相比其他维度力传感器,六维力传感器技术、资金壁垒最高。
六维力传感器的技术难度和使用难度都比较大,它不是三个一维力传感器和三个扭矩传感器结构的简单叠加,它的非线性力学特征明显,要考虑多通道信号的温漂、蠕变、交叉干扰、数据处理的实时性,再加之六维联合加载标定的复杂性,六维力传感器的技术难度可谓是一维力传感器难度的六次方。
因此除了传统力传感器的关键技术外,为了保证六维力传感器的稳定性和精确度,其核心技术包括解耦方法、六维联合加载标定检测系统、降低零点漂移和温度漂移等。以上这些技术既涉及到非常专业的硬件、软件设计开发能力,又必须依赖大量的实践经验指导和高精度的设备,且部分设备需要自研,投入成本较高。
六维力传感器行业也存在人才壁垒。六维力传感器有两个特点,一个是作为测量仪器它对可靠性要求很高,所以需要完善的专业工程师团队;另外,六维力传感器涉及的领域众多且附加值很高,需要专业的有行业深耕的技术专家。研发六维力传感器需要涉及多个领域的专业人才,以确保从理论到实践的全面覆盖。
壁垒一:需要通过解耦来减少串扰,解耦方法的掌握存在技术门槛
多维力传感器的维间耦合又称维间干扰(串扰),即在涉及多个负载的测量任务时,当精确施加(输入)某一单维度力或力矩时,原理上基于泊松效应,由于传感器的横向灵敏度,在其他轴上也有很小的输出信号,即其他维度会产生力分量的输出,影响传感器的精度。多维力传感器不可避免地会存在维间耦合,其误差大小与传感器的结构参数、加工精度、贴片工艺、测量原理等多重因素有关,一般用串扰指标来衡量多维力传感器各测量方向间的耦合影响,反映测量误差水平。比较优秀的串扰在 1%FS(Full Scale,全量程)左右,2-5%FS 比较常见。
减少多维力传感器耦合误差的方式主要有结构解耦和算法解耦两种。其中,结构解耦指改变结构和材料、改善加工工艺等,即从根源上进行结构解耦,例如采用并联式的传感器结构等。尽管结构解耦理论上可以完全解耦,但在实际应用中传感器的本体结构无论如何优化,都无法实现对载荷的完全解耦,因此为了彻底对三个方向的力和力矩进行解耦,还必须引入数学模型,即算法解耦。算法解耦也被称为软件解耦,指利用合适的算法推导出六维力传感器输入值与输出值的关系。
实现软件解耦的方法有两种:第一种是线性解耦,最常用的是最小二乘法;第二种是维间(非线性)解耦,适用于线性解耦无法解决问题的场合,最常使用的是机器学习算法,包括 BP(back propagation,反向传播)神经网络、随机森林和极限学习机等,将传感器的八通道输出信号代入机器学习模型就可以计算出三个方向的力和力矩的精确值。由于传感器结构和电桥电路的非线性,最小二乘法求得的结果误差较大,因此工业中多用非线性解耦算法来进行求解。
不论是结构解耦,还是算法解耦,均存在技术门槛。结构解耦虽然原理简单,但结构设计存在较多难点,包括每个测量单元的变形模式必须有选择性、测量单元的结构必须和电路相结合、传感器本体(弹性体结构)刚性与灵敏度以及小型化之间的平衡等等,因此结构设计及优化是六维力传感器产品能成功研制的基础,且需要深入的专业知识和丰富的设计经验才能驾驭这项工作。
此外,结构解耦会增加加工难度和制造成本,综合国内外现状,维间耦合较小的弹性体结构普遍过于复杂、制造困难,而且都有其特定的应用范围,不利于传感器产品的一致性。而算法解耦中,非线性算法的训练样本以及模型的非线性模拟能力将会直接影响传感器新能与生产效率,同时高效的软件解耦技术涉及到 MDOE(现代试验设计)和统计分析等专业知识和某些特定的经验方法,是常规力学传感器厂商无法在短期内掌握和摸索出来的,构成了一定技术门槛。
壁垒二:需要六维联合加载检定来进行解耦、提高精准度,设备研制存在门槛
首先,检定(检测与标定)将直接影响传感器的解耦过程和解耦结果的检验。传感器的标定是指获得传感器固件参数,检测是获得传感器的精准度。
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