智能壓力傳感器的分析和應用研究

吳昊宸

摘 要：本文對智能壓力傳感器的發展以及應用展開了研究，并介紹了新型智能壓力傳感器的幾個研究方向。通過兩種科學方法找出恰當的誤差優化方法，進而為多維力傳感器在應用上更加廣泛和精確，提出了自己的想法。

關鍵詞：傳感器；壓力；智能

1 智能壓力傳感器的發展及類型

1.1 智能壓力傳感器及發展介紹

智能壓力傳感器技術是將力信號轉化為電信號，通過微計算機，對大量數據進行處理，并根據自身特征進行自動調整。它作為測量和實現自動化的關鍵技術，在我們日常生活和生產工作中有著十分廣泛的應用。智能壓力傳感器的發展過程非常久遠。

早在1947年，貝爾實驗室發明了出了雙極性晶體管也就是三極管，從此半導體的時代開始了。而后，1954年，去其訪問的學者史密斯首次在半導體材料中發現，電阻會隨外力的作用而變化。在此基礎上，硅杯的發明實現了金屬和硅之間可共晶體，它可以集成化，小巧，而且商業價值較高。人們利用硅的各向異性在多個表面同時進行處理，使大規模生產成為了可能。信息時代的來臨，導致所有的技術都能用計算機來控制，微計算機實現了數據的快速處理和自動補償與調節，從而有了智能壓力傳感器。

1.2 智能壓力傳感器的分類及發展趨勢

1.2.1 光纖壓力傳感器

敏感元件受到壓力，利用科學手段測出光通過擋板過程中力的強度改變量。醫學上測量擴張動脈壓力就是根據這一原理。

1.2.2 電容式傳感器

通過一個焊接圓環將基片和氧化鋁連接起來就是一個簡單的電容式傳感器。它不需要溫度補償就可以長期保持可靠性和精度，并具有被破壞后不會產生任何污染的突出優點，因此具有廣泛的應用前景。

1.2.3 新材料傳感器

硅化碳是近期發明的新型半導體材料。而其主要貢獻就是它可以制作成耐高溫材料這樣就會使傳感器更加穩定，制作更加簡單。

1.2.4 多維力傳感器

它的可測量維度提升到了兩個以上。現在國際上已經有少數國家研究并生產，我們國家也在迎頭趕上，并已將其成功運用在了機器人領域。

綜合上述幾種壓力傳感器，我們可以發現，壓力傳感器的研究方向主要包括：

（1）小型化：例如美國生產的2～500PSI的傳感器，可以放置在人體血管中而不影響正常生活。

（2）集成化：多樣集成的系統可以幫助人們進行大規模的科學管理和操作，

提高工作的速度和效率。

（3）標準化：諸多質量管理體系保證了壓力傳感器的國際適應性。

（4）智能化：在普通傳感器的基礎上加一些微處理器，就可以自動補償、診斷、判斷。我們可以將其應用在各類壓力傳感器中，從而滿足各種生活以及生產需求。

2 多維力傳感器的誤差分析及解決優化

智能傳感器的應用領域非常廣，其中多維力智能傳感器更是規模不斷擴大，并逐漸走向國際化。因此，我們以多維力智能傳感器為例，分析誤差及解決優化。

應變式多維力傳感器通過彈性體將力信號產生的形變換成電信號輸出。在外力F作用下，引起應變輸出V的改變具體如下：

V = CF

式中： V為傳感器的應變輸出，F為傳感器所受外力，C為特征矩陣，而特征矩陣一般都是隨著傳感器不同而不同。

當我們進行實驗的時候，外力和應變輸出必定存在測量誤差，矩陣 C 的誤差 ΔC會更大，由此我們建立新的誤差公式：

V + ΔV =（C + ΔC） （F + ΔF）

基于此我們可以通過兩種方法進行探究分析，來確定如何更加科學準確的優化多維力傳感器誤差。

2.1 目標函數優化法

我們首先找尋各個參數與矩陣C之間的關系。利用仿真模擬來確定各彈性體參數之間的關系，建立復雜的力學模型。

2.2 正交實驗設計-極差分析法

不同特征參數和不同力之間有無數種優化組合方式，計算量非常大，而且計算結果不充分。正交極差法可以有效減少計算力，并做到結果更加準確、全面。

因此我們可以得出結論：正交極差法減小了傳感器的傳遞誤差，而目標函數優化法則是關于結構參數來分析性能。雖然二者的出發點有所不同但是我們可以將二者聯系起來，配合使用，以達到最佳效果。

3 多維力傳感器在機器人領域的應用

智能壓力傳感器在工業上的應用，機器人是一個十分重要領域。多個壓力傳感器的使用，可以使仿生機器人更高效。多維力傳感器主要是在各個關節之間提供信息甚至是三維空間的信息。

例如早期對于水下機器人中的應用，只是簡單的位置關系控制，對于焊接機器人，只要提前設計好運動路線，就可以不費力又準確完成任務。假如機器人正在進行輪廓跟蹤，去毛刺時，機器與物間之間有力的約束，不能實現簡單的位置控制，應該引入力控制。而力控制的信息來源則是多維力智能壓力傳感器了；還有機器人仿真手進行裝配作業，也是多維力傳感器的重要作用。

4 結束語

智能壓力傳感器的一次次進步只是我們人類智慧結晶的一個小小的體現。諸多行業包括了機器人、汽車、生物學、航空、輕紡工業等，都具有巨大的發展前景。由此可見，廣泛的領域造就廣泛的市場，美日市場的壟斷性生產必不能阻止我國智能壓力傳感器的生產水平的提高。如果在六維力智能壓力傳感器的基礎上，與其他傳感器配合使用甚至合并集成處理。比如，在機器人手指再加上溫度傳感器，可以隨時感知部位溫度以達到人類對于溫度的反應能力，避免傷害等。相關問題，還有更多空間值得我們去研究和探討。

參考文獻：

[1] 孫松良.機器人多維力傳感器結構設計[D].合肥工業大學，2005.

[2] 吳寶元，申飛，吳仲城.應變式多維力傳感器結構優化設計方法研究[J].傳感技術學報，2010（10）：1412～1416.