第1期(总第118期)2003年3月山　西　机　械SHA NX I M A CHIN ERY N o.1M ar.文章编号:1008-8342(2003)01-0001-03测力传感器研究发展综述杨兆建,王勤贤(太原理工大学,山西　太原　030024)摘要:简述了传感器的发展简况,比较了力传感器基本类型及其优缺点,对电阻应变式测力(称重)传感器发展进行了评述,讨论了若干关键技术及研究热点。

关键词:传感器;发展;综述;研究中图分类号:P 212 文献标识码:A基金项目:山西省自然科学基金资助项目(20001040)收稿日期:2002-10-10作者简介:杨兆建(1955-),男,河北省人,工学博士,教授,博士生导师;王勤贤(1958-),女,山东省人,副教授。

1　传感器发展简况传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。

随着科学技术的发展,传感器技术在自动控制、机器人、机械设备工况监测与故障诊断等众多领域中发挥着越来越重要的作用,有人将传感器比作人的五官与皮肤是很恰当的。

传感器技术的发展建立在敏感机理、功能材料、制造工艺和计测技术四块基石之上,因而造成了传感器种类极其繁多。

按传感器的使用对象可分为长度、力学、湿度、频率、电量、磁性、光学、声学、射线、化学和生理量传感器,按传感器的工作原理又可分为结构型和物性型传感器。

结构型传感器的基本工作原理是基于构件的机械位移。

其主要大类有:电阻应变式、电位器式、电容式、电感式、变压器式、电涡流式、电动式、谐振式等传感器。

结构型传感器是早期工业用传感器,虽有体积大、耗材多、速度慢等缺点,但由于工艺成熟、牢固可靠、价格低廉,仍然有广阔的应用前景。

目前总的发展趋势是以微电子技术和计算机技术改造传统的结构型传感器,使之成为新兴的复合型传感器。

如电阻应变式传感器采用弹性元件和应变计一体化的合金膜压力传感器。

利用微电子技术将电容式传感器的极距减小到几个L m ,从而提高传感器的性能,利用大规模集成电路将测量线路封装在传感器壳体内,可消除电缆电容的影响。

以石英晶体为弹性体的谐振式传感器也是以微电子技术改造的一个例子。

物性型传感器的工作原理是基于构成传感器的功能材料在外界物理量、化学量、生物量的作用下性质发生的变化。

物性型传感器的发展方向概括地说是微结构化、薄膜化、集成化、智能化,以陶瓷为功能材料的传感器,传感器的微粉工程和微观结构工程等。

从现代科学发展的观点来看,所谓结构型传感器和物性型传感器的界面将会十分模糊,两类传感器各有优缺点,两者有机地结合应是传感器重要发展方向之一。

2　力传感器基本类型及其优缺点比较力学量传感器包括力、力矩、振动、转速、加速度、质量、流量、硬度和真空度等传感器。

按照用途力传感器又可分为力、称重(衡器)和压力传感器。

按照工作原理力传感器又可分为电阻式(应变式、压阻式和电位器式)、电感式(压磁式)、电容式、磁电式(霍尔式)、压电式、表面声波(Sur face Aco ustic Wave 简写为SAW )、光纤、薄膜(连续膜)力传感器等。

电阻应变式传感器是利用金属丝在外力作用下发生机械变形时,其电阻值将发生变化这一金属的电阻应变效应,将被测量转换为电量输出的一种传感器。

压阻式传感器是利用半导体材料在应力作用时,其电阻率会发生明显变化的压阻效应,将被测量转换为电量输出的一种传感器。

电位器式传感器的基本工作原理是将电刷相对于电阻元件的运动转换为与其成一定函数关系的电阻或电压输出。

电阻式传感器结构简单、性能稳定、灵敏度较高、性能价格比好、抗干扰能力强,在机械量和几何量测量领域中应用十分广泛。

压磁式传感器是利用铁磁材料在外力作用下其内部产生的应力使铁磁材料的导磁率发生变化的压磁效应,把作用力变换成电量输出。

压磁式传感器具有输出功率大、抗干扰能力强、过载性能好、结构与电路简单、能在恶劣环境下工作和寿命长等优点,不足之处是测量精度不高、反应速度低等,较适合于重工业行业。

电容式传感器是可将压力等被测量的变化转换成电容量变化的一种传感器。

电容式传感器具有结构简单、灵敏度高、分辨率高、动态响应好、能在恶劣环境下工作、能实现非接触测量等优点,但存在抗干扰能力差和寄生电容问题,电容式传感器可用于压力测量,但更适合于位移测量。

霍尔式传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原理将压力等被测量转换成电动势输出的一种传感器。

霍尔式传感器虽然转换效率较低、温度影响大,但其结构简单、体积小、频率响应宽、无触点、使用寿命长、可靠性高,故在测量技术(压力、位移)中得到广泛的应用。

压电式传感器的工作原理是以某些物质(如石英等单晶体和人造压电陶瓷等多晶体)的压电效应为基础,将压力等被测量转换为电信号输出的滑动式传感器。

压电式传感器的压电转换元件是一种典型的力敏元件,具有自发电和可逆两种重要性能,且体积小、结构简单、工作可靠、固有频率高、灵敏度和信噪比高等优点,其主要缺点是无静态输出。

SAW传感器是基于SA W器件构成的振荡器的频率随着压力等被测量的变化来实现对被测量的检测的。

SAW传感器主要优点是高精度、高灵敏度,与微处理器相连,接口和结构工艺简单,主要用作压力传感器和加速度传感器。

光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器,使压力等待测参数与进入调制区的光相互作用后,导致光的光学性质发生变化,成为被调制的信号光,再经过光纤送入光探测器,经解调器解调后,获得被测参数。

光纤传感器具有灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、可挠性、以及可实现不带电的全光型探头等独特的优点,除可应用于压力、加速度等物理量测量外,还可进行电、磁、声、射线和气体等物理量的测试。

薄膜电阻应变式传感器由淀积在需要测量的表面上的压电电阻薄膜组成,其工作原理与电阻应变式传感器相同,主要应用于压力传感器上。

目前,基于测力传感器的测力技术应用范围之广,可以从它们的测量范围之宽来推断。

在大力值方面,测量轧钢机轧制力的传感器上限已达60MN,测量材料性能的巨型试验机已达100M N;而在微小力值方面,生物力学中动物肌肉纤维的拉力仅为若干个10nN (1L gf)。

测力范围的两端之比为1015量级。

无论在建筑、地质、石油开采、金属加工、航空航天、机器人领域,还是在体育、医疗方面无不存在测力传感器的应用。

在不同工作原理的测力传感器中,电阻应变式传感器以其优越的性能价格比和抗干扰能力在机械量测量技术领域得到广泛应用,并成为发展测力与称重的主流。

从上世纪80年代至今,在国内外所举行的各种有关测力与称重的学术会议及举办的传感器展览会上,80%的论文和展品都离不开电阻应变式传感器,国内负荷传感器有95%以上是应变式的。

不仅如此,它还步入具有计量学精度的领域。

3　电阻应变式测力(称重)传感器发展概况3.1　发展过程电阻应变式测力(称重)传感器历经几十年的发展历程,其主要理论和生产技术已趋成熟,在质量和性能方面已达到一定的水准。

电阻应变式测力(称重)传感器由于性能好、结构简单、信号易于传输和控制,其应用十分广泛。

据估计,1990年美国年产约100万只,日本年产约50万只,我国约5万只。

电阻应变式测力(称重)传感器总的发展过程大致可划分为以下三个阶段: 3.1.1　完善和提高基本性能阶段基本性能包括直线度、滞后、重复性、蠕变、灵敏度及其允差、灵敏度稳定性、温度对零点输出和灵敏度的影响、过载特性等,国外大多数产品的性能指标约在0.1%～0.02%的水平,我国生产的传感器大部分性能指标约在0.5%～0.05%的水平,有些性能指标(如蠕变、长期稳定性等)在上世纪80年代后期才开始规定。

3.1.2　确保产品具有优良的稳定性阶段为确保传感器产品满足实际使用的要求,当传感器性能指标达到一定程度后,将研究重点放在实用效果上,着眼提高产品的稳定性和环境适应性。

3.1.3　为用户降低传感器的成本阶段该阶段的主要任务是降低传感器的成本、便于用户安装、减少维护等。

有关专家认为先进国家的传感器生产状况属于基本完成前两阶段而向第三阶段发展,我国正处于逐渐完善第一阶段工作,已开展第二阶段工作。

3.2　发展特点近些年来,随着市场对传感器需求层次的提高,传感器设计、制造、检验技术的更新以及国际通行质量保证体系在生产管理过程中的引入,使这一传统传感器的品质发生了重大变革。

其中一些有代表的发展特点如下:3.2.1　应用性与技术集成一体性目前,无论从用户的需求还是应变式传感器本身的工作特性来看,大幅度提高测量准确度的必要性和可能性已相对减弱,但解决其在应用过程中可能出现的问题是近来传感器发展的一个突出特点。

所谓应用性与技术集成一体性是指以传感器的研究应用为目的,提高传感器的技术集成一体性。

如美国最大的称重传感器生产厂家ST S公司首创的65058T SA一体化・2・山西机械 2003年第1期　称量组件传感器,将传感器、安装底垫、承载压头与承载平台进行了技术密集型组合,有效降低了其在作为衡器的应用过程中出现问题的可能性。

3.2.2　可靠性、长期稳定性传感器的可靠性、长期稳定性一直是国内外各传感器生产厂家多年来致力于解决的主要技术关键。

3.2.3　环境适应性对于高温、潮湿、腐蚀性强等环境,提高传感器的环境适应性是保证传感器可靠性、长期稳定性的前提条件。

一般采用有效的密封手段,可提高传感器防腐能力。

3.2.4　新型结构设计传感器结构设计主要有两方面的目的,一方面是采用新的结构型式,得到性能优良的传感器,如双端剪切桥式传感器具有准确度高、抗侧载能力强、型面低、沿受力方向热膨胀小、易于组成一体化组件等特点,在中、大称量领域(如汽车衡、轨道衡等)正逐步代替其它结构(如柱式)传感器,逐渐成为市场上的主导产品;另一方面是利用新的结构型式,提高传感器的环境适应性,如美国STS公司的60060型平台式传感器采用了独特的内凹梁结构,将应变计粘贴于应变梁内侧,进而使多层密封技术得以应用,提高了传感器对潮湿的防护能力。

此外,在新型结构设计中普遍采用CAD技术。

3.2.5　新的加工技术随着高精密数控加工系统在传感器制造领域的应用,在一块钢材上加工出特殊结构的传感器成为可能,如整体型多柱式传感器,其性能优于组装式多柱式传感器。

3.2.6　质量保证体系国外一些大型传感器厂家均在生产过程中全面系统地引入了ISO9000质量保证体系,对每一生产工序、岗位和检验环节都制定了严密、完整、详细的操作程序,从而保证了传感器的制造质量。

3.2.7　多维力测量传感器多维力测量传感器的发展比较引人注目,在机器人、金属切削、微机械系统、电脑智能笔、体育等许多领域中研制了不少新型多维力测量传感器。

如日本、德国等国家研制的机器人多维视觉传感器,美国Dr aper试验室研制的竖梁结构Waston六维力/力矩传感器,美国斯坦福大学人工智能研究所设计的横梁结构Scheinman六维力/力矩传感器,瑞士KIST LER公司推出的用于机床的三维力测量传感器相关误差≤4%。