應變式稱重感測器

應變式稱重感測器，1940年美國BLH公司和Revere公司總工程師A.Thurston（瑟斯頓）利用SR一4型電阻應變計研製出圓柱結構的應變式負荷感測器，用於工程測力和稱重計量，成為應變式負荷感測器的創始者。1942年在美國應變式負荷感測器已經大量生產，至今已有60多年的歷史 1938年美國加利福尼亞理工學院教授E.Simmons（西蒙斯）和麻省理工學院教授A.Ruge（魯奇）分別同時研製出紙基絲繞式電阻應變計，以他們名字的字頭和各有二位助手命名為SR-4型，由美國BLH公司專利生產。為研製應變式負荷感測器奠定了理論和物質基礎。

基本介紹

• 中文名：應變式稱重感測器
• 外文名：strain type weigh sensor

儀器歷史

1942年在美國應變式負荷感測器已經大量生產，至今已有60多年的歷史。

技術創新

1973年美國學者霍格斯特姆為克服正應力負荷感測器的固有缺點，提出不利用正應力，而利用與彎矩無關的切應力設計負荷感測器的理論，並設計出圓截工字形截面懸臂剪下梁型負荷感測器。打破了正應力負荷感測器的一統天下，形成了新的發展潮流。這是負荷感測器結構設計的重大突破。

1974年前後美國學者斯坦因和德國學者埃多姆分別提出建立彈性體較為複雜的力學模型，利用有限單元計算方法，分析彈性體的強度、剛度，應力場和位移場，求得最佳化設計。為利用現代分析手段和計算方法設計與計算負荷感測器開闢了新途徑。

70年代國中期，美、日等國的衡器製造公司開始研發商業用電子計價秤，急需小量程負荷感測器。傳統的正應力和新研製的切應力負荷感測器都不能實現幾公斤至幾十公斤量程範圍內的測量。美國學者查特斯提出用低彈性模量的鋁合金做彈性體，採用多梁結構解決靈敏度和剛度這對矛盾。設計出小量程鋁合金平行梁型負荷感測器，同時指出平行梁負荷感測器是基於不變彎矩原理，使利用平行梁表面彎曲應力的正應力結構，具有切應力負荷感測器的特點，為平行梁結構負荷感測器的設計與計算奠定了理論基礎，形成了又一個發展潮流。

蠕變是電阻應變計和鋁合金負荷感測器經常遇到和必需解決的關鍵問題。1978年前蘇聯學者科洛考娃通過對一維力學模型和應變傳遞係數的分析，提出控制電阻應變計敏感柵的柵頭寬度與柵絲寬度的比例，可以製造出不同蠕變值電阻應變計的理論，並成功的研製出系列蠕變補償電阻應變計。對低容量鋁合金負荷感測器減小蠕變誤差，提高準確度起到至關重要的作用，使電子計價秤用鋁合金負荷感測器多品種、大批量生產成為可能。

由於電子稱重技術的迅速發展，負荷感測器性能的評定方法，已不能滿足採用階梯公差帶評定準確度等級電子衡器的需要，急需與電子衡器準確度評定方法相適應的計量規程。80年代初，國際法制計量組織（OIML）質量測量指導秘書處決定將用於電子稱重的感測器與用於測力的感測器徹底分離，由美國負責的第8報告秘書處起草《稱重感測器計量規程》。經過OIML成員國書面表決後，在1984年10月第7屆法制計量大會上正式批准，並於1985年以OIML，R60國際建議頒布，下發到各成員國。各國正在執行的是R60的2000年版。可以說R60《稱重感測器計量規程》是各國稱重感測器進入國際市場的“通行證”。

隨著數位技術和信息技術的發展，各行業對數位化電子衡器的需求愈來愈多，提出用數字稱重系統突破模擬稱重系統局限性的要求，對此模擬式稱重感測器就無能為力了。因為在此之前，稱重感測器的研究都集中在硬體方面，例如：創新彈性體結構，改進制造工藝，完善電路補償與調整等。模擬式稱重感測器的輸出信號小，抗干擾能力差，傳輸距離短，稱重顯示控制儀表複雜，組秤調試周期長等缺點依然如故。為滿足數位化電子衡器的需求，美國TOLEDO、STS和CARDINAL公司，德國HBM公司等先後研製出整體型和分離型數字式智慧型稱重感測器，並以其輸出信號大，抗干擾能力強，信號傳輸距離遠，易實現智慧型控制等特點，成為數位化電子衡器和自動稱重計量與控制系統的必選產品，形成一個開發熱點。

90年代，由於稱重感測器的設計與計算等基本技術趨於成熟，稱重感測器的發展側重於工藝研究和套用研究，在產品標準化、系列化、工程化設計和規模化生產工藝等方面都有很大進步，主要是：

1、在結構與工藝設計中引入計算機擬實技術和虛擬技術；
2、在彈性體加工中納入柔性製造技術；
3、在生產工藝中採用計算機網路技術；
4、在穩定處理中移植了振動時效、共振時效新工藝；
5、在測試檢定中創造了自動快速檢測和動態比對方法。

套用技術研究也有突破性進展：在傳統稱重模組的基礎上，研製出新式稱重模組。這是套用新技術面對新挑戰的典型產品。其特點是組件化設計，具有“即插即用”功能，可減少由於偏重、熱效應影響，偶然超載等引起的稱重誤差，並可承受由於振動、衝擊、攪拌或其它外力引起的偏重。總之，70年代兩項技術突破，80年代兩個重大變革，90年代納入高新技術面對新挑戰的研發理念，極大地促進了稱重感測器技術的發展。

工業與商業電子秤用稱重感測器技術與製造工藝，美、德等工業已開發國家的著名製造公司處於國際市場引導者的領先地位，我國具有一定規模的稱重感測器製造公司處於市場挑戰者或市場追隨者地位。家用電子秤用稱重感測器的研發和生產中心在中國，在深圳，製造技術、工藝水平、產品質量和年產量逐年提高。

當今國際市場稱重感測器技術的競爭，集中表現在產品的準確度、穩定性和可靠性的競爭；製造技術與製造工藝的競爭；套用高新技術研發新產品和自主智慧財產權產品的競爭。各稱重感測器製造企業都在努力培植自己的核心競爭技術和打造核心競爭產品。

從近幾年國際衡器工業展覽會上展出的產品和對多家處於市場引導者地位的企業產品的分析可以得出這些企業的共同追求是：彈性體材質更精良；電阻應變計、補償元器件的技術要求和環境應力篩選更嚴格；製造工藝更精細；電路補償工藝更完善；外觀質量更完美。

稱重感測器的準確度、穩定性和可靠性是重要的質量指標，同時也是用戶最關心的問題。對此，這些企業在結構設計、製造工藝、電路補償與調整和穩定性處理等方面進行許多研究與試驗工作，取得較大進展。

主要成果

（1）在結構設計與計算過程中，引入計算機擬實技術進行動態仿真，動力學分析；在工藝設計過程中引入計算機虛擬技術，對彈性體生產工藝進行模擬和檢驗；

（2）在彈性體加工中，納入先進制造技術，變剛性製造為柔性製造。普遍採用加工中心、柔性製造單元和柔性製造系統；

（3）在生產全過程中，儘量減少手工操作、人為控制，增加半自動與自動控制、自動檢驗工序，並在生產工藝中採用計算機網路技術；

（4）改進、創新工藝裝備，實現高效智慧型電路補償，建立全自動快速檢測系統，提高C3級產品成功率和大批量生產產品的抽檢合格率；

（5）移植先進的穩定處理技術與裝備，實施振動時效或共振時效新工藝，提高稱重感測器的長期穩定性和工作可靠性；

（6）套用高新技術開發新產品和自主智慧財產權產品，增強核心競爭力。處於國際市場引導地位的企業都有自己的核心競爭技術、工藝和產品，例如：正負蠕變電橋的“O蠕變”稱重感測器；鈹青銅動態稱重感測器；整體型和分離型數字式智慧型稱重感測器；高準確度不鏽鋼3柱、4柱高溫稱重感測器；組件化設計的“即插即用”型新式稱重模組等。

特點

（1）重視基礎技術、基礎工藝和共性關鍵技術的研究，作到基礎研究與預先研究並行；共性關鍵技術研究與套用技術研究並行；典型產品開發與產品工程化並行。保證基礎技術與基礎工藝（電阻應變計、應變粘結劑、補償元器件、防護與密封材料等）一直處於世界領先地位。

（2）重視基礎設施建設和製造技術、製造工藝的研究與套用。配置優良的工藝裝備和檢測儀器，特別是智慧型化工藝設備，作到工藝裝備最先進；

（3）描準世界稱重感測器技術的發展潮流和戰略前沿，確定研究課題和產品開發方向。重視新產品和自主智慧財產權產品的開發，增強核心競爭力。其技術創新和新產品開發的標準是：具有較高的技術先導性，工藝先進性，市場擴散性，效益增殖性。使技術與工藝始終處於世界領先地位。

（4）重視稱重感測器的可靠性設計、控制與管理，嚴格設計符合性控制和工藝可靠性控制，努力使工藝兌現率達到百分之百。

（5）重視市場競爭，加強市場調查與分析，快速回響市場。21世紀的市場競爭，是以市場回響速度為焦點，以改進和創新產品為基礎。

（6）重視相關法規和規程的學習，全面理解並認真執行，保證生產的每一個產品都符合要求。

正因為如此，國外的稱重感測器品種繁多，規格齊全，合金鋼、鋁合金、不鏽鋼、鈹青銅製品應有盡有；水下、鑽井下測量，耐壓防爆、抗輻射、耐腐蝕產品；微小和超大量程；多稱量與動態稱量；集成化與模組化結構任用戶選購。並作到產品的內在與外觀質量並重，近幾年外觀質量的改進與提高十分明顯，基本沒有噴漆產品，幾乎全部是亮光或亞光化學鍍鎳、鍍鉻，烤漆，噴塑，瓷質陽極化和不鏽鋼產品。個別產品的外形已融入人性化設計。

研發熱點

1、數字式智慧型稱重感測器的數字補償技術與補償工藝，及其套用技術；
2、快速、低速動態、動態稱重感測器的研製及阻尼技術；
3、高溫稱重感測器製造工藝，高溫穩定性及套用技術；
4、耐壓、防爆型稱重感測器及耐壓外殼設計與試驗技術；
5、組件化設計的“即插即用”的新式稱重模組；
6、利用鋇和鈮代替鎳製作靈敏度溫度補償電阻的研究。

主要差距

儘管我國航空、航天工業部門早在20世紀50年代末期就開始研究套用應變式負荷感測器，但並未向民用發展。就全國而言，負荷感測器的研製與生產起步較晚，60年代只有幾個廠家生產普通精度等級的應變式測力感測器。結構單一，只有圓柱、圓環兩種結構，基本不進行電路補償與調整，有的產品甚至用外部平衡箱調整零點。

80年代初，全國有20餘個企業用資一億元人民幣，用匯1300萬美元，從美、日等國引進應變式負荷感測器製造技術與工藝裝備，進行學習、消化、吸收。經過仿製和試生產後，開始多品種小批量生產，推向市場後，取得相當可觀的效益。當時人們對此產品的總結是：多品種、小批量、低成本、高收益、投資少、見效快。引起不少行業的個人和企業的關注，紛紛進入此行業，生產廠家從70年代的20多個迅速增加到100多個，年產量與日本相當，達到100多萬隻。

隨著國民經濟的發展，各行業對電子衡器的需求不斷增加，極大的促進了稱重感測器技術的發展。80年代中期到90年代中期，是我國稱重感測器技術穩步發展，品種和規格迅速增加，產品質量不斷提高的十年。不少廠家都改進或增加工藝裝備、檢測儀表，購置智慧型溫度補償裝置和靈敏度溫度補償設備，實現了規模化生產。90年代中期稱重感測器生產企業增加到160多個，年產量200多萬隻。除滿足國內市場需求外，十餘個企業開始小批量出口，呈現出較好的發展勢頭。

儘管稱重感測器是國家強制管理的法制計量器具，應當比較難進入此行業，但由於種種原因導至一些企業和個人很容易進入，造成市場擁擠，加劇了市場競爭。終於在90年代中期爆發了價格大戰，誰的價格低，誰就是大贏家，而且逐年升級越演越烈，已經到了走火入魔的程度。價格大戰的惡果是技術進步緩慢，工藝水平下降，質量問題嚴重，管理監督失控。最初的受害者是廣大用戶，最終的受害者是企業自己，是整個稱重感測器行業。帶著這些問題進入21世紀，稱重感測器與工業已開發國家的差距非但未縮小，反而加大了。近幾年國家監督抽查結果就是例證。

2002年國家監督抽查7省市，16個企業，共48隻稱重感測器，合格18隻，合格率37.5%。30隻不合格產品來自10個企業，不合格原因全部是溫度性能超差。更為嚴重的是在16個企業中，只有一個企業嚴格執行國家標準。如果變抽查為全面檢查，合格率會更低。國家監督抽查結果真實的反應了我國稱重感測器總體技術、工藝和管理水平。合格率低的主要原因是：質量意識差，不依法組織生產；對R60國際建議和國家標準不理解、不執行，錯誤的把0.02級與C3級等同起來；在利益驅使下改材料、換元件、減工藝，只求勉強合格或人為合格。

我國稱重感測器與工業已開發國家處於市場引導地位企業產品的主要差距是：

1、結構類型偏少，品種規格不全，特種用途產品奇缺；
2、準確度等級較低，C3級成功率不高；
3、穩定性和可靠性較差，返修率高，工作壽命低；
4、產品標準化、工程化水平和企業產業化程度較低，產品技術指標的均一性差；
5、外觀質量雖有提高，但仍有較大差距；
6、工藝裝備、檢測手段不夠先進且不配套，生產工藝中手工操作、人為控制成份大，“作坊手藝”痕跡較深，人為因素對產品質量影響較大；
7、創新產品和自主智慧財產權產品少，低水平重複產品多，貼牌加工、直接出口產品少；

企業沒有核心競爭技術和產品，市場調查不夠，市場回響速度太慢，造成無法與國際市場融合。
總之，製造工藝差距最大，通常將製造工藝分為：

1、支持工藝一一彈性體鍛造、機械加工、熱處理和表面處理等；
2、基礎工藝一一電阻應變計、應變粘結劑、電路補償元器件和防護密封材料等；
3、核心工藝一一電阻應變計貼上與固化、零點與靈敏度智慧型溫度補償和防護與密封等；
4、特殊工藝一一熱處理法時效工藝和機械法穩定處理工藝等。
5、其中基礎工藝和特殊工藝差距最大。

生產企業有三種類型：其一設計、生產、組裝各種家用電子秤；其二為家用電子秤生產廠配套生產各種稱重感測器（或自己生產電阻應變計，或外購電阻應變計）；其三隻生產家用電子秤稱重感測器用電阻應變計。這三種類型的生產廠家已達60多個。據國家海關統計2003年家用電子秤出口量3860多萬台，出口值1.47億美元，並以每年30% 的速度增長。當時預計2004年家用電子秤出口量5000多萬台，出口值2億多美元。以此出口量計算，2004年共生產家用電子秤稱重感測器共1.2億隻，與其配套的電阻應變計（以單軸片計算）約4.8億片。

發展動向

國際上主要有兩種發展途徑：以美國為代表的先軍工後民用，先提高后普及的途徑和以日本為代表的實用化商品化，先普及後提高的途徑。我國應屬於後者，儘管軍工部門研究套用較早，但並未轉為民用，快速發展和普及還是在近20年。近幾年是關鍵時期，急需提高我國稱重感測器的總體技術、工藝和質量水平。

國際稱重感測器技術的發展動向是，把稱重感測器的準確度、穩定性和可靠性作為極其重要的質量指標，把製造技術和製造工藝作為核心競爭力，緊緊抓住稱重感測器的特性問題、生產問題和套用問題進行基礎研究、工藝研究和套用研究，其研究方向和特點是：

（1）在產品結構設計與製造工藝中，吸取了工程化產品設計中的計算機擬實技術和虛擬技術，加快開發速度，減少開發風險；

（2）在彈性體加工中，從單元加工技術發展到集成化加工技術；從剛性製造發展到柔性製造；從簡單化經驗判斷發展到智慧型化定量分析。普遍採用柔性製造單元和柔性製造系統；

（3）生產工藝已不是傳統關念中的“作坊手藝”，而是技術與管理相結合的一項系統工程。為適應多品種、大批量生產，保證產品技術性能的均一性，生產工藝必須向儘量減少手工操作、人為控制，增加半自動化和自動化工序方向發展。例如：採用計算機控制，人機一體化工藝系統和測試技術網路化信息系統等；

（4）與穩定性和可靠性有關的穩定處理工藝在高溫處理，低溫深冷，脈動疲勞，超載靜壓等方法的基礎上，又研究出振動時效、共振時效新工藝，共振10分鐘，可消除絕大部分殘餘應力。

在上述設計與製造技術支持下，稱重感測器的品種和結構又有創新，技術功能和套用範圍不斷擴大，主要成果有：

（1）美國Revere公司研製出PUS型具有大氣壓力補償功能的拉壓兩用的稱重感測器，用於高準確度檢驗平台，稱重平台，準確度可達5000d；

（2）德國HBM公司研製成功C2A、C16A兩種不同結構的1一100t具有“耐壓外殼”保護的防爆稱重感測器，其防爆性能符合歐洲EN50014和EN50018“d”級標準；

（3）美國斯凱梅公司研製出新一代高準確度不鏽鋼F60X系列5一5000kg稱重感測器，準確度6000d。用於濕度大，腐蝕性強的環境中，而且防水；

（4）德國塞特內爾公司研製出以鈹青銅為彈性體材料，快速稱重用200型稱重感測器。其特點是線性好，固有頻率高，動態回響快。獨創油阻尼裝置與過載保護裝置一體化，保證稱量時速度快，工作壽命長。組裝3一30kg電子平台秤，準確度可達4000d；

（5）美國THI公司研製的1410型5一30kg鋁合金稱重感測器，準確度等級優於C3級，可承受離心力和機械振動，內裝特製的粘性阻尼器，保證稱量時有較快的穩定時間，一般低於50ms；

（6）美國VT一BLH公司開發出新式稱重模組，具有合理的組件化功能和極高的稱重效率，出廠後“即插即用”，可自動調節位置，不受攪拌，偏心和振動影響。

僅以上幾例，足以代表了新產品的開發方向，體現了技術的先導性，工藝的先進性。就技術含量而言，有高準確度（4000d一6000d）稱重感測器製造技術；大氣壓力補償技術；用於快速、動態測量稱重感測器的粘性阻尼器快速穩定技術；隔爆型耐壓外殼的設計與製造技術；組件化新式模組設計技術等。

應變式稱重感測器的發展趨勢，可用“四化”來概括，即設計技術虛擬化，製造技術柔性化，生產工藝網路化，企業管理信息化。

設計技術虛擬化

包括彈性體結構設計的擬實技術和工藝設計的虛擬技術。

結構設計的擬實技術

是指面向彈性體的結構和性能分析技術，包括動態仿真、動力學分析、強度和剛度有限單元法計算、敏感區應變大小與分布等，以達到最佳化設計的目的。

工藝設計的虛擬技術

是指面向彈性體生產過程的模擬和試驗，檢驗彈性體的可加工性，加工方法和工藝的合理性，保證製造工藝最佳化。

設計技術虛擬化的核心是有限單元計算和計算機動態仿真。通過仿真軟體來模擬真實受載情況，發現並及時處理設計和工藝缺陷或錯誤，以確保結構設計和生產工藝的合理性。

製造技術柔性化

是指在多品種、大批量生產的彈性體加工中，納入先進的製造技術：柔性製造單元（FMC）、柔性製造系統（FMS）和計算機集成製造系統。它是計算機技術、信息技術、自動控制技術等與傳統的製造技術相結合形成的全新的製造系統。

生產工藝網路化

是指在生產工藝全過程中，通過通訊線路和設備把各生產工序具有獨立操作和控制功能的計算機系統相互連線起來，在網路軟體管理下，實現信息的收集、存儲和處理。與傳統的“作坊手藝”生產工藝相比，大大的減少了手工操作，最大限度的排除了人為因素對產品質量的影響。

企業管理信息化

是指按計算機處理的要求，依據結構化系統分析和設計方法，建立企業信息系統，實現企業管理全面現代化。包括CAD、CAM系統，生產管理系統，商務決策系統和經營管理系統等。

研發重點

1、快速、低速動態和動態稱重感測器及其阻尼技術；
2、多功能、多分量稱重感測器及其測試方法；
3、微小和超大量程稱重感測器；
4、防爆、耐壓、耐腐蝕等稱重感測器；
5、偏心載荷測量及車載秤用稱重感測器；
6、大阻值低功耗高精度電阻應變計研製等。

發展趨勢

小型化

是指稱重感測器總體結構體積小、高度低、重量輕，即小、薄、輕。例如：30t、60t彎曲環式結構，其外形尺寸分別為外徑120mm和150mm，高度只有50mm和60mm。

集成化

有結構集成和功能集成兩種形式。結構集成是指彈性體與秤體合二為一的新型結構，例如：稱重板、稱重軌、稱重鉤、稱重環等。功能集成是指將重量信息採集、放大、變換、傳輸、處理和顯示都集於一體的稱重感測器，例如：將敏感元件（彈性體）、轉換元件（電阻應變計）、信號處理電路和稱重顯示控制都集於一體的輪輻式稱重感測器，其數字顯示位置就在傳統輪輻式稱重感測器的接線盒處，通常稱為輪輻式稱重儀。

多功能化

是指稱重感測器本身除具有檢測重量信息的功能外，還能同時檢測其它信息。例如：電子吊秤用稱重感測器在檢測重量信息的同時還可檢測加速度信息；汽車檢測平台用稱重感測器，可同時檢測垂直方向的重量信息和水平方向的側向載荷，即多分力測量。

智慧型化

是由於模擬式稱重感測器輸出信號小，抗干擾能力差，傳輸距離短，稱重顯示控制儀複雜，組秤調試周期長，根本不適應數字式智慧型電子衡器的發展。稱重感測器的智慧型化就是研製新型數字式智慧型稱重感測器。

有兩種結構：整體型一一在稱重感測器內部增加放大、濾波、A/D轉換器、微處理器、溫度感測器等數字處理電路，利用數字補償技術與工藝實現各項補償。

分離型一--將整體型數字式智慧型稱重感測器內的數字電路置於外部接線盒內，稱為數字模盒。將普通模擬式稱重感測器接入數字模盒，就可變模擬輸出為數字輸出，通常將其稱為分離型數字稱重感測器系統。

數字式特點

1、輸出信號大，抗干擾能力強，傳輸距離遠，信噪比高；
2、通過數字補償電路和數字補償工藝，可進行線性、滯後、蠕變等補償，改善了性能；

3、輸出信號規格化；
4、內裝溫度感測器，通過補償軟體可進行實時溫度補償，穩定性好；
5、各數字式智慧型稱重感測器的地址可調，便於套用與互換。
什麼是智慧型感測器，在各國相關雜誌上討論多年，20世紀90年代中期才有比較一致的看法：把凡具有一種或多種敏感功能，能夠完成信號探測和處理、邏輯判斷、雙向通訊、自檢、自校、自補償、自診斷和計算等全部或部分功能的器件叫做智慧型感測器。

它可以是集成的，也可以是分離件組裝的。數字式智慧型稱重感測器完全符合此定義。今後一個時期，智慧型化數字補償技術和工藝還需進一步完善和提高。