應變式稱重傳感器技術現狀與發展趨勢

　　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）分別同時研制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。為研制應變式負荷傳感器奠定了理論和物質基礎。

　　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型電阻應變計研制出圓柱結構的應變式負荷傳感器，用于工程測力和稱重計量，成為應變式負荷傳感器的創始者。1942年在美國應變式負荷傳感器已經大量生產，至今已有60多年的歷史。

　　前30多年，是利用正應力（拉伸、壓縮、彎曲應力）的柱、筒、環、梁式結構負荷傳感器的一統天下。在此時期內，英國學者杰克遜研制出金屬箔式電阻應變計，為負荷傳感器提供了較理想的轉換元件，并創造了用熱固膠粘貼電阻應變計的新工藝。美國BLH公司和Revere公司經過多年實踐創造了負荷傳感器電路補償與調整工藝，提高了負荷傳感器的準確度和穩定性，使準確度由40年代的百分之幾量級提高到70年代初的0.05量級。但在應用過程中出現的問題也很突出，主要是：加力點變化會引起比較大的靈敏度變化；同時進行拉、壓循環加載時靈敏度偏差大；抗偏心和側向載荷能力差；不能進行小載荷測量。上述缺點嚴重制約了負荷傳感器的發展。

　　后30多年，經歷了70年代的切應力負荷傳感器和鋁合金小量程負荷傳感器兩大技術突破；80年代稱重傳感器與測力傳感器徹底分離，制定R60國際建議和研發出數字式智能稱重傳感器兩項重大變革；90年代在結構設計和制造工藝中不斷納入高新技術迎接新挑戰，加速了稱重傳感器技術的發展。

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

　　1974年前后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復雜的力學模型，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傳感器開辟了新途徑。

　　70年代初中期，美、日等國的衡器制造公司開始研發商業用電子計價秤，急需小量程負荷傳感器。傳統的正應力和新研制的切應力負荷傳感器都不能實現幾公斤至幾十公斤量程范圍內的測量。美國學者查特斯提出用低彈性模量的鋁合金做彈性體，采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傳感器，同時指出平行梁負荷傳感器是基于不變彎矩原理，使利用平行梁表面彎曲應力的正應力結構，具有切應力負荷傳感器的特點，為平行梁結構負荷傳感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傳感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系數的分析，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，可以制造出不同蠕變值電阻應變計的理論，并成功的研制出系列蠕變補償電阻應變計。對低容量鋁合金負荷傳感器減小蠕變誤差，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傳感器多品種、大批量生產成為可能。

　　由于電子稱重技術的迅速發展，負荷傳感器性能的評定方法，已不能滿足采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于電子稱重的傳感器與用于測力的傳感器徹底分離，由美國負責的第8報告秘書處起草《稱重傳感器計量規程》。經過OIML成員國書面表決后，在1984年10月第7屆法制計量大會上正式批準，并于1985年以OIML，R60國際建議頒布，下發到各成員國。目前各國正在執行的是R60的2000年版。可以說R60《稱重傳感器計量規程》是各國稱重傳感器進入國際市場的“通行證”。

　　隨著數字技術和信息技術的發展，各行業對數字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，對此模擬式稱重傳感器就無能為力了。因為在此之前，稱重傳感器的研究都集中在硬件方面，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。模擬式稱重傳感器的輸出信號小，抗干擾能力差，傳輸距離短，稱重顯示控制儀表復雜，組秤調試周期長等缺點依然如故。為滿足數字化電子衡器的需求，美國TOLEDO、STS和CARDINAL公司，德國HBM公司等先后研制出整體型和分離型數字式智能稱重傳感器，并以其輸出信號大，抗干擾能力強，信號傳輸距離遠，易實現智能控制等特點，成為數字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，由于稱重傳感器的設計與計算等基本技術趨于成熟，稱重傳感器的發展側重于工藝研究和應用研究，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：
　　在結構與工藝設計中引入計算機擬實技術和虛擬技術；
　　在彈性體加工中納入柔性制造技術；
　　在生產工藝中采用計算機網絡技術；
　　在穩定處理中移植了振動時效、共振時效新工藝；
　　在測試檢定中創造了自動快速檢測和動態比對方法。
　　
　　應用技術研究也有突破性進展：在傳統稱重模塊的基礎上，研制出新式稱重模塊。這是應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，可減少由于偏重、熱效應影響，偶然超載等引起的稱重誤差，并可承受由于振動、沖擊、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，極大地促進了稱重傳感器技術的發展。

二、國外稱重傳感器技術現狀及快速發展原因
　　
　　工業與商業電子秤用稱重傳感器技術與制造工藝，美、德等工業發達國家的著名制造公司處于國際市場引導者的領先地位，我國具有一定規模的稱重傳感器制造公司處于市場挑戰者或市場追隨者地位。家用電子秤用稱重傳感器的研發和生產中心在中國，在深圳，制造技術、工藝水平、產品質量和年產量逐年提高。

　　當今國際市場稱重傳感器技術的競爭，集中表現在產品的準確度、穩定性和可靠性的競爭；制造技術與制造工藝的競爭；應用高新技術研發新產品和自主知識產權產品的競爭。各稱重傳感器制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于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；制造工藝更精細；電路補償工藝更完善；外觀質量更完美。

　　稱重傳感器的準確度、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、制造工藝、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，主要成果有：
　　（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，變剛性制造為柔性制造。普遍采用加工中心、柔性制造單元和柔性制造系統；
　　（3）在生產全過程中，盡量減少手工操作、人為控制，增加半自動與自動控制、自動檢驗工序，并在生產工藝中采用計算機網絡技術；
　　（4）改進、創新工藝裝備，實現高效智能電路補償，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，提高稱重傳感器的長期穩定性和工作可靠性； 　　　　　　
　　（6）應用高新技術開發新產品和自主知識產權產品，增強核心競爭力。處于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”稱重傳感器；鈹青銅動態稱重傳感器；整體型和分離型數字式智能稱重傳感器；高準確度不銹鋼3柱、4柱高溫稱重傳感器；組件化設計的“即插即用”型新式稱重模塊等。