吳昊宸

摘 要：本文對智能壓力傳感器的發(fā)展以及應(yīng)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(xué)方法找出恰當(dāng)?shù)恼`差優(yōu)化方法，進而為多維力傳感器在應(yīng)用上更加廣泛和精確，提出了自己的想法。

關(guān)鍵詞：傳感器；壓力；智能

1 智能壓力傳感器的發(fā)展及類型

1.1 智能壓力傳感器及發(fā)展介紹

智能壓力傳感器技術(shù)是將力信號轉(zhuǎn)化為電信號，通過微計算機，對大量數(shù)據(jù)進行處理，并根據(jù)自身特征進行自動調(diào)整。它作為測量和實現(xiàn)自動化的關(guān)鍵技術(shù)，在我們?nèi)粘Ｉ詈蜕a(chǎn)工作中有著十分廣泛的應(yīng)用。智能壓力傳感器的發(fā)展過程非常久遠。

早在1947年，貝爾實驗室發(fā)明了出了雙極性晶體管也就是三極管，從此半導(dǎo)體的時代開始了。而后，1954年，去其訪問的學(xué)者史密斯首次在半導(dǎo)體材料中發(fā)現(xiàn)，電阻會隨外力的作用而變化。在此基礎(chǔ)上，硅杯的發(fā)明實現(xiàn)了金屬和硅之間可共晶體，它可以集成化，小巧，而且商業(yè)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(guī)模生產(chǎn)成為了可能。信息時代的來臨，導(dǎo)致所有的技術(shù)都能用計算機來控制，微計算機實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的快速處理和自動補償與調(diào)節(jié)，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(fā)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(xué)手段測出光通過擋板過程中力的強度改變量。醫(yī)學(xué)上測量擴張動脈壓力就是根據(jù)這一原理。

1.2.2 電容式傳感器

通過一個焊接圓環(huán)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(chǎn)生任何污染的突出優(yōu)點，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。

1.2.3 新材料傳感器

硅化碳是近期發(fā)明的新型半導(dǎo)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(wěn)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?，F(xiàn)在國際上已經(jīng)有少數(shù)國家研究并生產(chǎn)，我們國家也在迎頭趕上，并已將其成功運用在了機器人領(lǐng)域。

綜合上述幾種壓力傳感器，我們可以發(fā)現(xiàn)，壓力傳感器的研究方向主要包括：

（1）小型化：例如美國生產(chǎn)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(tǒng)可以幫助人們進行大規(guī)模的科學(xué)管理和操作，

提高工作的速度和效率。

（3）標準化：諸多質(zhì)量管理體系保證了壓力傳感器的國際適應(yīng)性。

（4）智能化：在普通傳感器的基礎(chǔ)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(yīng)用在各類壓力傳感器中，從而滿足各種生活以及生產(chǎn)需求。

2 多維力傳感器的誤差分析及解決優(yōu)化

智能傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣，其中多維力智能傳感器更是規(guī)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(yōu)化。

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

V = CF

式中： V為傳感器的應(yīng)變輸出，F(xiàn)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(dāng)我們進行實驗的時候，外力和應(yīng)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(xué)準確的優(yōu)化多維力傳感器誤差。

2.1 目標函數(shù)優(yōu)化法

我們首先找尋各個參數(shù)與矩陣C之間的關(guān)系。利用仿真模擬來確定各彈性體參數(shù)之間的關(guān)系，建立復(fù)雜的力學(xué)模型。

2.2 正交實驗設(shè)計-極差分析法

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

因此我們可以得出結(jié)論：正交極差法減小了傳感器的傳遞誤差，而目標函數(shù)優(yōu)化法則是關(guān)于結(jié)構(gòu)參數(shù)來分析性能。雖然二者的出發(fā)點有所不同但是我們可以將二者聯(lián)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(lǐng)域的應(yīng)用

智能壓力傳感器在工業(yè)上的應(yīng)用，機器人是一個十分重要領(lǐng)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(guān)節(jié)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(yīng)用，只是簡單的位置關(guān)系控制，對于焊接機器人，只要提前設(shè)計好運動路線，就可以不費力又準確完成任務(wù)。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(xiàn)簡單的位置控制，應(yīng)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(yè)，也是多維力傳感器的重要作用。

4 結(jié)束語

智能壓力傳感器的一次次進步只是我們?nèi)祟愔腔劢Y(jié)晶的一個小小的體現(xiàn)。諸多行業(yè)包括了機器人、汽車、生物學(xué)、航空、輕紡工業(yè)等，都具有巨大的發(fā)展前景。由此可見，廣泛的領(lǐng)域造就廣泛的市場，美日市場的壟斷性生產(chǎn)必不能阻止我國智能壓力傳感器的生產(chǎn)水平的提高。如果在六維力智能壓力傳感器的基礎(chǔ)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(yīng)能力，避免傷害等。相關(guān)問題，還有更多空間值得我們?nèi)パ芯亢吞接憽?/p>

參考文獻：

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[2] 吳寶元，申飛，吳仲城.應(yīng)變式多維力傳感器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2010（10）：1412～1416.