力传感器在工程机械领域的原理与应用

　　所谓力传感器，是利用力敏感元件和转换元件及处理单元，将一个或多个力学量（张力、拉力、压力、重量、扭矩、内应力和应变等）转化为电信号输出（电压、电流、总线等）的器件。如今，力传感器已广泛用于现代科技与社会生产中。例如，测力传感器、扭矩传感器、多维力传感器等力学传感器，目前被广泛用于工程机械、农业机械、高空作业车、工业机器人、特种车辆等高标准机械设备上。

力传感器，资料图

　　力传感器的原理与应用

　　作为工程机械中不可缺少的核心安全部件，测力传感器是决定整个系统准确性和可靠性的关键基础部位，甚至是整个力控系统的心脏，其准确度、稳定性和可靠性，直接影响测量系统的计量性能。

　　其中，大多数通用力传感器内部采用的敏感元件都是应变片，其作为电导体牢固地附着在基底上。当基底被拉伸时，应变片将会变长。反之被压缩时，应变片将会缩短。结果是导致应变片 电阻产生变化。这就是应变测量原理，通过应变电阻产生变化来确定应变大小。

力传感器应变片原理，资料图

　　如上图所示，四个应变片组成惠斯通电桥，由于应变片牢固地黏贴在弹性体上，因此应变片将产生和弹性体一样的变形，这就导致电阻产生变化。惠斯通电桥输出信号将提供这些变形信息。这样一来，就可以计算出作用在应变片上的力的大小。这就是力传感器的工作原理。

　　具体来说，力传感器可将传感器与放大、运算以及其它物理量，如温度、压力、角度、加速度、振动等环节集成到一起，从而使使用者通过有线、无线、总线传输模式，直接读取或使用力值及其它物理量值变化，为高端机械设备应用提供全面安全保障。

　　以农业机械为例，近年来，黑龙江农垦系统引进的各种型号的拖拉机都装有不同种类的力传感器，在力调节、位调节和力位综合调节方面，均由力传感器监测并直接控制，充分显示了机器作业过程中的先进性和驾驶员操作的方便性。

测力传感器原理示意图，资料图

　　测力传感器的原理与应用

　　简单来说，测力传感器可将被测的非电量转换成电量输出 ,主要由敏感元件、转换元件、测量电路和辅助电源四部分组成。目前，在工程机械领域，应用较多的测力传感器是电阻应变片式测力传感器，简称电阻式测力传感器。在电阻应变片式测力传感器内部，电路一般是桥式电路。电阻作为转换元件，电阻阻值的变化最终以信号的形式输出。

测力传感器电路工作原理图

　　由于电阻式测力传感器有结构简单、线性和稳定性好、输出精度高等特点， 在实际中越来越受到重视。其采用的敏感元件是弹性测试元件，主体就是一个弹性体。其中，弹性体的结构形状与相关尺寸对测力传感器性能的影响极大。

　　测力传感器的用途主要是感知物体重量、拉力、张力或者扭力，将此信号传递给控制器，从而根据预设值设备响应后续动作。

　　例如，旋挖钻机上安装的销轴式力传感器，便是一种测力传感器，其主要作用就是钻杆触底保护，防止卷扬过放出现钢丝绳乱绳及加压过大导致断绳。简单理解就是，当旋挖钻机打桩的时候，钻杆触底或打桩加压过大，测力传感器会把力值变化反馈给控制器做出判断，进而控制钻机卷扬收放或停止钻机工作，防止出现安全事故和设备损坏。

旋挖钻机，资料图

　　国内力传感器市场与未来

　　如今，在全球范围内，我国机械工业规模已位于全球第一位，但存在大而不强、自主创新能力薄弱、核心技术与关键零部件对外依存度高等问题。现阶段，我国的力传感器技术与国外技术相比还存在着较大的差距，欧美微型及多维力智能传感器水平远超国内。

　　具体到力传感器市场，目前国内还是主要以HBM、托利多、ATI等进口品牌为主。相对而言，力传感器产业整体需求规模小又多样化，现在国内的高端力传感器公司品牌并不多。不过，对于力传感器来说，未来的发展前景广阔，微型集成化与智能化将是力传感器未来的发展方向及趋势。