智能压力传感器的分析和应用研究

吴昊宸

摘 要：本文对智能压力传感器的发展以及应用展开了研究，并介绍了新型智能压力传感器的几个研究方向。通过两种科学方法找出恰当的误差优化方法，进而为多维力传感器在应用上更加广泛和精确，提出了自己的想法。

关键词：传感器；压力；智能

1 智能压力传感器的发展及类型

1.1 智能压力传感器及发展介绍

智能压力传感器技术是将力信号转化为电信号，通过微计算机，对大量数据进行处理，并根据自身特征进行自动调整。它作为测量和实现自动化的关键技术，在我们日常生活和生产工作中有着十分广泛的应用。智能压力传感器的发展过程非常久远。

早在1947年，贝尔实验室发明了出了双极性晶体管也就是三极管，从此半导体的时代开始了。而后，1954年，去其访问的学者史密斯首次在半导体材料中发现，电阻会随外力的作用而变化。在此基础上，硅杯的发明实现了金属和硅之间可共晶体，它可以集成化，小巧，而且商业价值较高。人们利用硅的各向异性在多个表面同时进行处理，使大规模生产成为了可能。信息时代的来临，导致所有的技术都能用计算机来控制，微计算机实现了数据的快速处理和自动补偿与调节，从而有了智能压力传感器。

1.2 智能压力传感器的分类及发展趋势

1.2.1 光纤压力传感器

敏感元件受到压力，利用科学手段测出光通过挡板过程中力的强度改变量。医学上测量扩张动脉压力就是根据这一原理。

1.2.2 电容式传感器

通过一个焊接圆环将基片和氧化铝连接起来就是一个简单的电容式传感器。它不需要温度补偿就可以长期保持可靠性和精度，并具有被破坏后不会产生任何污染的突出优点，因此具有广泛的应用前景。

1.2.3 新材料传感器

硅化碳是近期发明的新型半导体材料。而其主要贡献就是它可以制作成耐高温材料这样就会使传感器更加稳定，制作更加简单。

1.2.4 多维力传感器

它的可测量维度提升到了两个以上。现在国际上已经有少数国家研究并生产，我们国家也在迎头赶上，并已将其成功运用在了机器人领域。

综合上述几种压力传感器，我们可以发现，压力传感器的研究方向主要包括：

（1）小型化：例如美国生产的2～500PSI的传感器，可以放置在人体血管中而不影响正常生活。

（2）集成化：多样集成的系统可以帮助人们进行大规模的科学管理和操作，

提高工作的速度和效率。

（3）标准化：诸多质量管理体系保证了压力传感器的国际适应性。

（4）智能化：在普通传感器的基础上加一些微处理器，就可以自动补偿、诊断、判断。我们可以将其应用在各类压力传感器中，从而满足各种生活以及生产需求。

2 多维力传感器的误差分析及解决优化

智能传感器的应用领域非常广，其中多维力智能传感器更是规模不断扩大，并逐渐走向国际化。因此，我们以多维力智能传感器為例，分析误差及解决优化。

应变式多维力传感器通过弹性体将力信号产生的形变换成电信号输出。在外力F作用下，引起应变输出V的改变具体如下：

V = CF

式中： V为传感器的应变输出，F为传感器所受外力，C为特征矩阵，而特征矩阵一般都是随着传感器不同而不同。

当我们进行实验的时候，外力和应变输出必定存在测量误差，矩阵 C 的误差 ΔC会更大，由此我们建立新的误差公式：

V + ΔV =（C + ΔC） （F + ΔF）

基于此我们可以通过两种方法进行探究分析，来确定如何更加科学准确的优化多维力传感器误差。

2.1 目标函数优化法

我们首先找寻各个参数与矩阵C之间的关系。利用仿真模拟来确定各弹性体参数之间的关系，建立复杂的力学模型。

2.2 正交实验设计-极差分析法

不同特征参数和不同力之间有无数种优化组合方式，计算量非常大，而且计算结果不充分。正交极差法可以有效减少计算力，并做到结果更加准确、全面。

因此我们可以得出结论：正交极差法减小了传感器的传递误差，而目标函数优化法则是关于结构参数来分析性能。虽然二者的出发点有所不同但是我们可以将二者联系起来，配合使用，以达到最佳效果。

3 多维力传感器在机器人领域的应用

智能压力传感器在工业上的应用，机器人是一个十分重要领域。多个压力传感器的使用，可以使仿生机器人更高效。多维力传感器主要是在各个关节之间提供信息甚至是三维空间的信息。

例如早期对于水下机器人中的应用，只是简单的位置关系控制，对于焊接机器人，只要提前设计好运动路线，就可以不费力又准确完成任务。假如机器人正在进行轮廓跟踪，去毛刺时，机器与物间之间有力的约束，不能实现简单的位置控制，应该引入力控制。而力控制的信息来源则是多维力智能压力传感器了；还有机器人仿真手进行装配作业，也是多维力传感器的重要作用。

4 结束语

智能压力传感器的一次次进步只是我们人类智慧结晶的一个小小的体现。诸多行业包括了机器人、汽车、生物学、航空、轻纺工业等，都具有巨大的发展前景。由此可见，广泛的领域造就广泛的市场，美日市场的垄断性生产必不能阻止我国智能压力传感器的生产水平的提高。如果在六维力智能压力传感器的基础上，与其他传感器配合使用甚至合并集成处理。比如，在机器人手指再加上温度传感器，可以随时感知部位温度以达到人类对于温度的反应能力，避免伤害等。相关问题，还有更多空间值得我们去研究和探讨。

参考文献：

[1] 孙松良.机器人多维力传感器结构设计[D].合肥工业大学，2005.

[2] 吴宝元，申飞，吴仲城.应变式多维力传感器结构优化设计方法研究[J].传感技术学报，2010（10）：1412～1416.