測(cè)力傳感器的原理：力傳感器
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力傳感器
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本詞條由“科普中國(guó)”科學(xué)百科詞條編寫(xiě)與應(yīng)用工作項(xiàng)目
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。
力傳感器（force sensor） 將力的量值轉(zhuǎn)換為相關(guān)電信號(hào)的器件。力是引起物質(zhì)運(yùn)動(dòng)變化的直接原因。力傳感器能檢測(cè)張力、拉力、壓力、重量、扭矩、內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變等力學(xué)量。具體的器件有金屬應(yīng)變片、壓力傳感器等，在動(dòng)力設(shè)備、工程機(jī)械、各類(lèi)工作母機(jī)和工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，成為不可缺少的核心部件。
[1]
力傳感器主要由三個(gè)部分組成：1---力敏元件（即彈性體，常見(jiàn)的材料有鋁合金，合金鋼和不銹鋼）。2---轉(zhuǎn)換元件（最為常見(jiàn)的是電阻應(yīng)變片）。3---電路部分(一般有漆包線(xiàn)，pcb板等）。
中文名
力傳感器
外文名
force sensor
類(lèi) 別
電子元件
組 成
三個(gè)部分
主要分類(lèi)
應(yīng)變管式
目錄
1
主要分類(lèi)
?
應(yīng)變管式
?
膜片式
?
應(yīng)變梁式
?
組合式
2
提高力傳感器精度 - 補(bǔ)償
3
應(yīng)用領(lǐng)域
4
如何更換力傳感器
力能夠產(chǎn)生多種物理效應(yīng)，可采用多種不同的原理和工藝，針對(duì)不同的需要設(shè)計(jì)制造力傳感器。力傳感器主要有：（1）被測(cè)力使彈性體（如彈簧、梁、波紋管、膜片等）產(chǎn)生相應(yīng)的位移，通過(guò)位移的測(cè)量獲得力的信號(hào)。（2）彈性構(gòu)件和應(yīng)變片共同構(gòu)成傳感器，應(yīng)變片牢固粘貼在構(gòu)件表面上。彈性構(gòu)件受力時(shí)產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片電阻值變化（發(fā)生應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變片幾何形狀和電阻率發(fā)生改變，導(dǎo)致電阻值變化），通過(guò)電阻測(cè)量獲得力的信號(hào)。應(yīng)變片可由金屬箔制成，也可由半導(dǎo)體材料制成。（3）利用壓電效應(yīng)測(cè)力。通過(guò)壓電晶體把力直接轉(zhuǎn)換為置于晶體兩面電極上的電位差。（4）力引起機(jī)械諧振系統(tǒng)固有頻率變化，通過(guò)頻率測(cè)量獲取力的相關(guān)信息。（5）通過(guò)電磁力與待測(cè)力的平衡，由平衡時(shí)相關(guān)電磁參數(shù)獲得力的信息。
[1]
力傳感器主要分類(lèi)
語(yǔ)音
力傳感器應(yīng)變管式
石英力傳感器
在筒壁上貼有2片或4片應(yīng)變片，其中一半貼在實(shí)心部分作為溫度補(bǔ)償片,另一半作為測(cè)量應(yīng)變片。當(dāng)沒(méi)有壓力時(shí) 4片應(yīng)變片組成平衡的全橋式電路;當(dāng)壓力作用于內(nèi)腔時(shí),圓筒變形成“腰鼓形”,使電橋失去平衡,輸出與壓力成一定關(guān)系的電壓。這種傳感器還可以利用活塞將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換為力傳遞到應(yīng)變筒上或通過(guò)垂鏈形狀的膜片傳遞被測(cè)壓力。應(yīng)變管式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、適用性強(qiáng)，在火箭彈、炮彈和火炮的動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量方面有廣泛應(yīng)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(shí)，中心處徑向應(yīng)變和切向應(yīng)變均達(dá)到正的最大值，而邊緣處徑向應(yīng)變達(dá)到負(fù)的最大值，切向應(yīng)變?yōu)榱恪Ｒ虼顺０褍蓚€(gè)應(yīng)變片分別貼在正負(fù)最大應(yīng)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(bǔ)償作用。采用圓形箔式應(yīng)變計(jì)(見(jiàn)電阻應(yīng)變計(jì))則能最大限度地利用膜片的應(yīng)變效果。這種傳感器的非線(xiàn)性較顯著。膜片式壓力傳感器的最新產(chǎn)品是將彈性敏感元件和應(yīng)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(kuò)散制作電阻條，并采用周邊固定結(jié)構(gòu)制成的固態(tài)壓力傳感器（見(jiàn)壓阻式傳感器）。
力傳感器應(yīng)變梁式
測(cè)量較小壓力時(shí)，可采用固定梁或等強(qiáng)度梁的結(jié)構(gòu)。一種方法是用膜片把壓力轉(zhuǎn)換為力再通過(guò)傳力桿傳遞給應(yīng)變梁。圖3中兩端固定梁的最大應(yīng)變處在梁的兩端和中點(diǎn)，應(yīng)變片就貼在這些地方。這種結(jié)構(gòu)還有其他形式，例如可采用懸梁與膜片或波紋管構(gòu)成。
力傳感器組合式
在組合式應(yīng)變壓力傳感器中，彈性敏感元件可分為感受元件和彈性應(yīng)變?cè)?。感受元件把壓力轉(zhuǎn)換為力傳遞到彈性應(yīng)變?cè)?yīng)變最敏感的部位，而應(yīng)變片則貼在彈性應(yīng)變?cè)淖畲髴?yīng)變處。實(shí)際上較復(fù)雜的應(yīng)變管式和應(yīng)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(yīng)變?cè)袘冶哿?、固定梁、Π形梁?環(huán)形梁、薄壁筒等。它們之間可根據(jù)不同需要組合成多種型式。 應(yīng)變式壓力傳感器主要用來(lái)測(cè)量流動(dòng)介質(zhì)動(dòng)態(tài)或靜態(tài)壓力，例如動(dòng)力管道設(shè)備的進(jìn)出口氣體或液體的壓力、內(nèi)燃機(jī)管道壓力等等。
力傳感器提高力傳感器精度 - 補(bǔ)償
語(yǔ)音
力傳感器補(bǔ)償
溫度將會(huì)使4個(gè)應(yīng)變片的應(yīng)變信號(hào)（電阻）在相同方向和程度變化。因?yàn)閮蓚€(gè)正向應(yīng)變和兩個(gè)負(fù)向應(yīng)變被列入等式，因此溫度將不會(huì)產(chǎn)生輸出信號(hào)。剩下微小的殘余誤差可以通過(guò)連接到惠斯通電橋上特殊的鎳金屬來(lái)進(jìn)行修正。另外，應(yīng)變片需要進(jìn)行溫度對(duì)靈敏度的補(bǔ)償 (TCS)。等溫度變化時(shí)，材料的 E 模量 將會(huì)降低，導(dǎo)致產(chǎn)生應(yīng)變。另外，應(yīng)變片的靈敏度依賴(lài)于溫度。在高溫狀況下電阻的補(bǔ)償將產(chǎn)生更大的壓降。這將降低惠斯通電橋的輸出信號(hào)。在負(fù)載狀態(tài)下，線(xiàn)性誤差 也將產(chǎn)生變化。這可以通過(guò)對(duì)彈性體材料和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及選擇精確的測(cè)量點(diǎn)來(lái)完成。圖 中 列出了補(bǔ)償方法的總結(jié)。除了以上描述的 TKzero 和 TCS,也可以通過(guò)調(diào)整對(duì)線(xiàn)性和靈敏度進(jìn)行補(bǔ)償.
力傳感器應(yīng)用領(lǐng)域
語(yǔ)音
稱(chēng)重傳感器形式的選擇主要取決于稱(chēng)重的類(lèi)型和安裝空間，保證安裝合適，稱(chēng)重安全可靠；另一方面要考慮廠(chǎng)家的建議，對(duì)于傳感器制造廠(chǎng)家來(lái)講，它一般規(guī)定了傳感器的受力情況、性能指標(biāo)、安裝形式、結(jié)構(gòu)形式、彈性體的材質(zhì)等。譬如鋁合金懸臂梁傳感器適合于電子計(jì)價(jià)秤、平臺(tái)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(zhì)橋式傳感器適用于軌道衡、汽車(chē)衡等；柱式稱(chēng)重傳感器適用于汽車(chē)衡、動(dòng)態(tài)軌道衡、大噸位料斗秤等。稱(chēng)重傳感器主要應(yīng)用在各種電子衡器、工業(yè)控制領(lǐng)域、在線(xiàn)控制、安全過(guò)載報(bào)警、材料試驗(yàn)機(jī)等領(lǐng)域。如電子汽車(chē)衡、電子臺(tái)秤、電子叉車(chē)、動(dòng)態(tài)軸重秤、電子吊鉤秤、電子計(jì)價(jià)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(yǔ)音
在稱(chēng)重傳感器實(shí)際使用過(guò)程中，有時(shí)會(huì)遇到超載、沖擊等情況，造成傳感器塑性變形，影響計(jì)量準(zhǔn)確度，嚴(yán)重時(shí)，還會(huì)導(dǎo)致傳感器損壞，無(wú)法正常使用，這時(shí)就需要更換傳感器了。此時(shí)我們應(yīng)當(dāng)如何操作呢？更換的時(shí)候還需要注意哪些問(wèn)題？下面專(zhuān)家就這個(gè)問(wèn)題和大家分享一下。稱(chēng)重傳感器能夠更換的前提是施加力的軸線(xiàn)與傳感器的受力軸線(xiàn)重合，這是第一點(diǎn)。隨著額定載荷的增大，稱(chēng)重傳感器輸出的微伏/分度信號(hào)是減小的，而不是隨著額定載荷的增大，輸出信號(hào)也增大。這一點(diǎn)往往被忽略。所以在更換傳感器時(shí)，應(yīng)盡可能用和原來(lái)一樣載荷的傳感器。若想更換載荷稍大一點(diǎn)的，就要注意電子秤的稱(chēng)重儀表量程是否可調(diào):如果是不可調(diào)的舊式顯示儀表，會(huì)因?yàn)閾Q成載荷較大的傳感器，輸出的微伏/分度信號(hào)變小，不能滿(mǎn)量程輸出、顯示，撥碼調(diào)整達(dá)不到目的而不能使用；如果是量程可調(diào)的稱(chēng)重傳感器，換成載荷較大的傳感器后，則可通過(guò)設(shè)定量程，按說(shuō)明書(shū)調(diào)試使用。同時(shí)應(yīng)注意，如果傳感器的額定載荷過(guò)大，輸出的微伏/分度信號(hào)過(guò)小，容易降低秤的靈敏度。對(duì)于在第二傳力聯(lián)桿中安裝S形傳感器的機(jī)電結(jié)合秤，應(yīng)注意：重新安裝傳感器后的聯(lián)桿長(zhǎng)度與原來(lái)的聯(lián)桿長(zhǎng)度一致。從另一方面說(shuō)，就是要保證第一傳力杠桿水平且聯(lián)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(zhǔn)確度和靈敏度。聯(lián)桿長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，將會(huì)出現(xiàn)"秤大"現(xiàn)象；過(guò)短，將會(huì)出現(xiàn)"秤小"現(xiàn)象。此時(shí)還應(yīng)注意，聯(lián)桿必須處于自由懸掛狀態(tài)，不可與其它物體摩擦，以免影響秤的靈敏度。機(jī)電結(jié)合秤在更換傳感器后的調(diào)試中，應(yīng)在機(jī)械秤調(diào)試準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上按稱(chēng)重顯示儀表說(shuō)明書(shū)進(jìn)行。無(wú)論是電子秤或機(jī)電結(jié)合秤，在更換傳感器后，都必須經(jīng)過(guò)檢定合格后方可使用。以上方案除了針對(duì)一般的稱(chēng)重傳感器有效外，還對(duì)S形傳感器有效。稱(chēng)重傳感器需要更換的情況在使用的時(shí)候經(jīng)常會(huì)遇到，只要按照上面的操作，即使更換傳感器也不會(huì)對(duì)測(cè)量造成影響。
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FUTEK QLA414 納米力傳感器，上下各一個(gè)獨(dú)特的 M1 螺紋。高分辨率，高精度，超高固有頻率，超低形變。小外型尺寸不會(huì)影響傳感器的性能，它符合FUTEK的最高精度標(biāo)準(zhǔn)，并符合我們所有產(chǎn)品的精度基準(zhǔn)。FUTEK QLA414力傳感器安裝方式靈活性，可以適應(yīng)不同的場(chǎng)景需...
2021-07-230
3xmaker合越智能
南京合越智能科技有限公司
踝關(guān)節(jié)假肢力傳感器
對(duì)于那些失去部分或全部肢體的人來(lái)說(shuō)，康復(fù)總是一個(gè)困難的過(guò)程。對(duì)于那些接受過(guò)脛骨截肢的人來(lái)說(shuō)，他們的假肢需要模擬脛骨、踝關(guān)節(jié)和足部。FUTEK與Humotech合作，選擇了一種可以適應(yīng)康復(fù)過(guò)程中個(gè)人步態(tài)的跨脛骨假肢的傳感器。通過(guò)將LCM200微型過(guò)孔測(cè)力傳感器與伺服驅(qū)動(dòng)的電纜...
2020-09-080
電氣新科技
媒體人,《電氣技術(shù)》雜志社有限公司,科技領(lǐng)域愛(ài)好者
一種新型的磁致伸縮力傳感器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高
省部共建電工裝備可靠性與智能化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（河北工業(yè)大學(xué)）、河北省電磁場(chǎng)與電器可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員李云開(kāi)、王博文、張冰，在2019年第17期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文（論文標(biāo)題為“鐵鎵合金的壓磁效應(yīng)與力傳感器的研究”），基于非線(xiàn)性壓磁方程，通過(guò)COMSOL有限元仿真平臺(tái)...
2019-11-201
百洲科技
百洲科技（廣州）有限公司
1051V沖擊力傳感器，1051V6 IEPE力傳感器
Dytran 1051V系列傳感器為一款I(lǐng)EPE型的沖擊力傳感器，頻率范圍寬廣，量程最高為 N。該系列沖擊力傳感器靈敏度范圍為1-500 mV/lbf，最大的拉力量程為2224 N。1051V系列傳感器為壓電IEPE，內(nèi)置電路芯片，這樣可以免去外部的電荷放大器和調(diào)...
2019-10-140
參考資料
1.
《中國(guó)大百科全書(shū)》總編委會(huì)．《中國(guó)大百科全書(shū)》：《中國(guó)大百科全書(shū)》出版社，2009
測(cè)力傳感器的原理：壓電式傳感器原理與測(cè)力應(yīng)用
精品
?
精品
?
壓電式傳感器原理與測(cè)力應(yīng)用
壓電式傳感器的工作原理以晶體的壓電效應(yīng)為理論依據(jù)。
壓電效應(yīng)分正、
逆
壓電效應(yīng)，利用正壓電效應(yīng)制作成了電勢(shì)型傳感器。壓電式傳感器具有體積小、
重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、動(dòng)態(tài)特性好、靜態(tài)特性差的特點(diǎn)。該傳感器多用
于加速度和動(dòng)態(tài)力或壓力的測(cè)量。
某些物質(zhì)在沿一定方向受到壓力或拉力作用而
發(fā)生改變時(shí)，
其表面上會(huì)產(chǎn)生電荷，
若將外力去掉時(shí)，
它們又重新回到不帶電的
狀態(tài)，
這種現(xiàn)象就稱(chēng)為正壓電效應(yīng)。
在壓電材料的兩個(gè)電極面上，
如果加以交流
電壓，
那么壓電片能產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，
即壓電片在電極方向上有伸縮的現(xiàn)象，
壓電
材料的這種現(xiàn)象稱(chēng)為電致伸縮效應(yīng)，
也叫做逆壓電效應(yīng)。
而具有壓電效應(yīng)的物體
稱(chēng)為壓電材料。常見(jiàn)的壓電材料有石英、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。
1.
石英晶體的壓電效應(yīng)
圖中所示為天然結(jié)構(gòu)的石英晶體，它是個(gè)六角形晶柱。在直角坐標(biāo)系中，
x
軸平行于正六面體的棱線(xiàn)，稱(chēng)為電軸或
1
軸；
y
軸垂直于六面體棱面，稱(chēng)為機(jī)械
軸或
2
軸；
z
軸表示其縱向軸，稱(chēng)為光軸或
3
軸。通常把沿電軸方向的力作用下
產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱(chēng)為縱向壓電效應(yīng)；
而把沿機(jī)械軸方向的力作用下產(chǎn)生電荷
的壓電效應(yīng)稱(chēng)為橫向壓電效應(yīng)，在光軸方向時(shí)則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。
從晶體上沿軸線(xiàn)切下的薄片稱(chēng)為晶體切片，
在每一切片中，
當(dāng)沿電軸方向加
作用力
x
F
時(shí)，則在與電軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷
x
Q
，它的大小為
x
Q
=
11
d
x
F
式中，
11
d
為壓電系數(shù)（
C/N
）
。
電荷
x
Q
的符號(hào)由
x
F
是受壓還是受拉而決定。
測(cè)力傳感器的原理：求測(cè)力傳感器的工作原理及定義？
測(cè)力傳感器的工作原理及定義
測(cè)力傳感器傳感器”在新韋式大詞典中定義為：“從一個(gè)系統(tǒng)接受功率，通常以另一種形式將功率送到第二個(gè)系統(tǒng)中的器件”。根據(jù)這個(gè)定義，傳感器的作用是將一種能量轉(zhuǎn)換成另一種能量形式，所以不少學(xué)者也用“換能器－Transducer”來(lái)稱(chēng)謂“傳感器－Sensor”。
傳感器安裝使用注意事項(xiàng):設(shè)計(jì)加載裝置及安裝時(shí)應(yīng)保證加載力的作用線(xiàn)與傳感器受力軸線(xiàn)重合，使傾斜負(fù)荷和偏心負(fù)荷的影響減至最小。按本說(shuō)明中的傳感器量程選定確定所用傳感器的額定載荷。傳感器外殼、保護(hù)蓋板、引線(xiàn)接頭均經(jīng)密封處理，用戶(hù)不準(zhǔn)打開(kāi)。為防止化學(xué)腐蝕．安裝時(shí)宜用凡士林涂抹傳感器外表面。應(yīng)避免陽(yáng)光直曬和環(huán)境溫度劇變的場(chǎng)臺(tái)使用在無(wú)法避免時(shí)應(yīng)加裝防護(hù)或緩解裝置。為防止大電流直接竄過(guò)傳感器本體而損壞傳感器禁止在傳感器安裝后進(jìn)行電焊作業(yè)，在萬(wàn)不得已時(shí)應(yīng)在傳感器加載裝置兩端加接銅編織線(xiàn)做的旁路器。
傳感器的電纜線(xiàn)應(yīng)遠(yuǎn)離強(qiáng)動(dòng)力電源線(xiàn)或有脈沖波的場(chǎng)所，無(wú)法避競(jìng)時(shí)應(yīng)把傳感器的電纜線(xiàn)單獨(dú)穿入鐵管內(nèi)，并盡量縮短連接距離。電纜線(xiàn)不宜自行加長(zhǎng)，在確實(shí)需加長(zhǎng)時(shí)應(yīng)在接頭處錫焊，并加防潮密封膠。在高度精度使用場(chǎng)合，應(yīng)使傳感器和儀表在預(yù)熱30分鐘后使用。傳感器應(yīng)放在干燥通風(fēng)無(wú)腐蝕性氣體的室內(nèi)。
傳感器工作原理的分類(lèi)物理傳感器應(yīng)用的是物理效應(yīng)，諸如壓電效應(yīng)，磁致伸縮現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應(yīng)。被測(cè)信號(hào)量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電信號(hào)?；瘜W(xué)傳感器包括那些以化學(xué)吸附、電化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象為因果關(guān)系的傳感器，被測(cè)信號(hào)量的微小變化也將轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
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不銹鋼材質(zhì)，IP67防護(hù)等級(jí)
按照 ISO 376 標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)定
長(zhǎng)期穩(wěn)定性好
此傳感器用于拉/壓力高精度測(cè)量,并可進(jìn)行力比對(duì)測(cè)量 .另外一個(gè)顯著特點(diǎn)是 創(chuàng)新性的補(bǔ)償方法能夠大大減少使彎矩和惻向力的影響.
NOS-W409力傳感器 同樣適合用于 工業(yè)場(chǎng)合, 一個(gè)傳感器可以用于多個(gè)量程,這樣可以節(jié)約大量時(shí)間,節(jié)省購(gòu)買(mǎi)多個(gè)傳感器的費(fèi)用. 傳感器的量程覆蓋范圍為 0...20kN 到 0...500kN.
