在自動化抓取作業或者醫療手術中，有時需要感知并控制力的大小。

例如在機械手和醫療手術機器人中，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變式力傳感器。

以后會慢慢分享其他類型的力傳感器。

01

應變式力傳感器的構成及工作原理

應變式力傳感器有時也稱為應變式稱重傳感器（Loadcell）。

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

它能應用于從極小（0-0.1N）到很大（100t）的動、靜態力的測量，且測量精度高。



稱重傳感器內部結構示意圖：主要由彈性體，應變片，電路板，加載按鈕等組成。

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

工作時，應變式力傳感器首先把被測力轉變成彈性元件的應變，此應變作用于應變片上，導致其電阻的變化，電阻變化會在系統中產生輸出電壓，從而測出力的大小。

懸臂應變式稱重傳感器構件示意圖。

彈性元件受力變形，及應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，彈性構件如圖所示發生偏轉，并由于施加的應力而在這些位置產生應變。

因此，兩個應變計處于壓縮狀態，而另兩個處于拉伸狀態，應變計狀態的變化導致其電阻的變化。

拉伸時應變片的電阻變大，壓縮時應變片的電阻變小。

應變片在電路中可以有不同的連接方式，應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鍵。

根據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片應變片，其位置應是彈性元件應變最大的地方。

1/4，1/2，及全橋電路示意圖。

如上圖，四個應變片配置為惠斯通電橋，應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系，從而表征外力。

在沒有施加負載的平衡狀態下，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。

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

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，可以測量和數字化輸出電壓的這種小變化。

02 應變式力傳感器的特點及應用

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。

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

為了實現這些特性，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，以獲得最大的穩定性。

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

因為結構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，重復性，溫度偏移等特性，所以需要校準。

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

審核編輯：劉清