Υπάρχουν πολλοί νόμοι της φυσικής που βασίζονται στην έννοια της Δύναμης. Η δύναμη, όταν εφαρμόζεται σε ένα αντικείμενο μάζας m, αλλάζει την ταχύτητα του αντικειμένου. Υπάρχουν πολλές έννοιες που σχετίζονται με τη δύναμη όπως η ώθηση, η έλξη και η ροπή. Όταν εφαρμόζεται σε ένα αντικείμενο, η ώθηση αυξάνει την ταχύτητα του αντικειμένου, ενώ το Drag μειώνει την ταχύτητα και η ροπή δημιουργεί αλλαγές στην ταχύτητα περιστροφής του αντικειμένου. Όταν υπάρχει μια ισορροπημένη κατανομή δυνάμεων στο αντικείμενο, δεν μπορεί να παρατηρηθεί επιτάχυνση. Με την πρόοδο της τεχνολογίας, εισάγεται ένας αισθητήρας που μπορεί να βοηθήσει στην παρακολούθηση της δύναμης, γνωστός ως Force Sensor.
Τι είναι ένας αισθητήρας δύναμης;
Ο Sir Franklin Eventoff, τη δεκαετία του 1970, βρήκε ότι ορισμένα υλικά, όταν υποστούν βία, μπορούν να αλλάξουν τις τιμές αντίστασης τους. Αυτά τα υλικά ήταν γνωστά ως Αντίσταση Ανίχνευσης Δύναμης. Αυτά τα υλικά χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ενός αισθητήρα που μπορεί να μετρήσει τη Δύναμη. A Force Sensor είναι ένας αισθητήρας που βοηθά στη μέτρηση της ποσότητας δύναμης που ασκείται σε ένα αντικείμενο. Παρατηρώντας την ποσότητα μεταβολής στις τιμές αντίστασης των αντιστάσεων ανίχνευσης δύναμης, μπορεί να υπολογιστεί η εφαρμοζόμενη δύναμη.
Δύναμη-αισθητήρας
Αρχή λειτουργίας
Η γενική αρχή λειτουργίας των Force Sensors είναι ότι ανταποκρίνονται στην εφαρμοζόμενη δύναμη και μετατρέπουν την τιμή σε μετρήσιμη ποσότητα. Υπάρχουν διάφοροι τύποι Force Sensors που διατίθενται στην αγορά με βάση διάφορα αισθητήρια στοιχεία. Οι περισσότεροι από τους αισθητήρες δύναμης έχουν σχεδιαστεί χρησιμοποιώντας αντιστάσεις Force-Sensing. Αυτοί οι αισθητήρες αποτελούνται από ένα φιλμ ανίχνευσης και ηλεκτρόδια.
Η αρχή λειτουργίας μιας αντίστασης ανίχνευσης δύναμης βασίζεται στην ιδιότητα της «Αντίστασης επαφής». Οι αντιστάσεις ανίχνευσης δύναμης περιέχουν ένα αγώγιμο πολυμερές φιλμ που αλλάζει την αντίστασή του με προβλέψιμο τρόπο όταν εφαρμόζεται δύναμη στην επιφάνειά του. Αυτή η μεμβράνη αποτελείται από υπο-μικρόμετρα, ηλεκτρικά αγώγιμα και μη αγώγιμα σωματίδια διατεταγμένα σε μήτρα. Όταν ασκείται δύναμη στην επιφάνεια αυτής της μεμβράνης, το μικροσωματίδιο αγγίζει τα ηλεκτρόδια του αισθητήρα, αλλάζοντας την αντίσταση της μεμβράνης. Το ποσό της αλλαγής που προκαλείται στις τιμές αντίστασης δίνει το μέτρο της ποσότητας δύναμης που εφαρμόζεται.
Για τη βελτίωση της απόδοσης των αντιστάσεων ανίχνευσης δύναμης γίνονται διάφορες προσπάθειες με πολλαπλές διαφορετικές προσεγγίσεις, όπως, για να ελαχιστοποιηθεί η μετατόπιση του πολυμερούς δοκιμάζονται διάφορες διαμορφώσεις ηλεκτροδίων, δοκιμάζοντας με αισθητήρα αντικαθιστώντας το πολυμερές με νέα υλικά όπως νανοσωλήνες άνθρακα, και τα λοιπά….
Εφαρμογές του αισθητήρα δύναμης
Η κύρια χρήση του αισθητήρα Force είναι η μέτρηση της ποσότητας δύναμης που εφαρμόζεται. Υπάρχουν διάφοροι τύποι και μεγέθη αισθητήρων δύναμης για διαφορετικούς τύπους εφαρμογών. Ορισμένες από τις εφαρμογές του αισθητήρα δύναμης που χρησιμοποιεί αντιστάσεις ανίχνευσης δύναμης περιλαμβάνουν κουμπιά ανίχνευσης πίεσης, σε μουσικά όργανα, ως αισθητήρες πληρότητας αυτοκινήτου, σε τεχνητά άκρα, σε συστήματα προφοράς ποδιών, επαυξημένη πραγματικότητα κ.λπ.….
Παραδείγματα αισθητήρων δύναμης
Υπάρχουν πολλοί τύποι αισθητήρων δύναμης για διαφορετικούς τύπους εφαρμογών. Μερικά από τα παραδείγματα των αισθητήρων δύναμης είναι Φόρτωση κελιών , κυψέλες πνευματικού φορτίου, κυψελίδες χωρητικού φορτίου, κυψέλες φορτίου καταπόνησης, κυψελίδες υδραυλικού φορτίου κ.λπ…
Εκτός από τους αισθητήρες δύναμης, υπάρχει επίσης μια κατηγορία μετατροπέων Force. Η κύρια διαφορά μεταξύ ενός αισθητήρα δύναμης και ενός μορφοτροπέα δύναμης είναι ότι ο μετατροπέας μετατρέπει την ποσότητα δύναμης που μετράται ή εφαρμόζεται σε ένα μετρήσιμο μικρό σήμα εξόδου ηλεκτρικής τάσης. Ενώ η έξοδος ενός αισθητήρα δύναμης δεν είναι ηλεκτρική τάση.
Πλεονεκτήματα του FSR
Η κυψέλη φόρτισης καταπόνησης είναι ένας αισθητήρας δύναμης καθώς και ένας μορφοτροπέας δύναμης. Σε σύγκριση με όλους τους άλλους αισθητήρες δύναμης, οι αισθητήρες δύναμης με αντιστάσεις ανίχνευσης δύναμης παρέχουν διάφορα πλεονεκτήματα όπως μικρό μέγεθος, χαμηλό κόστος και καλή αντίσταση σε κρούση. Λόγω του μικρού τους μεγέθους, χρησιμοποιούνται σε φορητά ηλεκτρονικά και βελτιωμένη αλληλεπίδραση μέσω κινητού. Το κύριο μειονέκτημα αυτών των αισθητήρων είναι η χαμηλή τους ακρίβεια καθώς οι μετρήσεις τους διαφέρουν κατά 10%.
Οι αισθητήρες δύναμης που βασίζονται σε αντιστάσεις δύναμης είναι επίσης γνωστοί ως FSR. Οι αισθητήρες FSR χρησιμοποιούνται σε συστήματα μεταφοράς για τη μέτρηση της πίεσης που ασκείται στα αγαθά ενώ τα μεταφέρουν από το ένα μέρος στο άλλο. Η λειτουργία του FSR μπορεί να αλλάξει αλλάζοντας τις ιδιότητες των αντιστάσεων ανίχνευσης δύναμης.
Η αντίσταση Force-Sensing απαιτεί μια μικρή διεπαφή και μπορεί να λειτουργήσει σε μέτρια εχθρικά περιβάλλοντα. Εδώ τα μικρά αγώγιμα και μη αγώγιμα σωματίδια διαμορφώνονται για να μειώσουν την εξάρτηση θερμοκρασίας από τον αισθητήρα, να αυξήσουν την αντοχή της επιφάνειας του αισθητήρα και να βελτιώσουν τις μηχανικές του ιδιότητες.
Με την πρόοδο της τεχνολογίας, σήμερα οι αισθητήρες παίζουν καθοριστικό ρόλο στη μέτρηση διαφόρων φυσικών φαινομένων. Το μικρό τους μέγεθος, η υψηλή αντοχή μας βοηθούν να τα χρησιμοποιούμε σε φορητά ηλεκτρονικά. Σήμερα, Αισθητήρες διατίθενται για τη μέτρηση της πίεσης, της πίεσης, της θερμοκρασίας, του χρώματος κ.λπ.… αντίσταση ανίχνευσης δύναμης κατοχυρώθηκαν με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας το 1977. Ποια είναι η μονάδα Force στο SI;
