應(yīng)變式稱重傳感器的發(fā)展與技術(shù)創(chuàng)新

關(guān)鍵詞：應(yīng)變式傳感器,稱重傳感器的發(fā)展

應(yīng)變式稱重傳感器的發(fā)展與技術(shù)創(chuàng)新

1938年美國加利福尼亞理工學(xué)院教授E.Simmons（西蒙斯）和麻省理工學(xué)院教授A.Ruge（魯奇）分別同時研制出紙基絲繞式電阻應(yīng)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(yīng)變式負荷傳感器奠定了理論和物質(zhì)基礎(chǔ)。

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(yīng)變計研制出圓柱結(jié)構(gòu)的應(yīng)變式負荷傳感器，用于工程測力和稱重計量，成為應(yīng)變式負荷傳感器的創(chuàng)始者。1942年在美國應(yīng)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(yīng)力（拉伸、壓縮、彎曲應(yīng)力）的柱、筒、環(huán)、梁式結(jié)構(gòu)負荷傳感器的一統(tǒng)天下。在此時期內(nèi)，英國學(xué)者杰克遜研制出金屬箔式電阻應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(cè)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(yīng)力負荷傳感器和鋁合金小量程負荷傳感器兩大技術(shù)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(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝中不斷納入高新技術(shù)迎接新挑戰(zhàn)，加速了稱重傳感器技術(shù)的發(fā)展。

1973年美國學(xué)者霍格斯特姆為克服正應(yīng)力負荷傳感器的固有缺點，提出不利用正應(yīng)力，而利用與彎矩無關(guān)的切應(yīng)力設(shè)計負荷傳感器的理論，并設(shè)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(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計的重大突破。

1974年前后美國學(xué)者斯坦因和德國學(xué)者埃多姆分別提出建立彈性體較為復(fù)雜的力學(xué)模型，利用有限單元計算方法，分析彈性體的強度、剛度，應(yīng)力場和位移場，求得最佳化設(shè)計。為利用現(xiàn)代分析手段和計算方法設(shè)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(yīng)力和新研制的切應(yīng)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(xué)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(jié)構(gòu)解決靈敏度和剛度這對矛盾。設(shè)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(yīng)力的正應(yīng)力結(jié)構(gòu)，具有切應(yīng)力負荷傳感器的特點，為平行梁結(jié)構(gòu)負荷傳感器的設(shè)計與計算奠定了理論基礎(chǔ)，形成了又一個發(fā)展潮流。

蠕變是電阻應(yīng)變計和鋁合金負荷傳感器經(jīng)常遇到和必需解決的關(guān)鍵問題。1978年前蘇聯(lián)學(xué)者科洛考娃通過對一維力學(xué)模型和應(yīng)變傳遞系數(shù)的分析，提出控制電阻應(yīng)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(yīng)變計的理論，并成功的研制出系列蠕變補償電阻應(yīng)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(guān)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(shù)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(yīng)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(dǎo)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。可以說R60《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(shù)和信息技術(shù)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(jié)構(gòu)，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(fù)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(shè)計與計算等基本技術(shù)趨于成熟，稱重傳感器的發(fā)展側(cè)重于工藝研究和應(yīng)用研究，在產(chǎn)品標準化、系列化、工程化設(shè)計和規(guī)模化生產(chǎn)工藝等方面都有很大進步，主要是：

在結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計中引入計算機擬實技術(shù)和虛擬技術(shù)；

在彈性體加工中納入柔性制造技術(shù)；

在生產(chǎn)工藝中采用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；

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(yīng)用技術(shù)研究也有突破性進展：在傳統(tǒng)稱重模塊的基礎(chǔ)上，研制出新式稱重模塊。這是應(yīng)用新技術(shù)面對新挑戰(zhàn)的典型產(chǎn)品。其特點是組件化設(shè)計，具有“即插即用”功能，可減少由于偏重、熱效應(yīng)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(shù)突破，80年代兩個重大變革，90年代納入高新技術(shù)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(shù)的發(fā)展。