近年來，由于客戶需求的變化和惡劣的經(jīng)濟(jì)形勢(shì)等因素的影響，迫使OEM生產(chǎn)商必須生產(chǎn)出更纖巧、更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的產(chǎn)品。這也令設(shè)計(jì)師必須研發(fā)出能滿足日益狹小空間需求的部件。在這種困難的情況下，即使如力傳感器這樣的微小元件也會(huì)對(duì)是否能成功開發(fā)解決方案產(chǎn)生非常大的影響。一種專利的靈活而精確的薄膜力傳感器可被用來滿足低成本、外形要求簡單的壓力測(cè)量解決方案。該項(xiàng)獨(dú)特的技術(shù)徹底消除了工程師在設(shè)計(jì)流線型產(chǎn)品時(shí)遇到的多項(xiàng)挑戰(zhàn)。
大多數(shù)工程師對(duì)各種類型的力傳感器都很熟悉。這些裝置被運(yùn)用于機(jī)器人、工業(yè)設(shè)備、汽車安全系統(tǒng)和許多其他領(lǐng)域。最廣為所知的測(cè)力傳感器是負(fù)載單元。他們通過采用不同的技術(shù)來感知負(fù)載。應(yīng)力計(jì)、壓電元件、可變電容是被廣泛應(yīng)用的幾種手段。
然而，負(fù)載單元自身存在一些缺陷，特別是在測(cè)量重量和尺寸都高于平常水平的情況下。負(fù)載單元就顯得有些笨重。當(dāng)涉及測(cè)量一些重量較輕的物件時(shí)，負(fù)載單元可能會(huì)得出比物件本身更重的讀數(shù)。有些類型的負(fù)載單元因其內(nèi)部元件具有類似彈簧的屬性，因此在某些應(yīng)用中可能會(huì)發(fā)出嗡嗡聲。
圖1、FlexiForce傳感器基本上就是電阻器，根據(jù)電導(dǎo)率和外加負(fù)載而線性變化
近些年來，市面上出現(xiàn)了一種不同類型的力傳感器，這種設(shè)備通稱為觸覺傳感器。這種產(chǎn)品得名于它們經(jīng)常被用在機(jī)器人的手部，用來輕微接觸和觸碰。但是觸覺傳感器的應(yīng)用范圍遠(yuǎn)不止用在擬人仿真機(jī)器人上。它們基于柔性電路材料制作，所以能夠具備纖薄、輕巧、柔性（合理范圍內(nèi)）的特點(diǎn)。這種性能拓寬了它的應(yīng)用范圍，比如安裝在螺栓下，在技工扳緊螺母的同時(shí)可感應(yīng)負(fù)載大小，或者直接通過夾持界面測(cè)量兩個(gè)滾筒之間的受力。
尤其值得一提的是一種觸覺傳感器——針對(duì)需要簡單外形的測(cè)力裝置的應(yīng)用需求而開發(fā)，即使需要加一個(gè)變送器也同樣經(jīng)濟(jì)。這種FlexiForce傳感器由一塊特殊的、專利的壓阻材料夾層，外加兩塊內(nèi)側(cè)帶有銀質(zhì)印刷導(dǎo)體的柔性聚合物組成。該導(dǎo)體路徑組成了電氣連接和外部電路。該種傳感器像紙一樣薄，厚度只有大約0.008英寸。
聚焦多功能性
FlexiForce傳感器由Tekscan公司生產(chǎn)，實(shí)際上是電導(dǎo)率與負(fù)載變化呈高度線性關(guān)系的電阻元件。在沒有負(fù)載的狀況下，電阻值非常之大，可以說基本上是一個(gè)開放式電路。隨著負(fù)載增加，電阻值開始下降，最后可以達(dá)到10千歐或更低的水平，需要根據(jù)實(shí)際情況決定。輸出量通過導(dǎo)電性與負(fù)載之間的關(guān)系得以表示，具備高度線性（線性誤差<±3%）。相對(duì)來說，外部電路將輸出量轉(zhuǎn)換成線性模擬電壓很簡單。
圖2、Tekscan公司生產(chǎn)各種類型的矩陣傳感器，通常與相關(guān)的專利軟件、
電子產(chǎn)品一起使用，用以某一區(qū)域的實(shí)時(shí)壓力分布記錄。
FlexiForce傳感器目前以同一標(biāo)準(zhǔn)形狀來為客戶提供概念測(cè)試和驗(yàn)證，提供多種不同長度的產(chǎn)品。但是，這些傳感器也可以根據(jù)OEM 的應(yīng)用需求采用相對(duì)簡單的自定義組裝。
類似的，這些傳感器的力范圍也可以自定義。他們對(duì)負(fù)載非常敏感。一個(gè)FlexiForce傳感器能夠感測(cè)只有5克重的物體，雖然生產(chǎn)商建議負(fù)載要占據(jù)感測(cè)區(qū)域面積的80%，其重量達(dá)到40克或以上，以便得到最好的測(cè)試結(jié)果。通過調(diào)節(jié)它的外部驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)調(diào)整傳感器的動(dòng)態(tài)范圍也是可能的。這些調(diào)節(jié)方式都如打開一個(gè)開關(guān)般簡單。
市面上還有不同標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)和大小的矩陣傳感器。這種類型的傳感器通常被稱作傳感器墊，其感測(cè)區(qū)域最小可達(dá)0.0009平方英寸，最大能達(dá)到256平方英寸。此類封裝被考慮用于壓力分布測(cè)量系統(tǒng)，被用來與Tekscan公司的專利電子產(chǎn)品和軟件配套使用，以顯示傳感器表面負(fù)載的壓力分布情況。它們多被用于研發(fā)、測(cè)試和控制及質(zhì)量監(jiān)控方面。
性能對(duì)比
將FlexiForce傳感器與其他類別的觸覺傳感技術(shù)對(duì)比，其中有一種設(shè)計(jì)采用了和FlexiForce傳感器類似的電阻材料，夾在柔韌的塑料片之間，在同一基板上都安置了導(dǎo)電區(qū)域。需要注意的一點(diǎn)就是傳輸依靠傳感區(qū)域的力傳導(dǎo)。同樣的負(fù)載施加在更大面積傳感區(qū)域上時(shí)，相比作用于更小面積的傳感區(qū)域時(shí)，讀數(shù)更小。這樣看來，這種傳感器與其說是力傳感器，不如說是壓力傳感器。
另一種觸覺傳感器使用電容作為感應(yīng)機(jī)制。一種典型的方式就是將橫縱兩塊電極重疊起來，中間由彈性介質(zhì)間隔開來。通過按壓橫縱兩塊電極之間的介質(zhì)減少了空間，并提供同位移成正比的反饋信號(hào)。
電阻式觸覺傳感器的一個(gè)難題就是它們通常需要通過高頻率的交流信號(hào)驅(qū)動(dòng)，這是因?yàn)樽饔昧εc位移變化相對(duì)較小，電容變化同樣也是如此。電子產(chǎn)品需要將電阻轉(zhuǎn)換成電壓變化，這個(gè)過程比較復(fù)雜。相比較而言，F(xiàn)lexiForce傳感器由直流電驅(qū)動(dòng)。它們能與Tekscan公司生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)型負(fù)載與力感測(cè)系統(tǒng)（ELF）配合使用，以高達(dá)5.7千赫的速率采樣和記錄數(shù)據(jù)。
簡單的驅(qū)動(dòng)電路加上超薄的外形使得FlexiForce傳感器成為眾多領(lǐng)域的首選解決方案。標(biāo)準(zhǔn)版的感測(cè)區(qū)域是一個(gè)直徑為0.375 英寸的圓形區(qū)域。在許多情況下，設(shè)計(jì)師會(huì)先通過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的傳感器的原型來證明是否可行，然后設(shè)計(jì)一個(gè)自定義版本。自定義傳感器有幾乎任何形狀，甚至是不規(guī)則外形的。如果實(shí)際應(yīng)用需要的話，傳感器也可以連接到更硬的基板，如硬塑料或金屬。
FlexiForce傳感器依據(jù)負(fù)載大小分成三個(gè)規(guī)格：0-1 lbs、0-25 lbs、0-100lbs。即使達(dá)到負(fù)載10000 psi（塑膠極限值），也不會(huì)對(duì)傳感器造成損傷。為了測(cè)試范圍之間和之外的壓力，可以安裝一個(gè)簡單的運(yùn)算放大器電路。通過調(diào)整運(yùn)算放大器電路上的反饋電阻，或者調(diào)整傳感器的驅(qū)動(dòng)電壓，各個(gè)方向的受力范圍均能精確調(diào)大到10倍，使得在特定受力范圍也能記錄讀數(shù)。
應(yīng)用評(píng)估
輕便的體積，小巧的尺寸并不是應(yīng)用FlexiForce傳感器的唯一原因。耐用性對(duì)Sensor Wireless公司來說是很關(guān)鍵的一個(gè)因素，Sensor Wireless公司是加拿大一家采用無線監(jiān)控設(shè)備的大型制瓶企業(yè)。為了幫助他們的客戶在生產(chǎn)中減少瓶子的破損，Sensor Wireless需要一個(gè)定制的力傳感器安裝到他們的系統(tǒng)中，來確定生產(chǎn)線的軌道、機(jī)器人夾鉗和鄰近的瓶子作用在瓶身上的力。
每當(dāng)Sensor Wireless公司的客戶拿到一個(gè)定單的時(shí)候，他們總會(huì)向咨詢Sensor Wireless公司咨詢有關(guān)瓶子與傳感器的問題。生產(chǎn)和研發(fā)總監(jiān)TomMacDonald解釋說，傳感器安裝在瓶子的周圍，并與一個(gè)無線轉(zhuǎn)換設(shè)備相連。這項(xiàng)專利電子產(chǎn)品使得在瓶子內(nèi)部安裝無線設(shè)備成為可能。所測(cè)瓶子上的受力讀數(shù)通過FlexiForce傳感器上的射頻信號(hào)發(fā)送到手持的掌上設(shè)備上，因此操作員可以實(shí)時(shí)監(jiān)控負(fù)載狀況。
在為客戶定制一個(gè)FlexiForce傳感器之前，有很多的線路調(diào)試需要工作人員去摸索。MacDonald繼續(xù)解釋到：“但是現(xiàn)在，操作員只需要將測(cè)試評(píng)通過設(shè)定的生產(chǎn)線5到10次就能得到力傳輸檔案。操作員對(duì)剩下的生產(chǎn)線做同樣的測(cè)試過程，既能很快地找出問題并調(diào)整相關(guān)的設(shè)備。這種監(jiān)控設(shè)備減少了很多停工時(shí)間，因?yàn)樵O(shè)備調(diào)整只需要幾分鐘就能完成。”
制瓶生產(chǎn)線以每分鐘傳輸1200個(gè)瓶子的速度運(yùn)轉(zhuǎn)。在這樣高速生產(chǎn)的情況下，很容易發(fā)生瓶子的碰撞和摩擦，和其他一些操作問題。MacDonald表示只有耐用型的傳感器才能擔(dān)當(dāng)重任。Sensor Wireless公司的一些客戶已經(jīng)使用這款設(shè)備2年半至3年的時(shí)間。
圖3、一個(gè)FlexiForce薄膜傳感器被包裹在測(cè)試瓶的周圍，感應(yīng)側(cè)壁受力。
而其內(nèi)部的電子產(chǎn)品就會(huì)將數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)讲僮魅藛T的手持機(jī)器上，這
樣他們就可以實(shí)時(shí)地看到操作結(jié)果。
耐用性對(duì)SSI Wireless公司來說也是相當(dāng)重要的，SSI Wireless公司是美國一家工程技術(shù)公司，也是SSI工業(yè)嵌入式系統(tǒng)的業(yè)務(wù)部門。據(jù)公司總裁MicheleMordacq所說，最近有一個(gè)項(xiàng)目是將一個(gè)無線庫存管理系統(tǒng)安裝到一家超市的貨架上，該系統(tǒng)用到了為客戶定制的一個(gè)單點(diǎn)傳感器。當(dāng)貨架空的時(shí)候，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)發(fā)送一封郵件給管理人員，說明哪些貨物需要重新上架。
Mordacq說：“在向很多傳感器生產(chǎn)商咨詢的時(shí)候，我們喜歡單點(diǎn)傳感器現(xiàn)貨，因?yàn)檫@樣我們可以隨時(shí)購買，組裝一個(gè)測(cè)試樣本，檢測(cè)這個(gè)系統(tǒng)是否能很好的運(yùn)行。對(duì)于用在庫存管理中的設(shè)備，若采用醫(yī)療用的高精度設(shè)備就會(huì)花費(fèi)很多。而那樣的高精度水準(zhǔn)在這里不需要。只要負(fù)載力控制在幾盎司，就夠用了。稱重傳感器太大了，因?yàn)樗麄儍?nèi)部安裝了操控系統(tǒng)?！?
Mordacq表示，薄膜傳感器也為用戶減少了成本支出，比如維護(hù)費(fèi)用。因?yàn)樵撛O(shè)備可以遠(yuǎn)程遙控，可以盡快地采取糾正措施。Mordacq進(jìn)一步解釋說到，派出技術(shù)人員去現(xiàn)場(chǎng)查看壓力、溫度、電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)是很平常的事情。而用這個(gè)產(chǎn)品就不需要這樣做了，既節(jié)約了時(shí)間也節(jié)省了開支。因此，SSI Wireless公司將FlexiForce傳感器與無線技術(shù)結(jié)合，生產(chǎn)出一種遠(yuǎn)程遙控的診斷設(shè)備。Tekscan公司與之合作，逐一解決了研發(fā)過程中的問題。
Mordacq還說，更多地與力傳感器制造商溝通非常重要，因?yàn)檫@樣的合作會(huì)讓設(shè)計(jì)師接觸到不熟悉的學(xué)科。比如，機(jī)械工程師可能會(huì)越來越多的處理電子學(xué)方面的問題。
“Tekscan公司與我們合作，一起將經(jīng)濟(jì)型負(fù)載與力感測(cè)系統(tǒng)（E L F）轉(zhuǎn)換成一種無線裝備，”Mordacq繼續(xù)說，“我們帶來了在無線通訊中的工作經(jīng)歷，以及開發(fā)Windows桌面程序的經(jīng)驗(yàn)。我們兩家公司仍會(huì)繼續(xù)合作，其中最近的一個(gè)項(xiàng)目就是上面提到的無線貨架庫存系統(tǒng)?！?
瑞士的一家工程公司Cervitrol表示，縮短客戶下單到產(chǎn)品完工的期限對(duì)OEM制造商來說是很重要的。他們最近的一個(gè)儀器是用來檢測(cè)商業(yè)打印設(shè)備中的鋼板和橡膠板之間的壓力。這個(gè)儀器能讓操作員實(shí)時(shí)檢測(cè)到受力情況，盡快相應(yīng)地調(diào)整設(shè)備。
“我們?cè)谶^去的工作中已經(jīng)使用了很多標(biāo)準(zhǔn)而靈活的傳感器，所以對(duì)于它超大的使用范圍和完美的精確性都很熟悉，”設(shè)計(jì)工程師Thomas Eisner說到，“但是這個(gè)儀器的設(shè)計(jì)需要與傳感器制造商緊密合作。它需要用到比標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)更小的感測(cè)區(qū)域，因此我們得事先確認(rèn)這么小的區(qū)域范圍是否能感測(cè)力度。這個(gè)傳感器的傳輸范圍在10到100psi，并需要在表面一條直線的范圍傳輸壓力。通過8個(gè)星期的溝通協(xié)作，我們拿到了定制的傳感器，制造方為我們排疑解難，讓我們能盡快地完成產(chǎn)品的開發(fā)。”
結(jié)論
美好源自小巧，正如越來越多的OEM制造商開始采用靈活、精準(zhǔn)的薄膜壓阻式力傳感器（FlexiForce）就是證明。這種傳感器體積小，靈活耐用，可以被很運(yùn)用到很多設(shè)計(jì)中。OEM廠商發(fā)現(xiàn)這種低成本、可大量生產(chǎn)的傳感器方便他們提高生產(chǎn)樣品的效率。耐久的設(shè)計(jì)也讓最終的成品性能卓越：電阻范圍廣，高度的線性關(guān)系，低漂移，低功率。此外，用戶友好的、單片式的傳感器不需要很復(fù)雜的電子設(shè)備獲取輸出。
基于上述眾多優(yōu)點(diǎn)，OEM廠商可以在很多領(lǐng)域運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù)。他們會(huì)發(fā)現(xiàn)FlexiForce傳感器在開發(fā)更小巧、更靈活的產(chǎn)品中起到了關(guān)鍵的作用。
