用于灵活设计的力传感器

2011-03-01 22:14:14来源: 互联网
近年来,由于客户需求的变化和恶劣的经济形势等因素的影响,迫使OEM生产商必须生产出更纤巧、更经济实惠的产品。这也令设计师必须研发出能满足日益狭小空间需求的部件。在这种困难的情况下,即使如力传感器这样的微小元件也会对是否能成功开发解决方案产生非常大的影响。一种专利的灵活而精确的薄膜力传感器可被用来满足低成本、外形要求简单的压力测量解决方案。该项独特的技术彻底消除了工程师在设计流线型产品时遇到的多项挑战。

大多数工程师对各种类型的力传感器都很熟悉。这些装置被运用于
机器人、工业设备、汽车安全系统和许多其他领域。最广为所知的测力传感器是负载单元。他们通过采用不同的技术来感知负载。应力计、压电元件、可变电容是被广泛应用的几种手段。

然而,负载单元自身存在一些缺陷,特别是在测量重量和尺寸都高于平常水平的情况下。负载单元就显得有些笨重。当涉及测量一些重量较轻的物件时,负载单元可能会得出比物件本身更重的读数。有些类型的负载单元因其内部元件具有类似弹簧的属性,因此在某些应用中可能会发出嗡嗡声。

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图1、FlexiForce传感器基本上就是电阻器,根据电导率和外加负载而线性变化

近些年来,市面上出现了一种不同类型的力传感器,这种设备通称为触觉传感器。这种产品得名于它们经常被用在机器人的手部,用来轻微接触和触碰。但是触觉传感器的应用范围远不止用在拟人仿真机器人上。它们基于柔性电路材料制作,所以能够具备纤薄、轻巧、柔性(合理范围内)的特点。这种性能拓宽了它的应用范围,比如安装在螺栓下,在技工扳紧螺母的同时可感应负载大小,或者直接通过夹持界面测量两个滚筒之间的受力。

尤其值得一提的是一种触觉传感器——针对需要简单外形的测力装置的应用需求而开发,即使需要加一个变送器也同样经济。这种FlexiForce传感器由一块特殊的、专利的压阻材料夹层,外加两块内侧带有银质印刷导体的柔性聚合物组成。该导体路径组成了电气连接和外部电路。该种传感器像纸一样薄,厚度只有大约0.008英寸。

聚焦多功能性

FlexiForce传感器由Tekscan公司生产,实际上是电导率与负载变化呈高度线性关系的电阻元件。在没有负载的状况下,电阻值非常之大,可以说基本上是一个开放式电路。随着负载增加,电阻值开始下降,最后可以达到10千欧或更低的水平,需要根据实际情况决定。输出量通过导电性与负载之间的关系得以表示,具备高度线性(线性误差<±3%)。相对来说,外部电路将输出量转换成线性模拟电压很简单。

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图2、Tekscan公司生产各种类型的矩阵传感器,通常与相关的专利软件、
电子产品一起使用,用以某一区域的实时压力分布记录。

FlexiForce传感器目前以同一标准形状来为客户提供概念测试和验证,提供多种不同长度的产品。但是,这些传感器也可以根据OEM 的应用需求采用相对简单的自定义组装。

类似的,这些传感器的力范围也可以自定义。他们对负载非常敏感。一个FlexiForce传感器能够感测只有5克重的物体,虽然生产商建议负载要占据感测区域面积的80%,其重量达到40克或以上,以便得到最好的测试结果。通过调节它的外部驱动电路实现调整传感器的动态范围也是可能的。这些调节方式都如打开一个开关般简单。

市面上还有不同标准形态和大小的矩阵传感器。这种类型的传感器通常被称作传感器垫,其感测区域最小可达0.0009平方英寸,最大能达到256平方英寸。此类封装被考虑用于压力分布测量系统,被用来与Tekscan公司的专利电子产品和软件配套使用,以显示传感器表面负载的压力分布情况。它们多被用于研发、测试和控制及质量监控方面。

性能对比

将FlexiForce传感器与其他类别的触觉传感技术对比,其中有一种设计采用了和FlexiForce传感器类似的电阻材料,夹在柔韧的塑料片之间,在同一基板上都安置了导电区域。需要注意的一点就是传输依靠传感区域的力传导。同样的负载施加在更大面积传感区域上时,相比作用于更小面积的传感区域时,读数更小。这样看来,这种传感器与其说是力传感器,不如说是压力传感器。

另一种触觉传感器使用电容作为感应机制。一种典型的方式就是将横纵两块电极重叠起来,中间由弹性介质间隔开来。通过按压横纵两块电极之间的介质减少了空间,并提供同位移成正比的反馈信号。

电阻式触觉传感器的一个难题就是它们通常需要通过高频率的交流信号驱动,这是因为作用力与位移变化相对较小,电容变化同样也是如此。电子产品需要将电阻转换成电压变化,这个过程比较复杂。相比较而言,FlexiForce传感器由直流电驱动。它们能与Tekscan公司生产的经济型负载与力感测系统(ELF)配合使用,以高达5.7千赫的速率采样和记录数据。

简单的驱动电路加上超薄的外形使得FlexiForce传感器成为众多领域的首选解决方案。标准版的感测区域是一个直径为0.375 英寸的圆形区域。在许多情况下,设计师会先通过一个标准的传感器的原型来证明是否可行,然后设计一个自定义版本。自定义传感器有几乎任何形状,甚至是不规则外形的。如果实际应用需要的话,传感器也可以连接到更硬的基板,如硬塑料或金属。

FlexiForce传感器依据负载大小分成三个规格:0-1 lbs、0-25 lbs、0-100lbs。即使达到负载10000 psi(塑胶极限值),也不会对传感器造成损伤。为了测试范围之间和之外的压力,可以安装一个简单的运算放大器电路。通过调整运算放大器电路上的反馈电阻,或者调整传感器的驱动电压,各个方向的受力范围均能精确调大到10倍,使得在特定受力范围也能记录读数。

应用评估

轻便的体积,小巧的尺寸并不是应用FlexiForce传感器的唯一原因。耐用性对Sensor Wireless公司来说是很关键的一个因素,Sensor Wireless公司是加拿大一家采用无线监控设备的大型制瓶企业。为了帮助他们的客户在生产中减少瓶子的破损,Sensor Wireless需要一个定制的力传感器安装到他们的系统中,来确定生产线的轨道、机器人夹钳和邻近的瓶子作用在瓶身上的力。

每当Sensor Wireless公司的客户拿到一个定单的时候,他们总会向咨询Sensor Wireless公司咨询有关瓶子与传感器的问题。生产和研发总监TomMacDonald解释说,传感器安装在瓶子的周围,并与一个无线转换设备相连。这项专利电子产品使得在瓶子内部安装无线设备成为可能。所测瓶子上的受力读数通过FlexiForce传感器上的射频信号发送到手持的掌上设备上,因此操作员可以实时监控负载状况。

在为客户定制一个FlexiForce传感器之前,有很多的线路调试需要工作人员去摸索。MacDonald继续解释到:“但是现在,操作员只需要将测试评通过设定的生产线5到10次就能得到力传输档案。操作员对剩下的生产线做同样的测试过程,既能很快地找出问题并调整相关的设备。这种监控设备减少了很多停工时间,因为设备调整只需要几分钟就能完成。”

制瓶生产线以每分钟传输1200个瓶子的速度运转。在这样高速生产的情况下,很容易发生瓶子的碰撞和摩擦,和其他一些操作问题。MacDonald表示只有耐用型的传感器才能担当重任。Sensor Wireless公司的一些客户已经使用这款设备2年半至3年的时间。

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图3、一个FlexiForce薄膜传感器被包裹在测试瓶的周围,感应侧壁受力。
而其内部的电子产品就会将数据无线传输到操作人员的手持机器上,这
样他们就可以实时地看到操作结果。

耐用性对SSI Wireless公司来说也是相当重要的,SSI Wireless公司是美国一家工程技术公司,也是SSI工业嵌入式系统的业务部门。据公司总裁MicheleMordacq所说,最近有一个项目是将一个无线库存管理系统安装到一家超市的货架上,该系统用到了为客户定制的一个单点传感器。当货架空的时候,系统就会自动发送一封邮件给管理人员,说明哪些货物需要重新上架。

Mordacq说:“在向很多传感器生产商咨询的时候,我们喜欢单点传感器现货,因为这样我们可以随时购买,组装一个测试样本,检测这个系统是否能很好的运行。对于用在库存管理中的设备,若采用医疗用的高精度设备就会花费很多。而那样的高精度水准在这里不需要。只要负载力控制在几盎司,就够用了。称重传感器太大了,因为他们内部安装了操控系统。”

Mordacq表示,薄膜传感器也为用户减少了成本支出,比如维护费用。因为该设备可以远程遥控,可以尽快地采取纠正措施。Mordacq进一步解释说到,派出技术人员去现场查看压力、温度、电机运转是很平常的事情。而用这个产品就不需要这样做了,既节约了时间也节省了开支。因此,SSI Wireless公司将FlexiForce传感器与无线技术结合,生产出一种远程遥控的诊断设备。Tekscan公司与之合作,逐一解决了研发过程中的问题。

Mordacq还说,更多地与力传感器制造商沟通非常重要,因为这样的合作会让设计师接触到不熟悉的学科。比如,机械工程师可能会越来越多的处理电子学方面的问题。

“Tekscan公司与我们合作,一起将经济型负载与力感测系统(E L F)转换成一种无线装备,”Mordacq继续说,“我们带来了在无线通讯中的工作经历,以及开发Windows桌面程序的经验。我们两家公司仍会继续合作,其中最近的一个项目就是上面提到的无线货架库存系统。”

瑞士的一家工程公司Cervitrol表示,缩短客户下单到产品完工的期限对OEM制造商来说是很重要的。他们最近的一个仪器是用来检测商业打印设备中的钢板和橡胶板之间的压力。这个仪器能让操作员实时检测到受力情况,尽快相应地调整设备。

“我们在过去的工作中已经使用了很多标准而灵活的传感器,所以对于它超大的使用范围和完美的精确性都很熟悉,”设计工程师Thomas Eisner说到,“但是这个仪器的设计需要与传感器制造商紧密合作。它需要用到比标准型号更小的感测区域,因此我们得事先确认这么小的区域范围是否能感测力度。这个传感器的传输范围在10到100psi,并需要在表面一条直线的范围传输压力。通过8个星期的沟通协作,我们拿到了定制的传感器,制造方为我们排疑解难,让我们能尽快地完成产品的开发。”

结论

美好源自小巧,正如越来越多的OEM制造商开始采用灵活、精准的薄膜压阻式力传感器(FlexiForce)就是证明。这种传感器体积小,灵活耐用,可以被很运用到很多设计中。OEM厂商发现这种低成本、可大量生产的传感器方便他们提高生产样品的效率。耐久的设计也让最终的成品性能卓越:电阻范围广,高度的线性关系,低漂移,低功率。此外,用户友好的、单片式的传感器不需要很复杂的电子设备获取输出。

基于上述众多优点,OEM厂商可以在很多领域运用这项技术。他们会发现FlexiForce传感器在开发更小巧、更灵活的产品中起到了关键的作用。

关键字:设计  传感器

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/MEMS/2011/0301/article_640.html
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