在自動化抓取作業(yè)或者醫(yī)療手術(shù)中，有時需要感知并控制力的大小。

例如在機械手和醫(yī)療手術(shù)機器人中，力的感知就特別重要，力太大會造成物品損壞或者人身損害，力太小物品或者工具可能會掉落。

這時，力傳感器就凸顯其作用了。

那么力傳感器有哪些類型？分別是如何工作的？各有什么優(yōu)缺點？

我最近了解了一下，主流的力傳感器，就原理來說，大致分為應(yīng)變式，壓阻式，壓電式，電容式，電感式等。

今天我們先聊聊使用最多的應(yīng)變式力傳感器。

以后會慢慢分享其他類型的力傳感器。

01

應(yīng)變式力傳感器的構(gòu)成及工作原理

應(yīng)變式力傳感器有時也稱為應(yīng)變式稱重傳感器（Loadcell）。

在所有力傳感器中，應(yīng)變式力傳感器應(yīng)用最為廣泛，其使用量約占力傳感器總量的90％左右。

它能應(yīng)用于從極?。?-0.1N）到很大（100t）的動、靜態(tài)力的測量，且測量精度高。



稱重傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖：主要由彈性體，應(yīng)變片，電路板，加載按鈕等組成。

應(yīng)變式力傳感器是由彈性敏感元件和貼在其上的應(yīng)變片組成，應(yīng)變片在電路中充當電阻。

工作時，應(yīng)變式力傳感器首先把被測力轉(zhuǎn)變成彈性元件的應(yīng)變，此應(yīng)變作用于應(yīng)變片上，導(dǎo)致其電阻的變化，電阻變化會在系統(tǒng)中產(chǎn)生輸出電壓，從而測出力的大小。

懸臂應(yīng)變式稱重傳感器構(gòu)件示意圖。

彈性元件受力變形，及應(yīng)變計拉壓變形示意圖。

在上圖所示的的測力元件中，總共有四個應(yīng)變計，它們被連接到測力元件的上表面和下表面。

當負載如上所示施加到測力元件的主體上時，彈性構(gòu)件如圖所示發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并由于施加的應(yīng)力而在這些位置產(chǎn)生應(yīng)變。

因此，兩個應(yīng)變計處于壓縮狀態(tài)，而另兩個處于拉伸狀態(tài)，應(yīng)變計狀態(tài)的變化導(dǎo)致其電阻的變化。

拉伸時應(yīng)變片的電阻變大，壓縮時應(yīng)變片的電阻變小。

應(yīng)變片在電路中可以有不同的連接方式，應(yīng)變片的橋接和布置方式，對于提高傳感器的靈敏度和消除有害因素非常關(guān)鍵。

根據(jù)電橋的加減特性和彈性元件的受力特性，在貼片位置允許的情況下，可貼4片或者8片應(yīng)變片，其位置應(yīng)是彈性元件應(yīng)變最大的地方。

1/4，1/2，及全橋電路示意圖。

如上圖，四個應(yīng)變片配置為惠斯通電橋，應(yīng)變片在電路中充當電阻。

在一組角上施加激勵電壓（圖中VEX，通常為10V），測量其他兩個角之間的電壓差V0，來表征電阻的變化，電阻的變化和施加的力有特點關(guān)系，從而表征外力。

在沒有施加負載的平衡狀態(tài)下，當四個電阻器的值緊密匹配時，電壓輸出為零或非常接近零，這就是為什么它被稱為平衡電橋。

當連接應(yīng)變計的金屬構(gòu)件受到力的作用時，產(chǎn)生的應(yīng)變會導(dǎo)致一個或多個應(yīng)變片的電阻變化，電阻的這種變化導(dǎo)致輸出電壓的變化。

再將這種小毫伏電平信號放大到更高幅度的0-5V或0-10V信號之后，可以測量和數(shù)字化輸出電壓的這種小變化。

02 應(yīng)變式力傳感器的特點及應(yīng)用

彈性元件可以具有許多不同的形狀，包括簡單實心圓柱體、空心圓柱體、彎曲梁、剪切梁、S形梁、雙端剪切梁等。

S形稱重傳感器應(yīng)變片分布和拉伸壓縮示意圖。這種力傳感器具有高精度和薄梁特征，外形緊湊，非常適合在線處理和自動控制力反饋應(yīng)用。

S形稱重傳感器工作示意圖，含全橋電路及電阻變化示意圖，以及激勵電壓與輸出電壓之間的計算關(guān)系。

用于彈性元件的材料通常是工具鋼、不銹鋼、鋁合金或鈹銅。

最好的材料會在應(yīng)力和應(yīng)變之間表現(xiàn)出很大的線性關(guān)系，并且不隨時間明顯變化，施力時還必須具有高水平的重復(fù)性，以確保稱重傳感器是一個可靠的測量裝置。

為了實現(xiàn)這些特性，通常對材料進行特殊的熱處理，例如零度以下的熱處理循環(huán)，以獲得最大的穩(wěn)定性。

應(yīng)變式力傳感器因其精度高，價格低和易用而最受歡迎。它們對動態(tài)特性具有高速反應(yīng)，并且對溫度變化不敏感。

因為結(jié)構(gòu)用不銹鋼或鋁合金等制作，具有高堅固性。

稱重傳感器以其高精度而聞名，檢測范圍從10g到100t都有，這使其成為測試和測量應(yīng)用的主要工具。

校準良好的稱重傳感器精度可以到其滿量程的0.1%或以下。

FUTEK LSB200系列力傳感器，測量范圍0.1N-2.5N，毫克級分辨率。

Anyload，5t-100t應(yīng)變式力傳感器。

FUTEK：3mm*4mm超小納米力傳感器QLA414。

稱重傳感器由制造商精確校準，發(fā)生沖擊負荷或過熱等不良事件后，可能需要定期送出進行重新校準。

力傳感器校準，指尖的精度和準確性，1mg校準能力。傳感器具有零偏移，非線性，滯后，重復(fù)性，溫度偏移等特性，所以需要校準。

稱重傳感器主要應(yīng)用在在高精度工廠自動化，外科機器人，航空航天，稱重系統(tǒng)，材料拉壓測試等領(lǐng)域中。

審核編輯：劉清