應變式稱重傳感器的發(fā)展與技術創(chuàng)新

關鍵詞：應變式傳感器,稱重傳感器的發(fā)展

應變式稱重傳感器的發(fā)展與技術創(chuàng)新

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(chǎn)。為研制應變式負荷傳感器奠定了理論和物質(zhì)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(chuàng)始者。1942年在美國應變式負荷傳感器已經(jīng)大量生產(chǎn)，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(huán)、梁式結構負荷傳感器的一統(tǒng)天下。在此時期內(nèi)，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(zhuǎn)換元件，并創(chuàng)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(jīng)過多年實踐創(chuàng)造了負荷傳感器電路補償與調(diào)整工藝，提高了負荷傳感器的準確度和穩(wěn)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(xiàn)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(huán)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(fā)展。

后30多年，經(jīng)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(fā)出數(shù)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(zhàn)，加速了稱重傳感器技術的發(fā)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(tǒng)天下，形成了新的發(fā)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(xiàn)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(fā)商業(yè)用電子計價秤，急需小量程負荷傳感器。傳統(tǒng)的正應力和新研制的切應力負荷傳感器都不能實現(xiàn)幾公斤至幾十公斤量程范圍內(nèi)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(fā)展潮流。

蠕變是電阻應變計和鋁合金負荷傳感器經(jīng)常遇到和必需解決的關鍵問題。1978年前蘇聯(lián)學者科洛考娃通過對一維力學模型和應變傳遞系數(shù)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(chǎn)成為可能。

由于電子稱重技術的迅速發(fā)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(guī)程。80年代初，國際法制計量組織（OIML）質(zhì)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(guī)程》。經(jīng)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(fā)到各成員國。目前各國正在執(zhí)行的是R60的2000年版�？梢哉fR60《稱重傳感器計量規(guī)程》是各國稱重傳感器進入國際市場的“通行證”。

隨著數(shù)字技術和信息技術的發(fā)展，各行業(yè)對數(shù)字化電子衡器的需求愈來愈多，提出用數(shù)字稱重系統(tǒng)突破模擬稱重系統(tǒng)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(chuàng)新彈性體結構，改進制造工藝，完善電路補償與調(diào)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(diào)試周期長等缺點依然如故。為滿足數(shù)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(shù)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(xiàn)智能控制等特點，成為數(shù)字化電子衡器和自動稱重計量與控制系統(tǒng)的必選產(chǎn)品，形成一個開發(fā)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(fā)展側重于工藝研究和應用研究，在產(chǎn)品標準化、系列化、工程化設計和規(guī)�；a(chǎn)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(chǎn)工藝中采用計算機網(wǎng)絡技術；

在穩(wěn)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(chuàng)造了自動快速檢測和動態(tài)比對方法。

應用技術研究也有突破性進展：在傳統(tǒng)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(zhàn)的典型產(chǎn)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(zhàn)的研發(fā)理念，極大地促進了稱重傳感器技術的發(fā)展。