力传感器基础知识
探秘对了解力传感器很重要的基本概念，并讨论关键性能特征和环境考虑因素。
特征
压力传感器和拉力传感器
力传感器能够测量力，而力的类型（压缩或拉伸）则驱动了设计、安装和应用选择。
- 压力式力传感器能够测量由于载荷推向它们而产生压缩力时的力。这在卡车和工业平台或储罐称重中很常见，其中力传感器安装在支撑结构或平台下方。
- 优势：
- 静态载荷安装简单
- 提供高容量选项
- 错误风险：
- 载荷分布不均匀
- 优势：
- 张力传感器能够测量载荷从力传感器上拉开而产生拉力时的力。这些力传感器常用于起重机秤监控和电缆张力测量，其中力传感器与载荷路径保持一致。
- 优势：
- 适用于悬挂载荷
- 可以测量起重系统中的动态力
- 错误风险：
- 侧向载荷或对中偏差
- 优势：
- 组合式力传感器可同时测量张力和压缩力。这些传感器可用于测试机器或材料。
- 扭矩测量中的力传感器更为复杂，因为扭矩传感器（旋转力传感器）不测量单个轴向力，而是测量因扭曲引起的剪切应变。当以 45° 的角度粘合到轴上时，一个应变片会受到拉伸，而另一个应变片的对角线会受到压缩。在这种情况下，应变桥使用相反的应力来产生与扭矩成正比的差分信号。
静态和动态测量
静态测量适用于随时间推移保持恒定或变化非常缓慢的载荷。比如，卡车秤和测量固定储罐的力传感器。相反，动态测量涉及由于运动、振动或冲击而快速变化的力。经常测量这些动态载荷的应用是碰撞测试和机器人监控。区分静态和动态条件会影响力传感器的选择、信号调节和精度要求。静态应用优先考虑长期稳定性和最小蠕变，而动态应用则需要快速响应、高固有频率和有效的噪声滤波，以准确捕获瞬态力。
单轴与多轴力传感器
力传感器设计用于测量力，但根据应用的复杂性，可能需要单轴或多轴传感器。了解这些传感器之间的区别以及何时使用其中一种传感器对成功实施有很大影响。
单轴与多轴传感器比较表
性能
准确度和精度
准确度和精度都是衡量力传感器性能的重要指标，但它们代表了测量质量的不同维度。
- 准确度描述了测量输出与所施加载荷的实际值之间的误差量。
- 精度是指在不考虑准确性的相同条件下，多个力传感器测量值的一致性。
示例：
- 如果施加 100 磅的力并且力传感器的读数为 99.9 磅，可以将其视为高准确度。
- 重复测量范围从 100.1 磅到 99.6 磅，可以将其视为高准确度和高精度。
- 重复测量范围从 101.5 磅到 98.0 磅，这将被认为既不准确也不精确。
| 规格 | 典型值 | 描述 |
|---|---|---|
| 精确度 | ±1.0% FS | 与所施加载荷的真实值的偏差。 |
| 组合线性和迟滞 | ±1.0% FS | 非线性和迟滞的组合误差。 |
| 每摄氏度零点漂移 | ±0.05% FS/°C | 由于温度变化导致的零点输出变化。 |
| 每摄氏度的灵敏度变化 | ±0.05% FS/°C | 由于温度变化导致的灵敏度变化。 |
| 重复性* | ±0.005% FS |
在相同负载条件下输出的一致性。 |
| 蠕变（30 分钟）* | ±0.01–0.03% FS | 随时间推移，在恒定负载下的输出漂移。 |
| 温度对输出的影响* | ±0.03% FS/10°C | 由于温度变化导致的输出信号变化。 |
| 温度对零点的影响* | ±0.05% FS/10°C | 由于温度变化导致的零偏移。 |
*并不总是指定
计量级力传感器和校准实验室中使用的力传感器的综合误差可低至 ±0.02%，重复性可低至 ±.005%，从而为精确应用提供卓越的性能。
环境条件
定义环境要求对于确认力传感器的可靠性和安全性至关重要。环境评级会影响实际条件下的性能、预期使用寿命和长期准确性。
温度范围
重要的是要考虑力传感器应用的整个工作温度范围。室外或工业环境通常需要大行程。温度变化会影响准确度，因此可能需要补偿技术。
入侵防护（IP 等级）
IP 等级表示防尘防水等级，是一个标准化的全球评级系统。防护等级由字母 IP 和后面的 2 位数字组成。第一个数字表示对固体物质的防护级别。
| 数字 | 固体防护等级 | 液体防护等级 |
|---|---|---|
| 0 | 无 | 无防护 |
| 1 | 超过 50 毫米（2 英寸）的物体 | 滴水（垂直） |
| 2 | 手指等，超过 12.5 毫米（0.5 英寸） | 滴水（最大倾斜 15°） |
| 3 | 超过 2.5 毫米（0.1 英寸）的工具/电线 | 喷水（最大倾斜 60°） |
| 4 | 超过 1 毫米（0.04 英寸）的细电线 | 溅水（任何方向） |
| 5 | 防尘（有限侵入） | 水喷射 |
| 6 | 防尘（无侵入） | 强力喷射 |
| 7* | --- | 短暂水浸（< 30 分钟） |
| 8* | --- | 持续浸入（指定深度） |
| 9* | --- | 高压、高温水喷射 |
*注意：第一位数字只能是 0-6，第二位数字只能是 0-9
耐腐蚀性
解决耐腐蚀性问题对于提高力传感器的耐用性和可靠性非常重要。这在室外或严苛环境下尤其重要。密封、IP 级外壳和特种材料通常可以提供出色的保护。材料选择对于减少潜在腐蚀也很重要。
力传感器主体：力传感器主体通常是最脆弱的元件，因为它经常与湿气、化学品、盐雾或酸性环境直接接触。
- 高合金不锈钢能够为严苛应用提供高耐腐蚀性。
- 硬质阳极氧化铝通常用于需要中等耐腐蚀性的轻量级系统。
- 防护涂层或电镀也可以增强力传感器主体表面的耐用性。
应变片：湿气侵入会对应变片产生严重影响。腐蚀会对这些元件的运行产生巨大影响。
- 密封应变片腔体可以为其提供一定程度的保护。
- 环氧树脂密封也可以提供侵入防护。
- 玻璃金属密焊对于达到此目的也非常有效。
电连接器：由于潮湿或化学品暴露而导致的连接点腐蚀会严重影响传感器的可靠性和准确性。可以通过多种方法来减轻这些风险。
- 带有防水护套的屏蔽电缆可防止湿气侵入连接点。
- 可以为密封接口指定 IP 级连接器，以显著降低腐蚀风险。
粘合剂：用于将应变片粘合到主体上的粘合剂会随着时间的推移而降解，从而带来巨大腐蚀风险。如果具有耐化学品和耐热性的高性能粘合剂能够耐受特定应用场合下的严苛环境，则这种粘合剂会非常有效。
电磁兼容性 (EMC)
电磁干扰会导致敏感力传感器的电路出现信号漂移、噪声或故障。在选择力传感器时，需要考虑如何抵抗电磁干扰 (EMI)、射频干扰 (RFI) 和静电放电 (ESD)。以下措施可以提高信号安全性，延长力传感器的使用寿命，并确认符合 IEC 61000、EN55032 和 FCC Part 15 等 EMC 标准。
- 屏蔽电缆：一端接地的带编织或箔屏蔽层的双绞线可以有效防止信号线干扰。
- 法拉第笼：带有导电密封件的金属外壳充当法拉第笼来阻挡外部 EMI/RFI。
- 滤波器：信号线和电源线上的铁氧体磁珠、电容器和低通滤波器可抑制高频噪声和冲击电压。
- 接地：力传感器主体、电缆屏蔽层和信号处理设备的正确接地为杂散电流和静电放电提供了低阻抗路径。
- ESD 保护电路：IO 条线路上的 TVS（瞬态电压抑制）二极管或 ESD 抑制器可以显著降低静电放电损坏风险。
- 电气隔离：信号调理模块中基于光学或变压器的隔离可防止力传感器和数据采集系统之间出现传导干扰。
- PCB 最佳实践：使用受控阻抗走线、接地层和模拟/数字路径分离有助于大幅减少内部 EMI 和串扰。
抗冲击和抗振
在移动设备、汽车、航空航天和工业机械应用中，具有在不降低力传感器性能的情况下承受机械冲击和振动的能力至关重要。在这些应用中，应在可行的情况下实施强固型设计或减振功能。例如，航空航天力传感器通常需要减振支架来保持可接受的校准。
