核心要点一览 

在许多工业系统中，关键负荷发生在传统传感器根本无法可靠运行的地方。 考虑移动设备中的承重支架：暴露在振动、冲击、潮湿和污染中——但仍被要求为控制和优化提供精确的测量数据。

传统的传感器装置在这些环境中举步维艰。 它们需要空间、保护和精确的定位，往往增加了复杂性而不是解决问题。 这正是智能弹性体从根本上改变方法的地方。

通过将传感直接嵌入功能材料中，集成传感器的弹性体将无源组件转变为智能系统元件。 与其向系统添加传感器，不如让系统本身成为传感器——从而实现机械系统的实时监控、提高可靠性以及带有嵌入式传感器的可扩展预测性维护。

解决方案

集成传感器的弹性体通过将传感功能直接嵌入弹性体组件本身来克服这些局限性。 这种方法实现了机械功能与数据采集的无缝结合。

这项创新的核心是专有的负载传感弹性体 (LSE) 技术。

1. 单一组件，完全集成

弹性体同时充当：

• 阻尼元件
• 力与系统行为传感器

所有传感电子设备都完全集成到紧凑、超薄的传感器中，这意味着：

• 仅需一个外部接口（电缆）
• 无需单独的电子设备或外部信号调理
• 安装位置由组件本身固有地定义

这显著降低了集成复杂性，并确保了测量位置的一致性。

其结果是一个真正的智能弹性体——一个能够产生数据的结构部件。
 

2. 超薄且可扩展的设计

一个关键的区别在于极薄的传感器架构，使得在传统传感器无法使用的地方进行集成成为可能：

• 传感器厚度可以低于 1 毫米，允许嵌入紧凑的几何结构中
• 非常适合安装空间有限或有严格重量限制的应用

此外，该技术具有高度的可扩展性：

• 测力范围从几克到几公斤甚至更多
• 几何形状和尺寸可以根据具体的应用要求进行定制

这种灵活性使其既适用于高负荷工业系统，也适用于精密应用。
 

3. 通过集成算法提高精度

该传感器包含集成算法和信号处理，直接嵌入系统内部。

这些算法：

• 补偿滞后、漂移和非线性
• 提高测量精度和重复性
• 实现在动态负荷下的稳定数据采集

即使在高度变化的条件下，这也能确保机械系统的可靠实时监测。
 

4. 多参数传感和功能特性

除了力测量外，该系统还实现了真正的多参数传感，包括：

• 力（静态和动态）
• 振动和加速度（最高达 ±16 g）
• 角运动（陀螺仪感应最高达 ±2000 dps）
• 温度
• 循环计数（例如：旋转、振荡、重复运动）
• 过载检测，带有基于阈值的警告

通过将多种传感功能整合到单个紧凑组件中，这实现了利用弹性体进行的高级状态监测。
 

5. 专为严苛的操作条件而打造

弹性体封装提供了针对以下方面的固有保护：

• 水分和湿度（最高达 95% rH）
• 粉尘和污染
• 机械冲击和振动
• 温度变化

这使得该技术成为以下应用的理想选择：

• 具有持续振动的应用
• 在户外或工业环境中
• 传统传感器需要复杂保护的地方
   

6. 灵活使用：嵌入式或独立式

虽然针对集成到弹性体组件中进行了优化，但该传感器也可用于：

• 作为独立的传感器元件
• 集成到其他机械结构中
• 粘合到组件中，无需完全弹性体包覆成型

​​​​这种灵活性将其适用性扩展到了经典的弹性体使用场景之外。
 

7. 制造专长：在弹性体加工中存续

开发集成传感器的弹性体面临的一个关键挑战是集成工艺本身。 弹性体制造——特别是硫化过程——使组件暴露在高温、高压和化学侵蚀性环境中。

对于传统的电子设备，这一过程通常会导致：

• 材料退化
• 信号完整性丧失
• 传感器完全失效

Angst+Pfister 开发了专有的设计和工艺诀窍，使传感器能够经受住硫化过程而不丧失功能。

这包括：

• 适应弹性体加工的专用传感器架构
• 稳健的封装策略
• 确保可重复性的受控制造工艺

这种能力是在机械部件中实现可靠嵌入式传感器的关键驱动力，也是主要的工程技术优势。

结果与性能验证 

集成传感器的弹性体的性能优势是可衡量的：

参数	传统传感器	智能弹性体 (基于 LSE)
安装空间	高	极小
系统架构	多个组件	单个集成组件
过载电阻	有限	高达 500–1000% FS
测量响应时间	中等	<50 ms
测量能力	单参数	多参数传感选项

 

除了组件级规格外，性能还通过特定应用测试进行验证。 Angst+Pfister 拥有专门的内部测试台，能够实现：

• 在实际运行条件下（负载、振动、温度）进行验证
• 针对特定应用进行校准和优化
• 验证长期行为，包括循环计数和过载情况
   

这确保了解决方案不仅在概念上是合理的，而且在部署前经过测试并证明功能正常。

结论

智能弹性体代表了机械系统设计的根本转变。通过将传感直接集成到功能材料中，它们消除了对独立传感器的需求，同时提高了鲁棒性并简化了系统架构。

其特点包括：

• 超薄、可扩展的设计
• 具有单一接口的全集成电子设备
• 多参数传感和嵌入式算法
• 在恶劣环境下的可靠性能

结合专有的制造专业知识以及通过内部测试台进行的验证——这些系统不仅提供集成优势，还具有在真实条件下经过验证的可靠性。

随着系统不断向更高的集成化和智能化方向发展，集成传感器的弹性体将在实现高效、数据驱动的工程解决方案方面发挥关键作用。

 

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关于作者

迈克尔·泰斯特（Michael Tester）是Angst+Pfister传感器与电源公司（Angst+Pfister Sensors and Powers）的传感器设计工程主管，在将先进技术与材料科学相结合方面拥有超过10年的专业经验。他专长于开发集成传感器平台，将被动机械组件转化为适用于恶劣工业环境的智能数据生成系统。