力感測器

力感測器（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。力感測器能檢測張力、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、壓力感測器等，在動力設備、工程機械、各類工作母機和工業自動化系統中，成為不可缺少的核心部件。

力感測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，合金鋼和不鏽鋼）。

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）。

基本介紹

• 中文名：力感測器
• 外文名：force sensor
• 類別：電子元件
• 組成：三個部分
• 主要分類：應變管式

力能夠產生多種物理效應，可採用多種不同的原理和工藝，針對不同的需要設計製造力感測器。力感測器主要有：（1）被測力使彈性體（如彈簧、梁、波紋管、膜片等）產生相應的位移，通過位移的測量獲得力的信號。（2）彈性構件和應變片共同構成感測器，應變片牢固貼上在構件表面上。彈性構件受力時產生形變，使應變片電阻值變化（發生應變時，應變片幾何形狀和電阻率發生改變，導致電阻值變化），通過電阻測量獲得力的信號。應變片可由金屬箔製成，也可由半導體材料製成。（3）利用壓電效應測力。通過壓電晶體把力直接轉換為置於晶體兩面電極上的電位差。（4）力引起機械諧振系統固有頻率變化，通過頻率測量獲取力的相關信息。（5）通過電磁力與待測力的平衡，由平衡時相關電磁參數獲得力的信息。

主要分類

應變管式

石英力感測器

在筒壁上貼有2片或4片應變片，其中一半貼在實心部分作為溫度補償片,另一半作為測量應變片。當沒有壓力時 4片應變片組成平衡的全橋式電路;當壓力作用於內腔時,圓筒變形成“腰鼓形”,使電橋失去平衡,輸出與壓力成一定關係的電壓。這種感測器還可以利用活塞將被測壓力轉換為力傳遞到應變筒上或通過垂鏈形狀的膜片傳遞被測壓力。應變管式壓力感測器的結構簡單、製造方便、適用性強，在火箭彈、炮彈和火炮的動態壓力測量方面有廣泛套用。

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，中心處徑向應變和切向應變均達到正的最大值，而邊緣處徑向應變達到負的最大值，切向應變為零。因此常把兩個應變片分別貼在正負最大應變處，並接成相鄰橋臂的半橋電路以獲得較大靈敏度和溫度補償作用。採用圓形箔式應變計(見電阻應變計)則能最大限度地利用膜片的應變效果。這種感測器的非線性較顯著。膜片式壓力感測器的最新產品是將彈性敏感元件和應變片的作用集於單晶矽膜片一身，即採用積體電路工藝在單晶矽膜片上擴散製作電阻條，並採用周邊固定結構製成的固態壓力感測器（見壓阻式感測器）。

應變梁式

測量較小壓力時，可採用固定梁或等強度梁的結構。一種方法是用膜片把壓力轉換為力再通過傳力桿傳遞給應變梁。圖3中兩端固定梁的最大應變處在梁的兩端和中點，應變片就貼在這些地方。這種結構還有其他形式，例如可採用懸樑與膜片或波紋管構成。

組合式

在組合式應變壓力感測器中，彈性敏感元件可分為感受元件和彈性應變元件。感受元件把壓力轉換為力傳遞到彈性應變元件應變最敏感的部位，而應變片則貼在彈性應變元件的最大應變處。實際上較複雜的應變管式和應變梁式都屬於這種型式。感受元件有膜片、膜盒、波紋管、波登管等，彈性應變元件有懸臂樑、固定梁、Π形梁、 環形梁、薄壁筒等。它們之間可根據不同需要組合成多種型式。 應變式壓力感測器主要用來測量流動介質動態或靜態壓力，例如動力管道設備的進出口氣體或液體的壓力、內燃機管道壓力等等。

提高力感測器精度 - 補償

溫度將會使4個應變片的應變信號（電阻）在相同方向和程度變化。因為兩個正向應變和兩個負向應變被列入等式，因此溫度將不會產生輸出信號。

力感測器補償

剩下微小的殘餘誤差可以通過連線到惠斯通電橋上特殊的鎳金屬來進行修正。

另外，應變片需要進行溫度對靈敏度的補償 (TCS)。等溫度變化時，材料的 E 模量 將會降低，導致產生應變。另外，應變片的靈敏度依賴於溫度。在高溫狀況下電阻的補償將產生更大的壓降。這將降低惠斯通電橋的輸出信號。

在負載狀態下，線性誤差 也將產生變化。這可以通過對彈性體材料和結構的最佳化以及選擇精確的測量點來完成。

圖 中 列出了補償方法的總結。除了以上描述的 TKzero 和 TCS,也可以通過調整對線性和靈敏度進行補償.

套用領域

稱重感測器形式的選擇主要取決於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，對於感測器製造廠家來講，它一般規定了感測器的受力情況、性能指標、安裝形式、結構形式、彈性體的材質等。
譬如鋁合金懸臂樑感測器適合於電子計價秤、平台秤、案秤等；鋼式懸臂樑感測器適用於電子皮帶秤、分選秤等；鋼質橋式感測器適用於軌道衡、汽車衡等；柱式稱重感測器適用於汽車衡、動態軌道衡、大噸位料斗秤等。
稱重感測器主要套用在各種電子衡器、工業控制領域、線上控制、安全過載報警、材料試驗機等領域。如電子汽車衡、電子台秤、電子叉車、動態軸重秤、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。

如何更換力感測器

在稱重感測器實際使用過程中，有時會遇到超載、衝擊等情況，造成感測器塑性變形，影響計量準確度，嚴重時，還會導致感測器損壞，無法正常使用，這時就需要更換感測器了。此時我們應當如何操作呢？更換的時候還需要注意哪些問題？下面專家就這個問題和大家分享一下。
稱重感測器能夠更換的前提是施加力的軸線與感測器的受力軸線重合，這是第一點。
隨著額定載荷的增大，稱重感測器輸出的微伏/分度信號是減小的，而不是隨著額定載荷的增大，輸出信號也增大。這一點往往被忽略。所以在更換感測器時，應儘可能用和原來一樣載荷的感測器。若想更換載荷稍大一點的，就要注意電子秤的稱重儀表量程是否可調:如果是不可調的舊式顯示儀表，會因為換成載荷較大的感測器，輸出的微伏/分度信號變小，不能滿量程輸出、顯示，撥碼調整達不到目的而不能使用；如果是量程可調的稱重感測器，換成載荷較大的感測器後，則可通過設定量程，按說明書調試使用。同時應注意，如果感測器的額定載荷過大，輸出的微伏/分度信號過小，容易降低秤的靈敏度。
對於在第二傳力聯桿中安裝S形感測器的機電結合秤，應注意：重新安裝感測器後的聯桿長度與原來的聯桿長度一致。從另一方面說，就是要保證第一傳力槓桿水平且聯桿與第一傳力槓桿垂直成90度角。如果有偏差，將直接影響秤的準確度和靈敏度。聯桿長度過長，將會出現"秤大"現象；過短，將會出現"秤小"現象。此時還應注意，聯桿必須處於自由懸掛狀態，不可與其它物體摩擦，以免影響秤的靈敏度。
機電結合秤在更換感測器後的調試中，應在機械秤調試準確的基礎上按稱重顯示儀表說明書進行。
無論是電子秤或機電結合秤，在更換感測器後，都必須經過檢定合格後方可使用。
以上方案除了針對一般的稱重感測器有效外，還對S形感測器有效。稱重感測器需要更換的情況在使用的時候經常會遇到，只要按照上面的操作，即使更換感測器也不會對測量造成影響。