Сверхтонкие пленочные датчики давления от Tekscan

Пленочные резистивные датчики давления характеризуются невысокой стоимостью, простотой использования, а главное минимальной толщиной, что делает их оптимальным выбором для многих приложений. Датчики Teksan в отличие от аналогов имеют два резистивных слоя. Это позволяет им обеспечить более высокую линейность и стабильность сопротивления, а также расширенный диапазон рабочих нагрузок. При этом толщина сенсора остается минимальной – всего 0,2 мм
1553
В избранное

Пленочные резистивные датчики давления представляют собой многослойную конструкцию, включающую гибкое основание, слой электродов и слой резистивной пленки. При нажатии на поверхность датчика происходит замыкание электродов через резистивный слой, при этом выходное сопротивление сенсора оказывается обратно пропорциональным приложенному усилию.

Компания Teksan предлагает улучшенные пленочные датчики давления FlexiForce. Их главным конструктивным отличием становится удвоение числа функциональных слоев. У сенсоров FlexiForce есть два резистивных слоя и два слоя электродов (рис. 1).

Конструкция датчиков FlexiForce

Рис. 1. Конструкция датчиков FlexiForce

Несмотря на увеличение числа слоев, толщина сенсоров FlexiForce остается минимальной – всего 0,008 дюймов, то есть около 0,2 мм (рис. 2).

Датчики давления FlexiForce от Teksan имеют толщину всего 0,8 дюймов (0,2 мм)

Рис. 2. Датчики давления FlexiForce от Teksan имеют толщину всего 0,8 дюймов (0,2 мм)

В семействе FlexiForce присутствуют модели, которые обладают не только малой толщиной, но и весьма компактными размерами. Например, диаметр чувствительной зоны сенсора A101 составляет 3,8 мм, а полный его диаметр 7,6 мм, что сравнимо с размерами булавочной головки (рис. 3). В то же время самая крупная из стандартных моделей A502 имеет квадратную форму и размер чувствительной зоны 50,8 x 50,8 мм.

Самый маленький стандартный датчик FlexiForce™ A101 имеет диаметр чувствительной зоны 3,8 мм

Рис. 3. Самый маленький стандартный датчик FlexiForce™ A101 имеет диаметр чувствительной зоны 3,8 мм

Использование структуры с удвоенным числом резистивных слоев совместно с другими особенностями позволяет датчикам FlexiForce обеспечивать сразу несколько важных преимуществ по сравнению с традиционными пленочными резистивными датчиками давления:

  • Повышение линейности. Для FlexiForce зависимость проводимости (величина, обратная сопротивлению 1/R) от приложенного усилия оказывается практически линейной, в то время как для обычных датчиков характеристика имеет изгибы в области больших и малых нагрузок.
  • Уменьшение временной погрешности. При приложении к резистивному датчику постоянного усилия его сопротивление продолжает меняться с течением времени. Это особенно заметно в течение первых 3-5 минут после начала воздействия. По утверждению Teksan величина дрейфа для датчиков FlexiForce оказывается в два раза ниже.
  • Повышенная точность при выполнении динамических измерений. При измерении динамических усилий погрешность датчиков FlexiForce также оказывается почти в 2 раза меньше. Например, максимальное отклонение при выполнении 5 измерений длительностью 10 секунд и усилием 20 Н для стандартных датчиков составляет около 12,4%, а для FlexiForce 7,4%.
  • Расширенный диапазон измерений. Традиционные пленочные датчики давления, как правило, имеют рабочий диапазон 0,2…20 Н. Нижнее значение, как уже было сказано выше, ограничено нелинейностью зависимости проводимости. В то же время датчики FlexiForce способны работать с диапазоном нагрузок 0…44,4 Н и даже выше.

Таким образом, FlexiForce демонстрируют повышенную стабильность и точность измерений, а также расширенный рабочий диапазон нагрузок. Все это приводит к тому, что по сравнению с обычными пленочными датчиками давления сенсоры от Teksan имеют более широкий диапазон приложений. На сайте www.tekscan.com в разделе Applications представлено несколько десятков конкретных примеров использования сенсоров FlexiForce и чувствительных матриц давления. Рассмотрим некоторые наиболее интересные из них (рис. 4).

Контроль присутствия водителя погрузчика (рис. 4а). По данным управления по охране труда Министерства труда США в прошлом году было зарегистрировано 85 несчастных случаев со смертельным исходом при работе с вилочными погрузчиками. Общее число несчастных случаев, повлекших тяжелые увечья, составило 34900. Большая часть инцидентов стала следствием того, что оператор покидал водительское место в процессе работы. Датчики FlexiForce стали простым и недорогим решением этой проблемы. Сенсор располагается непосредственно под сиденьем и без проблем обнаруживает отсутствие водителя.

Система контроля состояния водителя (рис. 4б). Благодаря минимальной толщине сенсоры FlexiForce могут быть вшиты в водительские перчатки. Если водитель засыпает, то датчики позволяют обнаружить уменьшение давления пальцев на руль. Система контроля проводит опрос датчиков и выдает предупреждающие сигналы.

Контроль натяжения ремней валов в типографских станках (рис. 4в). Благодаря широкому диапазону рабочих давлений и малым габаритам датчики FlexiForce позволяют автоматически контролировать усилие натяжения ремней типографских станков.

Контроль закрытия дверей автомобиля (рис. 4г). Пленочные датчики могут стать альтернативой концевым выключателям, используемым для контроля закрытия дверей автомобиля.

Автоматическая калибровка усилия установщиков компонентов (рис. 4д). В процессе работы установщика компонентов необходимо контролировать усилие нажатия пневматического сопла на печатную плату. Эту проверку можно автоматизировать с помощью датчиков FlexiForce.

Контрольный стенд для автомобильных шин (рис. 4е). Кроме датчиков FlexiForce компания Teksan производит и чувствительные матрицы, которые объединяют множество датчиков давления (о них будет сказано чуть позже). С помощью этих матриц можно строить двухмерные картины распределения усилий. В частности такая система используется для исследования качества сцепления автомобильных шин с дорогой.

Система определения прикуса (рис. 4ж). Для обнаружения отклонений в прикусе пациента также могут быть использованы чувствительные матрицы.

Стенд контроля пружин (рис. 4з). Чувствительные матрицы также применяются в системах автоматического контроля при производстве пружин.

Примеры использования чувствительных матриц и датчиков давления FlexiForce (источник: https://www.tekscan.com/)

Рис. 4. Примеры использования чувствительных матриц и датчиков давления FlexiForce

Рассмотрим некоторые особенности использования датчиков давления от Teksan. Как уже было сказано выше, сопротивление сенсора (Rs) оказывается обратнопропорциональным приложенному усилию. Однако обратная величина – проводимость (1/R) имеет линейный характер (рис. 5). Именно проводимость удобно использовать для определения приложенной нагрузки.

Зависимость сопротивления и проводимости датчика A101 от нагрузки 

Рис. 5. Зависимость сопротивления и проводимости датчика A101 от нагрузки 

Обычно для обеспечения требуемого динамического диапазона используется инвертирующая схема усиления на ОУ (рис. 6). В этом случае величина проводимости рассчитывается по формуле:

(1/Rs) = - Vout / (Vref·Rf).

При этом сигнал Vref может быть постоянным либо переменным. Однако и в том и в другом случае нельзя превышать максимально допустимое значение тока опроса датчика. Например, для FlexiForce™ A101 максимальный ток опроса не должен превышать 2,5 мА.

Схема усиления сигнала от датчика давления FlexiForce™ A101

Рис. 6. Схема усиления сигнала от датчика давления FlexiForce™ A101

В настоящий момент номенклатура стандартных датчиков давления FlexiForce от Teksan достаточно разнообразна (рис. 7).

A101 – самый компактный датчик семейства диаметром 7,6 мм (диаметр чувствительной зоны 3,8 мм). Имеет двухвыводное исполнение и позволяет измерять вес до 4,5 кг (44,1 Н). Возможно измерение повышенных нагрузок при соответствующих изменениях схемы усиления. Диапазон рабочих температур для A101 составляет -40…60°C.

A201 – круглый трехвыводной датчик с диаметром чувствительной зоны 9,5 мм. Выпускается в трех модификациях с различными диапазонами измерений: Low до 4,4 Н, Medium до 111 Н, High до 445 Н. Возможно измерение повышенных нагрузок при соответствующих изменениях схемы усиления. Диапазон рабочих температур -40…60°C. Существуют модификации с различной длиной шлейфа: 190,5 мм, 152,4 мм, 101,6 мм, 50,8 мм.

HT201 – высокотемпературная версия датчика A201. Диапазон рабочих температур для HT201 составляет -40…200°C. Стандартный диапазон измерений 0…222 Н, однако, возможно выполнение измерений вплоть до 2224 Н при соответствующих изменениях схемы усиления.

A301 – круглый двухвыводной датчик с диаметром чувствительной зоны 9,5 мм и длиной шлейфа 25,4 мм. Выпускается в четырех модификациях с различными диапазонами измерений: Low до 4,4 Н, Medium до 111 Н, High до 445 Н. Возможно измерение повышенных нагрузок при соответствующих изменениях схемы усиления. Диапазон рабочих температур -40…60°C.

ESS301 – версия A301 для приложений с повышенной влажностью и температурой. Отличается составом резистивного слоя. Стандартный диапазон измерений до 4,4Н, однако возможно выполнение измерений вплоть до 2224 Н при соответствующих изменениях схемы усиления. Диапазон рабочих температур -40…85°C.

A301 – круглый двухвыводной датчик с большим диаметром чувствительной зоны 25,4 мм и длиной шлейфа 56,9 мм. Диапазон измерений до 111 Н (предельная нагрузка 31138 Н). Диапазон рабочих температур -40…60°C.

A502 – самый крупный датчик давления с размером чувствительной зоны 50,8 x 50,8 мм. Стандартный диапазон измерений до 222 Н. Возможно измерение повышенных нагрузок при соответствующих изменениях схемы усиления.

Стандартные датчики FlexiForce

Рис. 7. Стандартные датчики FlexiForce

Стоит отметить, что Tekscan предлагает свои услуги по проектированию и изготовлению нестандартных сенсоров: с различными размерами, с произвольной формой, с несколькими датчиками на одной подложке, с возможностью размещения крепежных отверстий, с подстраиваемым числом датчиков (рис. 7).

Кроме стандартных датчиков, компания Tekscan предлагает и нестандартные решения по требованию заказчика

Рис. 8. Кроме стандартных датчиков, компания Tekscan предлагает и нестандартные решения по требованию заказчика

В номенклатуре Tekscan есть и другие типы резистивных датчиков. Например, кольцевые сенсоры FlexiPot, используемые в качестве датчиков положения (рис. 9).

Пример кольцевого датчика положения FlexiPot

Рис. 9. Пример кольцевого датчика положения FlexiPot

Как уже отмечалось выше, компания Tekscan также производит чувствительные резистивные матрицы. Номенклатура стандартных чувствительных матриц от Tekscan насчитывает почти сотню представителей самой различной формы и размеров. Каждая матрица состоит из огромного числа независимых датчиков, которые называются «сенселами» (рис. 9). При нажатии на область матрицы сопротивление каждого сенсела изменяется в соответствии с приложенным к нему усилием.

 Чувствительная матрица состоит из независимых датчиков – сенселов

Рис. 10. Чувствительная матрица состоит из независимых датчиков – сенселов

Если организовать систему построчного считывания, то удается получить картину распределения усилия. Эта картина оказывается особенно наглядной, если ее представить в виде графической диаграммы (рис. 11).

Пример распределения давления при нажатии на чувствительную матрицу

Рис. 11. Пример распределения давления при нажатии на чувствительную матрицу

Для быстрого ознакомления с сенсорами FlexiForce предлагается два отладочных набора.

FlexiForce™ OEM Development Kit – набор, включающий отладочную плату, пару датчиков (A201-1 и A201-25), USB-кабель, клеммы для подключения батарейки. Отладочная плата подключается к ПК и содержит флешку с ПО (рис. 12).

Отладочный набор FlexiForce™ OEM Development Kit

Рис. 12. Отладочный набор FlexiForce™ OEM Development Kit

FlexiForce™ Quickstart Board – набор, включающий отладочную плату, клеммы для подключения батарейки, пару датчиков A201-1 и A201-25 (поставляются на ограниченное время) (рис. 13).

Отладочный набор FlexiForce™ Quickstart Board

Рис. 13. Отладочный набор FlexiForce™ Quickstart Board

Для работы с чувствительными матрицами предлагается использовать готовые сканеры, например, VersaTek Handle и программное обеспечение от Tekscan (рис.  14).

Для работы с чувствительными матрицами предлагаются считывающие устройства и специальное ПО

Рис. 14. Для работы с чувствительными матрицами предлагаются считывающие устройства и специальное ПО

В заключение хотелось бы еще раз отметить, что пленочные датчики могут оказаться оптимальным или, даже, безальтернативным решением для целого ряда приложений, требующих минимальной толщины и компактных размеров.

Производитель: Tekscan
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
FlexiForce A101 Sensor
FlexiForce A101 Sensor
Tekscan
Арт.: 3167269 ИНФО PDF
4862,06
Поиск
предложений
Cамый компактный датчик семейства диаметром 7,6 мм (диаметр чувствительной зоны 3,8 мм).
FlexiForce A101 Sensor 4862,06
-
Поиск
предложений
FLX-A201-F
FLX-A201-F
Tekscan
Арт.: 3167271 ИНФО PDF
9292,80
Поиск
предложений
Круглый трехвыводной датчик с диаметром чувствительной зоны 9,5 мм. Выпускается в трех модификациях с различными диапазонами измерений: Low до 4,4 Н, Medium до 111 Н, High до 445 Н.
FLX-A201-F 9292,80
-
Поиск
предложений
FLX-A301-F
FLX-A301-F
Tekscan
Арт.: 3167272 ИНФО PDF
9292,80
Поиск
предложений
Круглый двухвыводной датчик с диаметром чувствительной зоны 9,5 мм и длиной шлейфа 25,4 мм. Выпускается в четырех модификациях с различными диапазонами измерений: Low до 4,4 Н, Medium до 111 Н, High до 445 Н.
FLX-A301-F 9292,80
-
Поиск
предложений
FLX-A502-D
FLX-A502-D
Tekscan
Арт.: 3167273 ИНФО PDF
14148,32
Поиск
предложений
Самый крупный датчик давления с размером чувствительной зоны 50,8 x 50,8 мм. Стандартный диапазон измерений до 222 Н.
FLX-A502-D 14148,32
-
Поиск
предложений
FLX- ESS301-D
FLX- ESS301-D
Tekscan
Арт.: 3167274 ИНФО PDF
7005,54
Поиск
предложений
Версия A301 для приложений с повышенной влажностью и температурой. Отличается составом резистивного слоя.
FLX- ESS301-D 7005,54
-
Поиск
предложений
FLX-HT201
FLX-HT201
Tekscan
Арт.: 3167275 ИНФО PDF
23277,74
Поиск
предложений
Высокотемпературная версия датчика A201. Диапазон рабочих температур для HT201 составляет -40…200°C.
FLX-HT201 23277,74
-
Поиск
предложений
OEM Development Kit_B
OEM Development Kit_B
Tekscan
Арт.: 3167276 ИНФО PDF
47117,50
Поиск
предложений
Набор включает отладочную плату, пару датчиков (A201-1 и A201-25), USB-кабель, клеммы для подключения батарейки. Отладочная плата подключается к ПК и содержит флешку с ПО.
OEM Development Kit_B 47117,50
-
Поиск
предложений
Quickstart_B
Quickstart_B
Tekscan
Арт.: 3167278 ИНФО PDF
20193,21
Поиск
предложений
Набор включает отладочную плату, клеммы для подключения батарейки, пару датчиков A201-1 и A201-25.
Quickstart_B 20193,21
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()