力传感器定义、分类及产业链梳理

根据其测量原理不同，力传感器可以分为光电式、应变式、电容式、压电式 等类型。

力/力矩/力觉传感器是一种检测和度量力/力矩的装置，它能够将作用在其 上的力转换为电信号或其他形式的信号，以便于信息的收集、传输、处理、分析 和显示。这里我们将力、力矩、力觉传感器统称为力传感器，力传感器在工业自 动化、机器人技术、医疗设备、交通运输等多个领域都有广泛应用。

力传感器主要包括本体单元和应变/形变检测系统两大部分，由力敏元件、 转换元件和信号处理单元等具体元件组成，能将检测感受到的信息，按一定规律 变换成为电信号输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要 求。当有力作用时，力施加于传感器本体单元上，并引起本体单元的应变或形变， 检测系统（应变片或光学系统）可感知本体的应变或形变，通过电路将其转化为 相应电压，继而通过测量电压值来表征力的大小，并转换成可用输出信号，最终 实现力的测量。 在组成元件中，力敏元件指力传感器中直接感受或相应被测量的部分，转换 元件指力传感器中能将力敏元件感受或相应的被测量转换成适于传输或测量的 电信号部分。例如应变式力传感器的力敏元件是弹性敏感元件（弹性体），常见 的弹性体材料有铝合金、合金钢和不锈钢，转换元件为贴在弹性体上的应变片 （计），如电阻应变片，信号处理单元一般为电路，包括漆包线、PCB 板等，应变 片在电路中充当电阻。

按照测量维度的不同，可以分为一维至六维力传感器，每种类型的传感器根 据其测量的力的方向和作用点的不同，适用于不同的应用场景： 一维力传感器：这种传感器只能测量沿一个特定方向的力。适用于力的方向 和作用点固定不变的情况，例如简单的称重或压力测量。代表产品有称重传感器、 压力传感器等。 三维力传感器：能够测量三个正交方向上的力，通常是 X、Y 和 Z 轴方向。 适用于需要测量空间中任意方向力的场景，例如机器人的力控制。 六维力传感器：是一种特殊的力传感器，能够同时测量三个正交力和三个正 扭矩。这种传感器是维度最高的力觉传感器，能够提供最全面精准的力觉信息。 六维力传感器适用于需要精确控制和感知复杂交互力的应用，如机器人手术、精 密装配、拖动示教等。 最常见的是一维、三维和六维力传感器，二维（测量两个正交方向上的力， 通常是水平和垂直方向）、四维（在三维力传感器的基础上增加了对某一方向力 矩的测量）和五维（测量三个正交力和两个正交力矩）的力传感器较少。

根据其测量原理不同，力传感器可以分为光电式、应变式、电容式、压电式 等类型。每种类型的力传感器都有其特定的优势和局限性，选择哪种类型的传感 器通常取决于应用的具体需求，包括测量范围、精度、响应时间、成本和环境条 件等。目前，市场应用的六维力/力矩传感器大部分是基于应变式的测量。基于 压电、电容和光学等原理测量的传感器有一定的理论研究和实验，下游尚未得到 广泛应用。随着相关研究的不断深入，不同测量机理的传感器将会发挥自身优势 被应用到各种场合，进而推动六维力传感器向多元化方向发展。

应变式力检测器是依靠材料在受压时产生的形变来测量力量的装置。一般而 言，应变片（一种敏感元件）被固定在基底材料表面，当基底因受力而发生形变 时，应变片的电阻值会相应改变，通过监测这一电阻变化，可以确定施加的力量 大小。这种传感器因其出色的稳定性、高刚性、高信噪比、精确度、经济性和操 作便利性，在工业自动化、机器人技术以及多种测试设备中被广泛采用。 应变式力传感器根据应变片的类型，可以划分为金属电阻型应变片（如工具 钢、不锈钢、铝合金或铍铜等材料）或硅（半导体）应变片力传感器，后者在性 能上往往更优越。半导体应变片因其高灵敏度和迅速的响应速度，在需要精细测 量微小力量的场合中极为有用，如精密仪器、微电子设备和生物医学工程等领域。 而金属应变片则因其稳定性和耐用性，在工业环境中的力量测量中更为合适。在 挑选力传感器时，应根据具体的应用需求和环境条件来决定选用哪种类型的应变 片。例如，如果应用场景需要在高温或恶劣条件下工作，金属应变片可能是更佳 的选择；若需要测量微小力量或实现高精度控制，则硅基应变片可能更符合需求。

力传感器的设计和制造涉及力学、材料科学、电子工程等多个技术领域。以 应变式传感器为例，力传感器产业链上游主要为材料类、元器件及组件类、生产 或检测设备等细分行业，中游主要为力传感器的加工制造和封装检测，下游应用 领域广泛，可应用于工业、消费电子、汽车电子、机器人、医疗、航空航天等领 域。