测力传感器:20年磨一剑!高精度压力传感器在济南量产

2021/11/09 13:35 · 传感器知识资讯 ·  · 测力传感器:20年磨一剑!高精度压力传感器在济南量产已关闭评论
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测力传感器:20年磨一剑!高精度压力传感器在济南量产8月6日,在山东产研院实验室,工程师正在装配硅谐振压力传感器,这个只有拇指大小的零部件,看起来毫不起眼。“综合精度最高可达0.01%FS(全量程),整体性能已达国际先进水平,部分指标领先于国外同类产品。”山东产研院孵化的高新技术企业山东中科思尔科技有限公司总经理商艳龙告诉记者,在物联网时代,传感器好比人的眼耳口

测力传感器:20年磨一剑!高精度压力传感器在济南量产  第1张

测力传感器:20年磨一剑!高精度压力传感器在济南量产

8月6日,在山东产研院实验室,工程师正在装配硅谐振压力传感器,这个只有拇指大小的零部件,看起来毫不起眼。“综合精度最高可达0.01%FS(全量程),整体性能已达国际先进水平,部分指标领先于国外同类产品。”山东产研院孵化的高新技术企业山东中科思尔科技有限公司总经理商艳龙告诉记者,在物联网时代,传感器好比人的眼耳口鼻,采集各种数据信息,传递给“大脑”,然后分析处理,做出控制指令。传感器作为整个物联网系统的基石,其精度至关重要,如果收集的数据信息从源头出错,那么后续工作都毫无意义。
“我们的核心研发团队来自中科院空天信息创新研究院,从1997年开始立项攻关,先后获得多个国家级科研项目支持,到2013年才在气象领域试用,2015年起在航空航天领域进行测试,一个课题持续攻关了20年。”商艳龙表示,2019年山东产业技术研究院成立后,这一技术成果从中科院引进济南,实施转化。在地方政府和产研院的全力扶持下,已有4款、12个系列的产品实现了量产。
“我们从设计、芯片、装备,到生产、封装、测试,实现了全链条的完全自主可控。”商艳龙介绍,目前传感器已经广泛应用于专业气象、航空航天、光刻机、计量仪器等高端装备领域。
今年进入主汛期以来,各种极端天气带来的自然灾害频发。卫星云图虽然提供气象预报,但无法精准预报具体位置的降雨量,地面雨量观测站属于“事后”报告。如果装备了高精度气压传感器,就可敏锐地捕捉到具体地点的气压变化,测算出具体位置的降雨量,从而提前预警。商艳龙表示,他们已经和国内气象设备龙头企业航天新气象技科技限公司进行战略合作,联合研发的配备高精度压力传感器的智能便携手持微置气象站,可以在景区、山区、交通要地等关键区域巡检气压变化,防范山洪、泥石流等灾害。南方有些城市开始在路灯杆上加装气压装置,进一步提高气象预报的精准度。
高精度压力传感器的还有一大亮点就是耐受极端环境。西藏高原由于海拔高、温差大、气压低,有的气象站即便使用进口的气压传感器,在低压段也测不准。“用了我们的产品之后,到目前为止已持续工作近两年数据非常稳定。”商艳龙表示。
“现在我们的瓶颈在产能。”商艳龙坦言,在解决了“有没有”的问题之后,重点就转向提高生产效率和产品良率上来。
在装配车间,商艳龙指着正在工作的芯片自动贴装设备告诉记者,每个传感器上都配备芯片,有了“大脑”之后就拥有了记忆、存储、思维、判断、自诊等人工智能。比指甲还小的芯片如果靠人工贴装,效率低,品质不可控。“这种自动贴装设备,在电脑里设定好程序之后,机械手自动一次贴装20片。而且能够实现每一道工序的可追溯。”这不但大大提高了速度,而且保证了产品质量的稳定性。
商艳龙表示,目前专业人才匮乏是最大短板。为此,中科思尔已经和中科院大学签约,将这个项目作为产学研基地,并和省内两所高校联合定向培养研究生。首批学生已经到位,在研制高精度压力传感器的过程中,为山东培养一批前沿研发队伍。
(大众报业·大众日报客户端记者 赵国陆 报道)
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测力传感器:力传感器及测力方法


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权利要求说明书
说明书
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力传感器及测力方法
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)摘要
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本公开提供了一种力传感器及测力方法。
该力传感器包括一第一压板;一第二压板,其第
一面与所述第一压板第一面相对;多个敏感元
件,可拆卸的夹设在所述第一压板和第二压板之
间,用于在所述第一压板和第二压板的作用下发
生形变;一桥式电路,与部分或全部夹设在所述
第一压板和第二压板之间的敏感元件连接,用于
响应与其连接的敏感元件的形变程度而输出一测
力结果;其中,夹设在所述第一压板和第二压板
?

测力传感器:测力传感器有哪些?测力传感器原理

  测力传感器通常将力转换为正比于作用力大小的电信号,使用十分方便,因而在工程领域及其他各种场合应用最为广泛。测力传感器种类繁多,依据不同的物理效应和检测原理可分为电阻应变式、压磁式、压电式、振弦式力传感器等。
  1.应变式力传感器
  在所有力传感器中,应变式力传感器应用最为广泛。它能应用于从极小到很大的动、静态力的测量,且测量精度高,其使用量约占力传感器总量的90%左右。
  应变式力传感器的工作原理与应变式压力传感器基本相同,它也是由弹性敏感元件和贴在其上的应变片组成。应变式力传感器首先把被测力转变成弹性元件的应变,再利用电阻应变效应测出应变,从而间接地测出力的大小。弹性元件的结构形式有柱形、筒形、环形、梁形、轮辐形、s形等。
  应变片的布置和接桥方式,对于提高传感器的灵敏度和消除有害因素的影响有很大关系。根据电桥的加减特性和弹性元件的受力性质,在贴片位置许可的情况下,可贴4或8片应变片,其位置应是弹性元件应变最大的地方。
  图1给出了常见的柱形、筒形、梁形弹性元件及应变片的贴片方式。图1(a)为柱形弹性元件;图1(b)为筒形弹性元件;图1(c)为梁形弹性元件。
  (1)柱形应变式力传感器
图1 几种弹性元件及应变片贴片方式
  柱形弹性元件通常都做成圆柱形和方柱形,用于测量较大的力。最大量程可达10MN。在载荷较小时(1~100kN),为便于粘贴应变片和减小由于载荷偏心或侧向分力引起的弯曲影响,同时为了提高灵敏度,多采用空心柱体。四个应变片粘贴的位置和方向应保证其中两片感受纵向应变,另外两片感受横向应变(因为纵向应变与横向应变是互为反向变化的),如图1(a)所示。
  当被测力F沿柱体轴向作用在弹性体上时,其纵向应变和横向应变分别为
             (1)
  式中,E为材料的弹性模量;S为柱体的截面积;μ为材料的泊松比。
  在实际测量中,被测力不可能正好沿着柱体的轴线作用,而总是与轴线成一微小的角度或微小的偏心,这就使得弹性柱体除了受纵向力作用外,还受到横向力和弯矩的作用,从而影响测量精度。
  (2)轮辐式力传感器
  简单的柱式、筒式、梁式等弹性元件是根据正应力与载荷成正比的关系来测量的,它们存在着一些不易克服的缺点。为了进一步提高力传感器性能和测量精度,要求力传感器有抗偏心、抗侧向力和抗过载能力。20世纪70年代开始已成功地研制出切应力传感器。图2是较常用的轮辐式切应力传感器的结构简图。
  轮辐式力传感器由轮圈、轮轱、辐条和应变片组成。辐条成对且对称地连接轮圈和轮轱,当外力作用在轮轱上端面和轮轱下端面时,矩形辐条就产生平行四边形变形,如图2(b)所示,形成与外力成正比的切应变。此切应变能引起与中性轴成450方向的相互垂直的两个正负正应力,即由切应力引起的拉应力和压应力,通过测量拉应力或压应力值就可知切应力值的大小。因此,在轮辐式传感器中,把应变片贴到与切应力成450的位置上,使它感受的仍是拉伸和压缩应变,但该应变不是由弯距产生的,而主要是由剪切力产生的,此即这类传感器的基本工作原理。这类传感器最突出的优点是抗过载能力强,能承受几倍于额定量程的过载。此外,其抗偏心、抗侧向力的能力也较强,精度在0.1%之内。
(a)轮辐式结构       (b)辐条变形情况
图2 轮辐式力传感器
  2.压磁式力传感器
  当铁磁材料在受到外力的拉、压作用而在内部产生应力时,其导磁率会随应力的大小和方向而变化:受拉力时,沿力作用方向的导磁率增大,而在垂直于作用力的方向上导磁率略有减小;受压力作用时则导磁率的变化正好相反。这种物理现象就是铁磁材料的压磁效应。这种效应可用于力的测量。
  压磁式力传感器一般由压磁元件、传力机构组成,如图3(a)所示。其中主要部分是压磁元件,它由其上开孔的铁磁材料薄片叠成。压磁元件上冲有四个对称分布的孔,孔1和2之间绕有激磁绕组W12 (初级绕组),孔3和4间绕有测量绕组W34。(次级绕组),如图3(b)所示。当激磁绕组W12通有交变电流时,铁磁体中就产生一定大小的磁场。若无外力作用,则磁感应线相对于测量绕组平面对称分布,合成磁场强度日平行于测量绕组W34的平面,磁感应线不与测量绕组W34交连,故绕组W34不产生感应电势,如图3(C)所示。当有压缩力F作用于压磁元件上时,磁感应线的分布图发生变形,不再对称于测量绕组W34的平面(如图3(d)所示),合成磁场强度H不再与测量绕组平面平行,因而就有部分磁感应线与测量绕组W34相交链,而在其上感应出电势。作用力愈大,交链的磁通愈多,感应电势愈大。
  压磁式力传感器的输出电势比较大,通常不必再放大,只要经过滤波整流后就可直接输出,但要求有一个稳定的激磁电源。压磁式力传感器可测量很大的力,抗过载能力强,能在恶劣条件下工作。但频率响应不高(1~10 kHz),测量精度一般在1%左右,也有精度更高的新型结构的压磁式力传感器。常用于冶金、矿山等重工业部门作为测力或称重传感器,例如在轧钢机上用来测量大的力以及用在吊车秤中。
图3 压磁式传感器

测力传感器:20年磨一剑!高精度压力传感器在济南量产  第3张

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