力傳感器在工程機(jī)械領(lǐng)域的原理與應(yīng)用

　　如今，力傳感器已廣泛用于現(xiàn)代科技與社會(huì)生產(chǎn)中。例如，測(cè)力傳感器、扭矩傳感器、多維力傳感器等力學(xué)傳感器，目前被廣泛用于工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、高空作業(yè)車、工業(yè)機(jī)器人、特種車輛等高標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械設(shè)備上。
　　作為工程機(jī)械中不可缺少的核心安全部件，測(cè)力傳感器是決定整個(gè)系統(tǒng)準(zhǔn)確性和可靠性的關(guān)鍵基礎(chǔ)部位，甚至是整個(gè)力控系統(tǒng)的心臟，其準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性和可靠性，直接影響測(cè)量系統(tǒng)的計(jì)量性能。
　　其中，大多數(shù)通用力傳感器內(nèi)部采用的敏感元件都是應(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)變電阻產(chǎn)生變化來確定應(yīng)變大小。
　　如上圖所示，四個(gè)應(yīng)變片組成惠斯通電橋，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，這就導(dǎo)致電阻產(chǎn)生變化?；菟雇姌蜉敵鲂盘?hào)將提供這些變形信息。這樣一來，就可以計(jì)算出作用在應(yīng)變片上的力的大小。這就是力傳感器的工作原理。
　　具體來說，力傳感器可將傳感器與放大、運(yùn)算以及其它物理量，如溫度、壓力、角度、加速度、振動(dòng)等環(huán)節(jié)集成到一起，從而使使用者通過有線、無線、總線傳輸模式，直接讀取或使用力值及其它物理量值變化，為高端機(jī)械設(shè)備應(yīng)用提供全面安全保障。
　　以農(nóng)業(yè)機(jī)械為例，近年來，黑龍江農(nóng)墾系統(tǒng)引進(jìn)的各種型號(hào)的拖拉機(jī)都裝有不同種類的力傳感器，在力調(diào)節(jié)、位調(diào)節(jié)和力位綜合調(diào)節(jié)方面，均由力傳感器監(jiān)測(cè)并直接控制，充分顯示了機(jī)器作業(yè)過程中的先進(jìn)性和駕駛員操作的方便性。
　　簡(jiǎn)單來說，測(cè)力傳感器可將被測(cè)的非電量轉(zhuǎn)換成電量輸出 ,主要由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、測(cè)量電路和輔助電源四部分組成。目前，在工程機(jī)械領(lǐng)域，應(yīng)用較多的測(cè)力傳感器是電阻應(yīng)變片式測(cè)力傳感器，簡(jiǎn)稱電阻式測(cè)力傳感器。在電阻應(yīng)變片式測(cè)力傳感器內(nèi)部，電路一般是橋式電路。電阻作為轉(zhuǎn)換元件，電阻阻值的變化最終以信號(hào)的形式輸出。
　　由于電阻式測(cè)力傳感器有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、線性和穩(wěn)定性好、輸出精度高等特點(diǎn)， 在實(shí)際中越來越受到重視。其采用的敏感元件是彈性測(cè)試元件，主體就是一個(gè)彈性體。其中，彈性體的結(jié)構(gòu)形狀與相關(guān)尺寸對(duì)測(cè)力傳感器性能的影響極大。
　　測(cè)力傳感器的用途主要是感知物體重量、拉力、張力或者扭力，將此信號(hào)傳遞給控制器，從而根據(jù)預(yù)設(shè)值設(shè)備響應(yīng)后續(xù)動(dòng)作。
　　例如，旋挖鉆機(jī)上安裝的銷軸式力傳感器，便是一種測(cè)力傳感器，其主要作用就是鉆桿觸底保護(hù)，防止卷?yè)P(yáng)過放出現(xiàn)鋼絲繩亂繩及加壓過大導(dǎo)致斷繩。簡(jiǎn)單理解就是，當(dāng)旋挖鉆機(jī)打樁的時(shí)候，鉆桿觸底或打樁加壓過大，測(cè)力傳感器會(huì)把力值變化反饋給控制器做出判斷，進(jìn)而控制鉆機(jī)卷?yè)P(yáng)收放或停止鉆機(jī)工作，防止出現(xiàn)安全事故和設(shè)備損壞。
　　如今，在全球范圍內(nèi)，我國(guó)機(jī)械工業(yè)規(guī)模已位于全球第一位，但存在大而不強(qiáng)、自主創(chuàng)新能力薄弱、核心技術(shù)與關(guān)鍵零部件對(duì)外依存度高等問題。現(xiàn)階段，我國(guó)的力傳感器技術(shù)與國(guó)外技術(shù)相比還存在著較大的差距，歐美微型及多維力智能傳感器水平遠(yuǎn)超國(guó)內(nèi)。
　　具體到力傳感器市場(chǎng)，目前國(guó)內(nèi)還是主要以HBM、托利多、ATI等進(jìn)口品牌為主。相對(duì)而言，力傳感器產(chǎn)業(yè)整體需求規(guī)模小又多樣化，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的高端力傳感器公司品牌并不多。不過，對(duì)于力傳感器來說，未來的發(fā)展前景廣闊，微型集成化與智能化將是力傳感器未來的發(fā)展方向及趨勢(shì)。