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作者:王坤池(2004-07-02);推薦:徐業良(2004-07-02)

撓性壓力感測器“Flexiforce Sensor”介紹

壓力感測器廣泛的使用在許多機械設計中,作為基本的感測元件之ㄧ。常見的壓力感測元件多為剛性結構,本文介紹Tekscan公司生產之撓性壓力感測器“Flexiforce Sensor”的原理、構造、與使用方法。

1. Flexiforce Sensor基本規格

Flexiforce Sensor屬於壓阻效應型的壓力感測器,其優點包括負重與電阻變化具有高度線性關係,感測器本體非常薄(0.127 mm)且具有可撓性,屬於薄片式(thin-film) 感測元件。Flexiforce Sensor外觀如圖1所示,主要感測區域位於前端大小為直徑9.53mm的圓形區域,末端輸出的三支接腳則可適合於一般的麵包版使用。

1. Flexiforce Sensor外觀圖

Flexiforce Sensor依據負載大小分成Low (25 lbf)Medium(150 lbf)High(1000 lbf) 三種等級,而Low等級中又可細分為1lbs25lbs、以及100lbs三種規格。本文測試樣本即採用該等級中的25lbs規格。詳細性能規格表如表1所示。

Physical Properties

Thickness

0.005" (0.127 mm)

Length

6.000" (147 mm)

Width

0.55" (14 mm)

Active Sensing Area

0.375" (9.53 mm) diameter

Connector

3 pin post connector

Typical Performance

Linearity (error)

< ±5% (Line drawn from 0 to 50% load)

Repeatability

< ±2.5% of Full Scale (Conditioned Sensor, 80% of Full Force Applied)

Hysteresis

< 4.5 % of Full Scale (Conditioned Sensor, 80% of Full Force Applied)

Drift

< 3% / logarithmic time (Constant Load - 25 lb.)

Rise Time

< 20 µsec (Impact load - recorded on Oscilloscope)

Operating Temperature

5°F140°F (-9°C - 60°C)*

1. Flexiforce Sensor性能規格表

2. Flexiforce Sensor使用說明

Flexiforce Sensor屬於壓阻效應式壓力感測器,在沒有負載的狀況下,電阻值非常大(20MΩ)。隨著負載增加,電阻值開始下降。藉由不同負載時產生的電阻變化,配合使用電路,轉換成電壓變化,以便得到電壓-負載關係圖。以下便介紹四種Flexiforce Sensor使用方式。

(1)   使用範例電路

搭配使用如圖2之範例電路,在無負載狀況下輸出為0V,在100lbs輸出則是4.2V,輸出電壓與負載呈現高度的線性關係,電壓-負載關係圖如圖3所示。

2. 範例電路

3. 輸出電壓-負載關係圖

(2)   使用分壓電路

Flexiforce Sensor配合電阻,使用分壓電路,電路如圖4所示。藉由分壓電路可快速得到負載與輸出電壓關係圖。本測試採用2MΩ電阻,Flexiforce Sensor輸入電壓為5V

4. 分壓電路圖

(3)   使用Tekscan公司相關套件

Tekscan公司提供了一系列的產品可供Flexiforce Sensor搭配使用,形成了一套完整的量測系統。圖5所示ELF System可直接裝至於Flexiforce Sensor末端,同時透過RS232與電腦主機相連接,透過軟體可直接觀察多組Flexiforce Sensor即時受力狀況與圖表顯示,使用上相當方便,惟單價較高(USD$599~950)

5. ELF System

(4)   使用Parallax公司套件

ParallaxFlexiforce Sensor代理商之ㄧ,同樣推出適合的套件供Flexiforce Sensor使用。名為“Board of Education - Full Kit”的電路版套件,每組單價USD$119,包含電路板、電源供應器、RS232接頭、以及所需晶片組,如圖6所示。配合網站上的電路圖及程式下載,使用者一樣可以輕鬆的使用Flexiforce Sensor,操作畫面如圖7所示。

6. Board of Education - Full Kit

7. 操作畫面