近年來，由于客戶需求的變化和惡劣的經(jīng)濟(jì)形勢等因素的影響，迫使OEM生產(chǎn)商必須生產(chǎn)出更纖巧、更經(jīng)濟(jì)實惠的產(chǎn)品。這也令設(shè)計師必須研發(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對是否能成功開發(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量解決方案。該項獨特的技術(shù)徹底消除了工程師在設(shè)計流線型產(chǎn)品時遇到的多項挑戰(zhàn)。
大多數(shù)工程師對各種類型的力傳感器都很熟悉。這些裝置被運用于機(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、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)涉及測量一些重量較輕的物件時，負(fù)載單元可能會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。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可感應(yīng)負(fù)載大小，或者直接通過夾持界面測量兩個滾筒之間的受力。
尤其值得一提的是一種觸覺傳感器——針對需要簡單外形的測力裝置的應(yīng)用需求而開發(fā)，即使需要加一個變送器也同樣經(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)域的實時壓力分布記錄。
FlexiForce傳感器目前以同一標(biāo)準(zhǔn)形狀來為客戶提供概念測試和驗證，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。他們對負(fù)載非常敏感。一個FlexiForce傳感器能夠感測只有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，以便得到最好的測試結(jié)果。通過調(diào)節(jié)它的外部驅(qū)動電路實現(xiàn)調(diào)整傳感器的動態(tài)范圍也是可能的。這些調(diào)節(jié)方式都如打開一個開關(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)、測試和控制及質(zhì)量監(jiān)控方面。
性能對比
將FlexiForce傳感器與其他類別的觸覺傳感技術(shù)對比，其中有一種設(shè)計采用了和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，相比作用于更小面積的傳感區(qū)域時，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。
電阻式觸覺傳感器的一個難題就是它們通常需要通過高頻率的交流信號驅(qū)動，這是因為作用力與位移變化相對較小，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。它們能與Tekscan公司生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)型負(fù)載與力感測系統(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)版的感測區(qū)域是一個直徑為0.375 英寸的圓形區(qū)域。在許多情況下，設(shè)計師會先通過一個標(biāo)準(zhǔn)的傳感器的原型來證明是否可行，然后設(shè)計一個自定義版本。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），也不會對傳感器造成損傷。為了測試范圍之間和之外的壓力，可以安裝一個簡單的運算放大器電路。通過調(diào)整運算放大器電路上的反饋電阻，或者調(diào)整傳感器的驅(qū)動電壓，各個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Sensor Wireless公司來說是很關(guān)鍵的一個因素，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定單的時候，他們總會向咨詢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，并與一個無線轉(zhuǎn)換設(shè)備相連。這項專利電子產(chǎn)品使得在瓶子內(nèi)部安裝無線設(shè)備成為可能。所測瓶子上的受力讀數(shù)通過FlexiForce傳感器上的射頻信號發(fā)送到手持的掌上設(shè)備上，因此操作員可以實時監(jiān)控負(fù)載狀況。
在為客戶定制一個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，操作員只需要將測試評通過設(shè)定的生產(chǎn)線5到10次就能得到力傳輸檔案。操作員對剩下的生產(chǎn)線做同樣的測試過程，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間，因為設(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個瓶子的速度運轉(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年的時間。
圖3、一個FlexiForce薄膜傳感器被包裹在測試瓶的周圍，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
樣他們就可以實時地看到操作結(jié)果。
耐用性對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，最近有一個項目是將一個無線庫存管理系統(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單點傳感器。當(dāng)貨架空的時候，系統(tǒng)就會自動發(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)商咨詢的時候，我們喜歡單點傳感器現(xiàn)貨，因為這樣我們可以隨時購買，組裝一個測試樣本，檢測這個系統(tǒng)是否能很好的運行。對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)備就會花費很多。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，因為他們內(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)費用。因為該設(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)場查看壓力、溫度、電機(jī)運轉(zhuǎn)是很平常的事情。而用這個產(chǎn)品就不需要這樣做了，既節(jié)約了時間也節(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，因為這樣的合作會讓設(shè)計師接觸到不熟悉的學(xué)科。比如，機(jī)械工程師可能會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。我們兩家公司仍會繼續(xù)合作，其中最近的一個項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OEM制造商來說是很重要的。他們最近的一個儀器是用來檢測商業(yè)打印設(shè)備中的鋼板和橡膠板之間的壓力。這個儀器能讓操作員實時檢測到受力情況，盡快相應(yīng)地調(diào)整設(shè)備。
“我們在過去的工作中已經(jīng)使用了很多標(biāo)準(zhǔn)而靈活的傳感器，所以對于它超大的使用范圍和完美的精確性都很熟悉，”設(shè)計工程師Thomas Eisner說到，“但是這個儀器的設(shè)計需要與傳感器制造商緊密合作。它需要用到比標(biāo)準(zhǔn)型號更小的感測區(qū)域，因此我們得事先確認(rèn)這么小的區(qū)域范圍是否能感測力度。這個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，可以被很運用到很多設(shè)計中。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，OEM廠商可以在很多領(lǐng)域運用這項技術(shù)。他們會發(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。
