)和動態(tài)力測量

良好的線性度

較高

壓阻式

半導體材料的壓阻效應，應力引起電阻率變化

高

需要快速響應的動態(tài)力測量

快速響應

一般

壓電式

晶體材料在受力時產生電荷

高

高頻動態(tài)力和振動測量

自發(fā)電，無需電源

較高

電容式

力作用下改變電容器的電容值，通常通過改變極板間距實現(xiàn)

較高

觸摸屏和觸摸面板

小尺寸，高靈敏度

一般

光學式

利用光的強度、相位或偏振狀態(tài)的變化來測量力

高

高溫、高壓或強電磁場環(huán)境

抗電磁干擾

高

力傳感器按照其能夠測量的力或力矩維度，可以分為一維、三維和六維力傳感器，它們分別對應著不同復雜程度的應用需求。其中：

一維力傳感器是最基本的類型，它只測量一個方向上的力，如垂直或水平的直線力。這類傳感器廣泛應用于各種場合（如拉伸和壓縮實驗中的力值測量）具有結構相對簡單，成本較低的特點。

圖7 一維力測量

三維力傳感器能夠同時測量三個互相垂直方向上的力，即X、Y和Z軸方向的力。這類傳感器增加了復雜性，可以在機器人手臂的應用中，用于控制末端執(zhí)行器的接觸力，避免損壞或過度用力。相比于一維力傳感器，三維力傳感器可以提供更全面的力分布信息，適用于需要控制或分析三維空間中力的應用。

圖8 三維力測量

六維力傳感器是當下技術狀態(tài)中最復雜的力傳感器類型，它能夠同時測量三個方向上的力（Fx、Fy、Fz）和繞這三個軸的力矩（Mx、My、Mz）。這種傳感器主要用于需要精確控制和感知物體在三維空間中的所有自由度的應用。如在人形機器人的應用中，通過六維力傳感器提供完整的力和力矩信息去實現(xiàn)高精度力控和復雜機械臂操作，從而實現(xiàn)精細的環(huán)境互動和物體操作能力。

圖9 六維力測量

對不同維度力傳感器特性整理如下：

表2 不同維度力傳感器特性

一維

三維

六維

測量維度

Fx

Fx, Fy, Fz

Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz

主要應用領域

壓力測量、拉力測試

機器人、材料測試、生物力學研究

高級機器人、航空航天、精密裝配

復雜度

低

中

高

精度要求

一般

高

極高

成本

低

一般

高

數(shù)據(jù)處理難度

低

中

高

在汽車行業(yè)中，力傳感器的應用場景多樣，其中，一維力傳感器在車輛制動系統(tǒng)中可用于測試和監(jiān)測制動系統(tǒng)的壓力，確保制動效能符合安全標準。在發(fā)動機測試中，通過測量活塞或曲軸的軸向力，可以評估其內部機械部件的負荷和磨損情況。還可在胎壓監(jiān)測系統(tǒng)（TPMS）中用于監(jiān)測輪胎內部的壓力，防止爆胎或非正常磨損，從而提高行車安全性。

三維力傳感器可在汽車碰撞測試中，用于測量碰撞瞬間車身各部位承受的力。在懸掛系統(tǒng)的開發(fā)和調校過程中，可測量懸掛組件在不同路況下的受力情況，從而優(yōu)化駕駛舒適性和操控性。在底盤測試中，可用于分析車輛在轉彎、加速和制動時的受力情況。

六維力傳感器可以監(jiān)測車輛底盤在行駛過程中受到的各種力和力矩，如垂直力、側向力、縱向力、滾動力矩、俯仰力矩和偏航力矩等。在輪胎與路面的摩擦力和附著力研究中，六維力傳感器的應用可為系統(tǒng)提供詳細的動態(tài)交互數(shù)據(jù)。在自動駕駛中，可用于精確測量車輛與周圍環(huán)境的物理交互，從而確保自動控制的精度和安全性。