小量程测力传感器

传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。随着科技的发展，人类对各种测量的精度要求越来越高，要测量的数据也越来越多，于是各种各样的测量工具和传感器应运而生。 　　随着科技水平不断提高，传感器应用领域逐渐广泛，目前在汽车业、自动化工厂、物联网等方面都有应用。 　　80年代初中国进入测力传感器的研发和生产阶段，已经完全可以自主研发并生产了。由一开始的单点式称重传感器、S型拉压力传感器、轮辐式测力传感器、柱式称重传感器等到现在可以非标定制一些特别外形测力传感器。但无论是从传感器的精度还是寿命等来讲，都落后于欧美等国家，就连我们的邻国日本，他们测力传感器的技术起码也是领先我们15年左右。特别是最近几年，欧美一些老牌测力厂家研发出了一批微型压力传感器、小型称重传感器、小尺寸测力传感器等微型/小型/小尺寸/小体积/小量程的高精度测力传感器。这使得我国传感器在技术水平上进一步被抛在了后面。 　　据分析，我国传感器行业发展落后，国内传感器需求尤其是高端需求严重依赖进口，国产化缺口巨大，目前传感器进口占比80%，传感器芯片进口占比达90%.国产化需求迫切。 　　目前民营或合资企业的产品占据了中低端市场，传统技术和装备手段可以满足绝大多数产品的制造要求，市场发展状态良好。除个别厂家在个别品种方面将国外生产的芯片拿到国内封装出相关产品、占据市场较大份额外，其他高端产品均是国外厂商在垄断。 　　随着物联网等新兴产业的兴起，产业成为世界各国在高新技术发展中争夺的一个重要领域。近年来我国传感器产业快速增长，应用模式也日渐成熟。但由于产业档次偏低、技术创新能力较差，国内传感器产业呈现低端过剩、中高端被国外垄断的市场格局。传感器技术发展滞后已掣肘国内战略性新兴产业的顺利推进。 　　国有企业发展处于平稳增长状态，总体上跟不上国外最新技术发展的步伐，除少数厂家外，总体差距有扩大的趋势。这是因为传感器技术发展快，工艺和制造设备更新快，许多新设备国内厂商无法制造等原因造成的。并且设备的单台价格少则几十万美元，多则数百万美元，绝大多数厂家靠自身积累很难购买新型设备，致使在许多新技术、新工艺方面无法跟上国外企业飞速发展的步伐。

近日从闽侯经济技术开发区获悉，入驻该开发区的福建省计量院科研基地上月成功自主研制出世界量程最大的60兆牛力标准机，并与德国联邦物理技术研究院(PTB)50兆牛力标准装置力值比对成功，标志着这种力标准机的量程和精度均处于国际领先水平。除此之外，该院还自主研发了高精度衡器载荷测量仪、天然气用超声流量计远程在线诊断及检测系统等一批具有国际国内先进水平、引领产业升级的关键计量技术成果。　　省计量院院长许航介绍，力标准机可对测力仪、传感器、千斤顶等超大力值计量器具进行检定、校准及检测。60兆牛力标准机的研制成功，为国家航空航天、国防科工等领域提供了强大技术保障。基地自主研发的衡器载荷测量仪的样机已在福建科达衡器公司等4家应用单位进行长期试用，解决了企业生产的衡器仪器设备难以逐台进行出厂检验的难题，极大提升了企业的产品质量和市场竞争能力。　　许航告诉记者，检定一台150吨汽车衡，用传统砝码检定方法需运输砝码150吨，检定过程需搬卸砝码2300多吨，耗时4天~8天。而使用科研基地研制的衡器载荷测量仪，运输检定设备不超过1.5吨，对汽车衡进行全量程全性能检定仅需半天。以科达公司为例，之前年总产销量约为200台(套)汽车衡，应用该成果后，仅在福建地区就实现了年产销量800台(套)。　　“这一成果不仅填补了大型衡器非砝码检定装置的国际空白，解决了世界难题，还从根本上解决了基层计量技术机构检定汽车衡及衡器企业产品出厂检验难的问题。”许航说。　　此外，由该院主持完成的省科技厅重大专项“食品中致癌物的检测技术研究与仪器研制”，可快速检测大米、酒、粮油等产品中的致癌物质含量，项目成果应用有效提升有害物质的现场快速筛查、预警的监控水平，保障食品安全。目前，已经形成标准化批量生产。　　据了解，该院现已建成289项社会公用计量标准，具备了将具有先进水平的计量技术“嵌入”企业生产、工艺控制中的能力和水平。例如，建立全国最大的综合性能源计量数据在线监测公共服务平台，已服务省内738家重点耗能企业，为能源计量、安全生产和节能降耗提供了技术保障 研制的国内首 个“食品安全快速检测仪通用技术标准”帮助生产企业规范食品安全快速检测仪器的技术要求，推进了食品安全检测仪生产的综合示范性基础建设 “无线婴儿培养箱自动校准装置”的应用使婴儿培养箱的使用更加安全 国内首 个“污染源监控计量流动实验室”，对我省环境质量的维护和污染治理具有重要的技术支撑作用。　　记者获悉，该院科研基地一期工程去年8月完成综合验收，建有6栋工作大楼，实验室及科研办公面积32000平方米，其中恒温恒湿实验室约3000平方米。二期工程项目正进行规划设计及可研报批，预计年内动工建设，2019年完成并投用。二期工程建筑面积6000平方米，计划建设力学、电学、环境医学、标准物质等计量检测实验楼。

近日，中国科学院深圳先进技术研究院医工所微创中心研究员王磊团队在基于布拉格光栅光纤传感原理在微创手术的应用——活体组织触诊的研究中实现了活体组织的精准力信息反馈和肿块信息的定位检测功能。相关研究成果以Development of a Fiber Bragg Grating-based Force Sensor for Minimally Invasive Surgery ―Case Study of Ex-vivo Tissue Palpation为题，发表在IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement上。　　随着医疗技术的快速发展，微创手术（MIS）逐渐成为现实。但是，传统手术中发现的一些问题仍与MIS有关。例如，在进行微创外科手术期间，医护人员会暴露在手术室中发现的放射线和整形外科危害中。引入机器人辅助微创手术的技术成为了比传统微创手术更好的替代方案；然而，机器人辅助手术过程中伴随着外科医生的触觉丧失。外科医生通过操作机器人来进行微创手术，手术期间医生无法直接接触人体组织并且分析人体器官，因此无法保证所进行的手术的可靠性。在传统手术过程中，医生通过触觉去感知器官的异常情况，进而判断器官中是否存在肿瘤和肿块。但随着医疗机器人的普及，这种可获得的触觉信息尚未有效集成到机器人辅助的微创手术中，因此要求机器需要具有更高精确度和灵敏度的触觉信息反馈。深圳先进院科研人员在此基础上提出一种用于微创手术组织触诊中的高灵敏度布拉格光栅光纤（FBG）传感方案，与以往的电容式传感方案不同，光纤传感器与手术期间的磁共振(MR)系统和成像系统兼容。 　　为此，研究设计了用于微创手术的一维远端力传感器。其中，传感器结构中嵌有双光栅元件可用于解耦传感器在使用过程中受到的应变和温度交叉影响，实现更精准的力觉检测。研究中，科研人员基于双光栅元件结构设计出发，推导出相应的柔性结构理论模型。通过fmincon函数对柔性件进行了基于物理模型的优化设计，确定了结构的关键参数。采用有限元法对柔性件的静态和动态特性进行分析，在理论基础上验证了该柔性件的可行性。为了进一步提高传感器性能，并基于前馈神经网络对数据进行标定，该网络模型可精准预测力与波长偏移量的关系。研究还进行了温度补偿实验，验证了双光栅元件能够有效的进行温度解耦方案。实验结果表明，FBG传感器能够在1N范围内感知力值，平均相对误差小于满量程的2%；温度补偿后的误差0.8 mN。科研人员进一步对猪肝器官进行组织触诊实验，验证所提传感器设计在微创手术中的有效性和适用性。 　　研究实现了组织触诊中器官肿块信息的精准力反馈和定位检测，并提出了新型的温度解耦方案和传感器标定方法，为微创手术中手术机器人的触觉信息检测提供了有效技术路线，有望推动手术机器人在介入式医疗中的手术路径导航和机器控制中的应用。 　　研究工作得到国家自然科学基金、深圳市科技计划等的资助。 　　论文链接