Megtekintések: 222 Szerző: Leah Publish Idő: 2025-04-23 Eredeti: Telek
Tartalommenü
● A nagy pontosságú erőérzékelők megértése
● A nagy pontosságú erőérzékelőkben használt kulcsfontosságú anyagok
>> Fémek: rozsdamentes acél, alumínium és ötvözetek
>> Félvezetők és piezoelektromos anyagok
>> Fejlett és új anyagok: 1D, 2D és 3D szerkezetek
>> Kompozitok és hibrid struktúrák
● A feszültség és a kompressziós erőérzékelők megtervezése és felépítése
● Környezetvédelmi és alkalmazás szempontjából
● Tesztelés, kalibrálás és hosszú élettartam
● Kihívások és innovációk az erőérzékelő anyagokban
>> A hiszterézis minimalizálása
>> Innovációk az anyagtudományban
● A nagy pontosságú erőérzékelő anyagok jövőbeli trendei
● GYIK
>> 1. Mi a fő különbség a feszültség és a kompressziós erőérzékelők és más típusú erőérzékelők között?
>> 3. Hogyan működnek a feszültségmérő alapú feszültség és a kompressziós erőérzékelők?
>> 5. Használható -e a feszültség és a kompressziós erőérzékelők szélsőséges környezetben?
A nagy pontosságú erőérzékelők a modern mérési technológia gerincét képezik, lehetővé téve az erők pontos számszerűsítését olyan változatos területeken, mint a robotika, a repülőgép, az autóipari, az orvostechnikai eszközök és az ipari automatizálás. Ezek közül a feszültség és a kompressziós erőérzékelők különösen létfontosságúak, mivel kivételes pontossággal mérik mind a húzási (feszültség), mind a toló (kompressziós) erőket. De mi teszi ezeket az érzékelőket olyan pontosnak? A válasz az építésükben rejlik, különös tekintettel az anyagok megválasztására és az alapvető érzékelési technológiákra.
A nagy pontosságú erőérzékelők olyan eszközök, amelyek célja a rájuk alkalmazott erő nagyságának észlelése és számszerűsítése, gyakran rendkívül alacsony hibamargákkal. A feszültség és a kompressziós erőérzékelőknél a cél az, hogy mérje mind az egyetlen tengely mentén működő nyújtó és tömörítő erőket.
Ezek az érzékelők elengedhetetlenek azokban az alkalmazásokban, ahol még a kisebb pontatlanságok is jelentős problémákhoz vezethetnek, például a robotműtét, az űrvizsgálat vagy az ipari minőség -ellenőrzés során. Ezen érzékelők teljesítménye számos tényezőtől függ:
- Pontosság: A mért érték közelsége a valódi értékhez.
- Megbontás: Az érzékelő legkisebb erőváltása észlelhető.
- Ismétlődés: Az érzékelő azon képessége, hogy következetes leolvasást biztosítson azonos körülmények között.
- Tartósság: Az a képesség, hogy ellenálljon az ismételt betöltési és durva környezeteknek.
Ezen jellemzők középpontjában az anyagválasztás van - mind az érzékelő testének, mind annak érzékelő elemeinek.
Az anyagok vizsgálata előtt elengedhetetlen a nagy pontosságú erőérzékelőkben használt fő érzékelési technológiák megértése:
- Szűrőmérőkérzékelők: Használjon vékony fémfóliákat vagy vezetékeket, amelyek meghosszabbítják vagy sűrítik az ellenállást. Leggyakoribb a feszültség és a kompressziós erőérzékelőknél.
- Piezoelektromos érzékelők: alkalmazzon kristályokat (mint például a kvarcot), amelyek elektromos töltést generálnak mechanikai feszültség alatt.
- Kapacitív érzékelők: Az erőt detektálják a vezetőképes lemezek kapacitásának változásainak mérésével, mivel terhelés közben közelebb vagy távolabb mozognak.
- Piezorsisterive érzékelők: Használjon félvezető anyagokat, amelyek ellenállása mechanikus deformáció alatt megváltozik.
- Optikai és mágneses érzékelők: támaszkodjon a fény vagy a mágneses tulajdonságok erő miatti változásaira, gyakran speciális vagy miniatűr alkalmazásokhoz.
Mindegyik technológia kihasználja a különböző anyagtulajdonságokat az érzékenység, a stabilitás és a megbízhatóság maximalizálása érdekében.
A fémek a leggyakoribb szerkezeti anyagok a nagy pontosságú erőérzékelők számára, különösen a feszültség és a kompressziós erőérzékelők esetében. Mechanikai tulajdonságaik - szigorúság, rugalmasság és a deformációval szembeni ellenállás - kritikus fontosságúak a pontos és megismételhető mérésekhez.
- Rozsdamentes acél: A nagy pontosságú erőérzékelők aranyszabványa. Kínál:
a. Nagy szilárdság és merevség
b. Kiváló korrózióállóság
c. Hosszú távú stabilitás, még durva ipari környezetben is
d. Alkalmasság mind a statikus, mind a dinamikus erőméréshez
- Alumínium: Egyes érzékelőkben használják könnyű tulajdonságai és könnyű megmunkálása érdekében. Ugyanakkor kevésbé alkalmas állandó vagy nagy terhelésű alkalmazásokra, mivel a nagyobb kúszás és az alacsonyabb hosszú távú stabilitás a rozsdamentes acélhoz képest.
- Nagy szilárdságú ötvözetek: Az egyéni ötvözetek használhatók olyan speciális alkalmazásokhoz, amelyek az erősség, a súly és a korrózióállóság egyensúlyát igénylik. Például a nikkel-alapú ötvözeteket és a titánötvözeteket választják ki kivételes mechanikai tulajdonságaik és a fáradtság ellenállásának.
Táblázat: Az erőérzékelők általános fémeinek összehasonlítása
| Anyag | szilárdsági | korrózióállóság | súlya | nagy pontosság érdekében |
|---|---|---|---|---|
| Rozsdamentes acél | Magas | Kiváló | Közepes | Kiváló |
| Alumínium | Közepes | Jó | Alacsony | Jó (korlátozott alkalmazások) |
| Ötvözetek | Változó | Változó | Változó | Alkalmazás-specifikus |
- Szilícium: Széles körben használják a piezoresister erőérzékelőkben, különösen a miniatűr és a MEMS eszközökben. A szilícium elektromos tulajdonságai ideálissá teszik az erő miatti rezisztencia percek változásainak észlelését. Kristályos szerkezete biztosítja a következetes teljesítményt a mikro- és nano skálán.
- Quartz: A piezoelektromos erőérzékelők elsődleges anyaga. A kvarckristályok mérhető feszültséget generálnak, ha mechanikusan deformálódnak, lehetővé téve a rendkívül érzékeny és dinamikus erőméréseket. A Quartz a hőmérsékletek széles skáláján megbecsüli stabilitása és megismételhetősége.
- Egyéb piezoelektromos kerámia: Az olyan anyagok, mint az ólom -cironát titanát (PZT), szintén gyakoriak a piezoelektromos érzékelőkben erős piezoelektromos válaszukhoz. Ezeket a kerámiákat konkrét frekvenciaválaszokra és érzékenységekre lehet tervezni, így alkalmassá teszik azokat a dinamikus erőméréshez.
A nanotechnológia fejlődésével az új anyagokat integrálják a nagy érzékenységi erőérzékelőkbe:
- 1D anyagok: szén nanocsövek (CNT) és nanoszálak, amelyek kivételes érzékenységet kínálnak egyedi elektromos és mechanikai tulajdonságaik miatt. Például a CNT-k kimutathatják a rendkívül kis deformációkat, így ideálisak ultraérzékeny alkalmazásokhoz.
- 2D anyagok: grafén és átmeneti fém -dichalcogenides (mint például a MOS₂), amelyek atomikusan vékonyak és rendkívül érzékenyek a deformációra. Különösen a grafén magas Young modulusával és kiváló elektromos vezetőképességgel rendelkezik, így ígéretes anyaggá teszi a következő generációs erőérzékelők számára.
-3D-s anyagok: tervezett nanostruktúrák és egykristályos gyémántok, amelyeket speciális érzékelőkben használnak ultra-magas vagy szélsőséges környezethez. Például a Diamond-t a szélsőséges keménység és a hővezető képesség miatt értékelik, amely hasznos lehet a nagy stressz vagy a magas hőmérsékletű alkalmazásokban.
Ezeket az élvonalbeli anyagokat elsősorban kutatási vagy rés alkalmazásokban találják meg, ahol a hagyományos fémek nem tudják biztosítani a szükséges teljesítményt.
Egyes nagy pontosságú erőérzékelők kompozit anyagokat használnak, amelyek kombinálják a fémeket polimerekkel, kerámiákkal vagy fejlett szálakkal az erő, a rugalmasság és az érzékenység egyensúlyának elérése érdekében. Ezeket a kompozitokat speciális igényekhez lehet tervezni, például a termikus tágulás minimalizálása vagy a fáradtság ellenállás fokozása.
Például a szál által megerősített polimerek használhatók az űrrepülésekben, ahol a súlymegtakarítás kritikus, míg a kerámiafém kompozitok fokozott tartósságot és ellenállást biztosíthatnak az ipari környezetben.
A feszültség és a kompressziós erőérzékelő mechanikai kialakítása ugyanolyan fontos, mint az anyagok. Leggyakrabban:
- Membrán vagy tavaszi elem: A magszerkezet, amely terhelés alatt deformálódik, általában rozsdamentes acélból vagy nagy szilárdságú ötvözetből készül. A geometria optimalizálva van a kiszámítható és lineáris deformáció biztosítása érdekében mind feszültség, mind tömörítés mellett.
- Törzsmérők: vékony fémfóliák vagy vezetékek (gyakran Constantan vagy nikkel-króm ötvözetek) a rugó elemhez. Ellenállásuk deformációval változik, és a feszültségmérő érzékelő szívét képezi. A ragasztási folyamatot és a ragasztóanyagokat is gondosan választják meg a hosszú távú stabilitás és a minimális kúszás biztosítása érdekében.
- Wheatstone híd áramkör: Négy törzsmérőt hídkonfigurációban vannak elrendezve, hogy maximalizálják az érzékenységet és kompenzálják a hőmérsékleti hatásokat. Ez a konfiguráció elősegíti a hőmérsékleti változások hatásainak megszüntetését, és differenciált mérést biztosít a jobb pontosság érdekében.
- Lakás: Környezetvédelem, gyakran rozsdamentes acélból készül a tartósság és a behatolás védelme érdekében (pl. IP65 besorolás). Egyes esetekben a hermetikus tömítést használják az érzékeny komponensek védelmére a nedvesség, a por és a vegyi anyagoktól.
- Kábel- és csatlakozó anyagok: A kábelszigetelés és a csatlakozó anyagok megválasztása szintén fontos, különösen a durva környezetben. A szilikon, a poliuretán és a teflon gyakori választásuk a vegyi anyagokkal szembeni rugalmasságuk és ellenállásuk szempontjából.
A működési környezet gyakran diktálja az anyagválasztást:
- Javító vagy nedves környezet: A rozsdamentes acél előnyben részesítik a korrózióállóságát. Még szigorúbb környezetek esetén az érzékelőket további védőrétegekkel lehet bevonni vagy speciális ötvözetekből építeni.
- Tiszta szobák vagy vákuum: Az érzékelők speciális ötvözeteket vagy bevonatot használhatnak a szennyeződés és a kimenés megelőzésére. Az anyagokat ki kell választani a részecskék képződése és a kémiai reakcióképesség minimalizálása érdekében.
- Magas hőmérsékletek: Az anyagoknak sodródás nélkül meg kell tartaniuk a stabilitást és az érzékenységet. A magas hőmérsékletű ötvözetek, kerámia vagy akár zafír is használhatók szélsőséges esetekben.
- Miniatürizált vagy rugalmas alkalmazások: A fejlett anyagokat, például a szilíciumot, a grafént vagy a kompozitokat kis méretükhöz és egyedi tulajdonságaikhoz használják. A rugalmas erőérzékelők például vezetőképes nanoanyagokkal beágyazott polimer szubsztrátokat használhatnak hordható vagy orvosbiológiai alkalmazásokhoz.
Alkalmazási példák:
- Ipari automatizálás: Robusztus rozsdamentes acél feszültség és kompressziós erőérzékelők Figyelemmel kísérik a préselést, a csatlakozást vagy a robotfogó erőket.
- Orvosi eszközök: A miniatűr szilícium vagy kompozit érzékelők nagy érzékenységet biztosítanak a kompakt terekben, például a minimálisan invazív műtéti műszerekben.
- Repülőgép: A fejlett ötvözetek vagy kompozitokkal rendelkező érzékelők ellenállnak a szélsőséges hőmérsékleteknek és rezgéseknek, biztosítva a kritikus repülési rendszerek megbízhatóságát.
A nagy pontosságú erőérzékelők teljesítménye nemcsak az anyagválasztástól, hanem a szigorú teszteléstől és a kalibrálástól is függ. Minden érzékelőt általában:
- Statikus és dinamikus terhelésvizsgálat: Biztosítja, hogy az érzékelő pontosan reagáljon mind az állandó, mind a gyorsan változó erőkre.
- Hőmérsékleti ciklus: Ellenőrizze, hogy az érzékelő fenntartja -e a pontosságot a megadott hőmérsékleti tartományában.
- Kúszás és fáradtságvizsgálat: A hosszú távú stabilitást és tartósságot megismétli az ismételt berakási és kirakodási ciklusok alatt.
A kalibrálást nyomon követhető szabványok felhasználásával hajtják végre, és sok csúcskategóriás érzékelő tartalmazza a beépített kalibrációs adatokat vagy a hőmérsékleti kompenzációs algoritmusokat. A feszültség és a kompressziós erőérzékelő hosszú élettartama közvetlenül kapcsolódik az anyagok minőségéhez és a gyártási folyamatok pontosságához.
Az erőérzékelő kialakításának egyik fő kihívása az anyagi fáradtság - az anyag fokozatos gyengülése az ismételt stressz miatt. A rozsdamentes acél és a nagy szilárdságú ötvözeteket kiváló fáradtság ellenállásukhoz választják meg, de még ezek az anyagok is lebomlanak, ha nem megfelelően megtervezték.
Kúszás-az anyag lassú, állandó deformációja állandó terhelés mellett-egy másik aggodalomra ad okot, különösen az alumínium és a polimer alapú érzékelőknél. A fejlett ötvözeteket és kompozitokat úgy tervezték, hogy minimalizálják a kúszást, biztosítva a hosszú távú pontosságot.
A hiszterézis az érzékelő kimenetének különbségére utal, amikor erő alkalmazásra kerül, majd eltávolítva. A magas színvonalú anyagok és a pontos gyártás elősegíti a hiszterézist, ami kritikus jelentőségű a magas megismétlést igénylő alkalmazásokhoz.
A hőmérsékleti változások az anyagok kibővítését vagy összehúzódását okozhatják, befolyásolva az érzékelő leolvasását. Az alacsony hőtágulási együtthatókkal, valamint a hőmérsékleti kompenzációs áramkörökkel rendelkező anyagok használata segíti a pontosságot a változó környezetben.
Az utóbbi években jelentős előrelépés történt az anyagtudományban, ami a következőkhöz vezetett:
- Az ultra-tiszta fémek és ötvözetek fejlesztése fokozott mechanikai tulajdonságokkal.
- A nanostrukturált anyagok bevezetése a jobb érzékenység és a miniatürizálás érdekében.
- hibrid minták, amelyek kombinálják a fémeket, a kerámiákat és a polimereket a testreszabott teljesítmény érdekében.
A nagy pontosságú erőérzékelők, különösen a feszültség és a kompressziós erőérzékelők jövőjét az anyagtudomány és a mérnöki munka folyamatban lévő kutatása alakítja ki. A legfontosabb trendek a következők:
-Az intelligens anyagok integrációja: A következő generációs érzékelők esetében az öngyűjtés, a környezeti változásokhoz való alkalmazkodás vagy a valós idejű visszajelzések biztosítása.
- A nanomatermékek fokozott használata: A gyártási technikák javulásakor a nanoanyagok, például a grafén és a szén nanocsövek gyakoribbá válnak a kereskedelmi érzékelőkben, lehetővé téve a példátlan érzékenységet és a rugalmasságot.
- Fenntarthatóság és környezeti hatás: Egyre növekszik az érdeklődés az újrahasznosítható vagy biológiailag lebontható anyagokból származó érzékelők fejlesztése iránt, különösen az eldobható orvostechnikai eszközök és a környezeti megfigyelés területén.
- Vezeték nélküli és rugalmas érzékelők: A hordható technológia és a lágy robotika iránti igény a rugalmas, nyújtható erőérzékelők fejlesztését fejlett polimerek és vezetőképes tinták segítségével.
Ezek a trendek tovább bővítik a feszültség és a kompressziós erő érzékelők képességeit és alkalmazását az iparágakban.
A nagy pontosságú erőérzékelők-különösen a feszültség és a kompressziós erőérzékelők-pontosságát és megbízhatóságát alapvetően az anyagösszetételük határozza meg. A rozsdamentes acél továbbra is a domináns választás az erősség, a stabilitás és a korrózióállóság szempontjából, míg az alumínium és a nagy szilárdságú ötvözetek speciális igényeket szolgálnak. A legmodernebb alkalmazásokhoz, a félvezetők, a piezoelektromos kristályok és a fejlett nanomatermékek, például a grafén és a szén nanocsövek, az érzékenység és a miniatürizáció határát tolja.
A gondos kiválasztás és az anyagok kombinációja, valamint a pontos tervezés és a szigorú tesztelés biztosítja, hogy ezek az érzékelők pontos és megismételhető méréseket végezzenek még a legigényesebb környezetben is. A technológia fejlődésével az új anyagok és a hibrid struktúrák integrációja továbbra is javítja az erőkérzékelők teljesítményét és sokoldalúságát az iparágakban, támogatva az automatizálás, az egészségügy, az űrkutatás és az azon túl.
A feszültség és a kompressziós erőérzékelőket kifejezetten mind a húzó (feszültség), mind a nyomó (kompressziós) erők mérésére tervezték. Az általános erőérzékelőkkel ellentétben, amelyek csak egy irányban mérhetik az erőt, vagy eltérő érzékelési alapelveket használhatnak, ezeket az érzékelőket optimalizálják a kétirányú erőméréshez, így ideálisak az olyan alkalmazásokhoz, mint az anyagteszt, a robotika és az ipari automatizálás.
A rozsdamentes acél a nagy szilárdság, a kiváló korrózióállóság és a hosszú távú stabilitás egyedülálló kombinációját kínálja. Ezek a tulajdonságok biztosítják, hogy az érzékelő megőrizze pontosságát és tartósságát még ismételt terhelés alatt és durva környezetben, ami elengedhetetlen a megbízható feszültség és a kompressziós erő méréséhez.
A törzsmérő érzékelők vékony fémfóliákat vagy vezetékeket használnak egy rugó elemhez. Ha erőt alkalmaznak, az elem deformálódik, ami a feszültség mérőeszközeit nyújtja vagy összenyomja. Ez megváltoztatja az elektromos ellenállásukat, amelyet egy Wheatstone -híd áramkörrel mérnek, és pontos erő leolvasássá alakítják.
A grafén és a szén nanocsövek rendkívüli érzékenységet kínálnak atomi méretű vastagságuk és egyedi elektromos tulajdonságaik miatt. Ezek az anyagok lehetővé teszik az ultra-miniatürizált, nagyon érzékeny erőérzékelők kifejlesztését, amelyek különösen értékesek a tudományos kutatásban, az orvostechnikai eszközökben és a feltörekvő technológiákban.
Igen, a megfelelő anyagválasztással és a védőházakkal, a feszültség és a kompressziós erő érzékelők szélsőséges körülmények között működhetnek, ideértve a magas hőmérsékleteket, a korrozív légkört, a vákuumot vagy a nagy vibrációs beállításokat. Az ilyen alkalmazásokhoz általában rozsdamentes acél és speciális ötvözeteket használnak, míg fejlett bevonatok vagy kompozit szerkezetek alkalmazhatók a hozzáadott védelem érdekében.
[1] https://www.xjcsensor.com/what-makes-a-high-precision-force-sensor/
[2] https://www.bosche.eu/en/p/tension-and-compression-load-cell-f10n/100-300-11-46
[3] https://spj.science.org/doi/10.34133/adi.0019
[4] https://www.xsensors.com/en/sensor/force-sensor-x-137
[5] https://www.pcbpiezotronics.de/produkte_skript/downloads/marketing/pcb_kraft_poster_dina1.pdf
[6] https://www.kistler.com/int/en/strain-hauge-force-sensors/c00000157
[7] https://www.xsensors.com/en/sensor/tension-and-compression-force-sensor-x-136
[8] https://www.fms-technology.com/en/faq
[9] https://wobit.com.pl/en/artykul/5249/strefa-wiedzy/7-pytan-o-czujniki-sily--ktore-chceszz-znac-odpowiedz/
[10] https://www.xjcsensor.com/differences-between-blain-gauges-and-force-sensors/
[11] https://www.youtube.com/watch?v=_6wmqnzeuzm
[12] https://www.hbm.com/kr/2636/force-transducers alapú-------blain-gauges/
[1
[14] https://www.althensensors.com/sensors/force-sensors/miniature-force-sensors/model-53-e-compact-high-precision-sterce-sensor/
[15] https://haehne.de/en/force-measurement/tension-and-compression-force-sensors
[16] https://www.youtube.com/watch?v=ZJ749QLBSQ0
[17] https://www.botasys.com/post/force-sensors
[18] https://www.nature.com/articles/S41377-024-01626-8
[19] https://www.bosche.eu/en/scale-components/force-sensors
[20] https://scaime.com/product/post/ms02
[21] https://www.botasys.com/post/force-sensors
[22] https://haehne.de/en/force-measurement
[23] https://www.tds-pp.com/en/news-archive/high-precision-force-sensors/
[24] https://www.me-systeme.de/en/k3d120-200n
[25] https://www.dsm-messtechnik.de/en/force-sensors/
[26] https://www.gtm-gmbh.com/en/products/force-transducers
[27] https://www.lorenz-messtechnik.de/english/products/compression_tension.php
[28] https://haehne.de/en/force-measurement/tension-and-compression-force-sensors/tension-and-compression-sensor-dk5
[29] https://mark-10.com/products/indicators-sensors/force-sensors/r01/
[30] https://www.wika.com/en-en/tension_compression_force_transducers.wika
[31] https://load-cells.org/gallery/
[32] https://loadcellmanufacturers.com/gallery/
[33] https://www.sensor-test.de/en/press/exhibitors-products/productnews/2706
[34] https://www.futek.com/force-sensor
[35] https://www.youtube.com/watch?v=chzckcrytnm
[36] https://www.hbkworld.com/en/products/tranducers/force
[37] https://uol.de/f/5/inst/physik/ag/physikpraktika/download/gpr/pdf/e_sensoren.pdf?v=1666712278
[38] https://www.me-systeme.de/en/da120
[39] https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/s026324125008413
[40] https://www.pcb.com/resources/faq/force-faq
[41] https://www.ati-a.com/library/documents/ft_faq.pdf
[42] https://www.hbm.com/tw/6294/Multi-axis-sensors-faqs/
[43] https://www.strainsert.com/faq-on-force-sensor-calibration/
[44] https://www.smdsensors.com/resources/frequenty-sked-questions-2/
[45] https://www.vernier.com/til/1429
[46] https://www.futek.com/calibration-services-faq
[47] https://www.wika.com/en-us/f2301_f23c1_f23s1.wika
[48] https://www.strainsert.com/faq-on-force-sensor-performance/
[49] https://tml.jp/e/knowledge/faq/strain_gauge.html
[50] https://tech.alpsalpine.com/e/products/faq/sensor-piezo/
[51] https://www.dwyeromega.com/en-us/resources/load-cell-faq
