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力傳感器在工程機械領域的原理與應用

作者: 長沙諾賽希斯 來源: www.zqvnwm.live 時間:2019-06-12 14:10 :46
  如今,力傳感器已廣泛用于現代科技與社會生產中。例如,測力傳感器、扭矩傳感器、多維力傳感器等力學傳感器,目前被廣泛用于工程機械、農業機械、高空作業車、工業機器人、特種車輛等高標準機械設備上。
力傳感器的原理與應用
  作為工程機械中不可缺少的核心安全部件,測力傳感器是決定整個系統準確性和可靠性的關鍵基礎部位,甚至是整個力控系統的心臟,其準確度、穩定性和可靠性,直接影響測量系統的計量性能。
  其中,大多數通用力傳感器內部采用的敏感元件都是應變片,其作為電導體牢固地附著在基底上。當基底被拉伸時,應變片將會變長。反之被壓縮時,應變片將會縮短。結果是導致應變片 電阻產生變化。這就是應變測量原理,通過應變電阻產生變化來確定應變大小。
沖擊力傳感器
力傳感器應變片原理,資料圖
  如上圖所示,四個應變片組成惠斯通電橋,由于應變片牢固地黏貼在彈性體上,因此應變片將產生和彈性體一樣的變形,這就導致電阻產生變化。惠斯通電橋輸出信號將提供這些變形信息。這樣一來,就可以計算出作用在應變片上的力的大小。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、運算以及其它物理量,如溫度、壓力、角度、加速度、振動等環節集成到一起,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,為高端機械設備應用提供全面安全保障。
  以農業機械為例,近年來,黑龍江農墾系統引進的各種型號的拖拉機都裝有不同種類的力傳感器,在力調節、位調節和力位綜合調節方面,均由力傳感器監測并直接控制,充分顯示了機器作業過程中的先進性和駕駛員操作的方便性。
沖擊力傳感器
測力傳感器原理示意圖,資料圖
測力傳感器的原理與應用
  簡單來說,測力傳感器可將被測的非電量轉換成電量輸出 ,主要由敏感元件、轉換元件、測量電路和輔助電源四部分組成。目前,在工程機械領域,應用較多的測力傳感器是電阻應變片式測力傳感器,簡稱電阻式測力傳感器。在電阻應變片式測力傳感器內部,電路一般是橋式電路。電阻作為轉換元件,電阻阻值的變化最終以信號的形式輸出。
沖擊力傳感器
測力傳感器電路工作原理圖
  由于電阻式測力傳感器有結構簡單、線性和穩定性好、輸出精度高等特點, 在實際中越來越受到重視。其采用的敏感元件是彈性測試元件,主體就是一個彈性體。其中,彈性體的結構形狀與相關尺寸對測力傳感器性能的影響極大。
  測力傳感器的用途主要是感知物體重量、拉力、張力或者扭力,將此信號傳遞給控制器,從而根據預設值設備響應后續動作。
  例如,旋挖鉆機上安裝的銷軸式力傳感器,便是一種測力傳感器,其主要作用就是鉆桿觸底保護,防止卷揚過放出現鋼絲繩亂繩及加壓過大導致斷繩。簡單理解就是,當旋挖鉆機打樁的時候,鉆桿觸底或打樁加壓過大,測力傳感器會把力值變化反饋給控制器做出判斷,進而控制鉆機卷揚收放或停止鉆機工作,防止出現安全事故和設備損壞。
沖擊力傳感器
旋挖鉆機,資料圖
國內力傳感器市場與未來
  如今,在全球范圍內,我國機械工業規模已位于全球第一位,但存在大而不強、自主創新能力薄弱、核心技術與關鍵零部件對外依存度高等問題。現階段,我國的力傳感器技術與國外技術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超國內。
  具體到力傳感器市場,目前國內還是主要以HBM、托利多、ATI等進口品牌為主。相對而言,力傳感器產業整體需求規模小又多樣化,現在國內的高端力傳感器公司品牌并不多。不過,對于力傳感器來說,未來的發展前景廣闊,微型集成化與智能化將是力傳感器未來的發展方向及趨勢。
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