國運載火箭技術研究院第702研究所 劉九卿
[摘要] 20世紀90年代以來，在電子稱重技術與電子衡器產品快速發(fā)展的強力牽引下，稱重傳感器進入了大發(fā)展時期，設計與制造技術取得了令人矚目的進步。本文從產品研發(fā)、強化企業(yè)競爭力和參與國際競爭的角度，結合稱重傳感器幾個重要發(fā)展時期的技術創(chuàng)新和工藝進步，介紹了電阻應變計、稱重傳感器設計與制造技術的發(fā)展動向。在分析近年來稱重傳感器新技術、新工藝、新產品和電子稱重技術新要求的基礎上，展望稱重傳感器的發(fā)展趨勢。
關鍵詞：稱重傳感器 電阻應變計 虛擬設計 柔性制造 集成化 智能化 網絡化
1.概述
1936～1938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，命名為SR-4型，由美國BLH公司專利生產，同時也使BLH公司成為利用SR-4型電阻應變計制造傳感器的創(chuàng)始者。1940年美國軍事工程部門和Revere公司總工程師A.Thurston（瑟斯頓）分別把電阻應變計技術應用于軍事工程的電子測力和稱重計量領域，研制出應變式負荷傳感器。1942年在美國應變式負荷傳感器已經大量生產，至今已有60多年歷史。這期間經過種種改進和發(fā)展，負荷傳感器的準確度從研制初期的百分之幾量級提高到千分之幾、萬分之幾量級，并以其結構簡單、使用方便、準確度高、頻率響應快、穩(wěn)定性好、工作壽命長、幾乎不用維修等特點，廣泛應用于各種測力裝置和電子稱重系統。經過60多年的變遷，盡管負荷傳感器的彈性體結構、幾何形狀和尺寸發(fā)生了不小變化，原材料、元器件，制造技術與工藝都有較大改進和提高，應用研究也取得了許多成就，但其基本構思、基本原理和基本工藝仍然證明是合理的可靠的。負荷傳感器技術的幾個發(fā)展時期和起決定性作用的技術創(chuàng)新是值得認真研究和總結的，它對未來稱重傳感器技術的發(fā)展和確立技術研究課題都有指導作用。
1952年英國學者杰克遜首先研制出金屬箔式電阻應變計，為負荷傳感器提供較理想的轉換元件。并創(chuàng)造了用熱固膠粘貼電阻應變計的新工藝，提高了負荷傳感器的準確度和穩(wěn)定性，促進了負荷傳感器技術的發(fā)展。
1973年美國學者霍格斯特姆為克服利用拉伸、壓縮和彎曲應力的正應力負荷傳感器的諸多缺點，提出了不利用彈性體正應力，而利用切應力的理論，設計出圓截工字型截面懸臂剪切梁式負荷傳感器，打破了傳統的柱、筒、環(huán)、梁結構正應力負荷傳感器的一統天下。剪切式負荷傳感器以其靈敏度對加力點變化不敏感、拉向和壓向靈敏度對稱性好、抗偏心和橫向負荷能力強、結構簡單緊湊、尺寸小等特點形成了一個新的發(fā)展潮流，極大的推動了負荷傳感器技術的發(fā)展。
1974年日本學者大井光四郎利用平面問題的有限單元法分析電阻應變計的應變傳遞，優(yōu)化結構設計。德國學者埃多姆和美國學者斯坦因分別利用建立彈性體力學模型，采用有限單元計算分析彈性體的應力場、位移場，求得最佳化設計，為利用現代化科技手段設計與計算負荷傳感器開辟了新途徑。
1975年前后，為滿足低容量電子計價秤發(fā)展的需要，美、日等國研制出鋁合金不變彎矩原理的平行梁結構負荷傳感器。雖然它利用的是平行梁表面的彎曲應力，應屬于正應力類型，但因其不變彎矩原理使靈敏度對加力點變化不敏感，拉向和壓向靈敏度對稱，它又具備了切應力負荷傳感器的特點。并且量程小，剛度大，便于調整四角誤差，很快就形成了負荷傳感器的又一個發(fā)展潮流。
蠕變是高精度電阻應變計和負荷傳感器經常遇到和必須解決的關鍵問題。70年代末，前蘇聯學者H.科洛考娃通過對一維力學模型和應變傳遞系數的分析，提出控制應變計敏感柵的柵頭寬度與柵絲寬度的比例，可以制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，提高準確度等級起到了至關重要的作用，使商用和家用電子秤的負荷傳感器多品種、大批量生產成為可能。
由于電子稱重技術和工業(yè)、商業(yè)電子衡器的迅速發(fā)展，負荷傳感器的性能指標和評定方法，已不能滿足采用階梯公差帶評定準確度等級的電子衡器的需要，急需準確度評定比較統一的計量規(guī)程。80年代初，國際法制計量組織（OIML）質量測量指導秘書處為適應電子衡器的誤差評定方法，決定將用于電子稱重的傳感器與測力傳感器徹底分開，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。由于新計量規(guī)程把計量性能與溫度性能綜合考慮，增加了研究開發(fā)與大批量生產的難度，逼迫企業(yè)完善工藝準備，改進制造工藝，使稱重傳感器的綜合性能和長期穩(wěn)定性均有較大提高，保證了電子秤的質量。
80年代中期，隨著數字技術和信息技術的發(fā)展，為滿足電子衡器數字化、智能化的要求和用數字稱重系統突破模擬稱重系統局限性的構想，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式電子衡器和自動稱重計量與控制系統的必選產品，并形成了一個開發(fā)熱點。
從上述技術創(chuàng)新和技術發(fā)展的幾個重要階段不難看出，電子稱重技術的進步促進了稱重傳感器技術的發(fā)展，而現代科學技術的發(fā)展又為稱重傳感器的研發(fā)提供了技術和物質基礎。
90年代以來，為了適應不斷納入高新技術的電子稱重系統和電子衡器產品的新需求，稱重傳感器進入了設計、制造與工藝技術不斷創(chuàng)新，產量大幅度提高的大發(fā)展時期。這一時期稱重傳感器技術發(fā)展動向和今后一個時期的技術發(fā)展趨勢，就是本文所要闡述和回答的問題。
2.電阻應變計技術發(fā)展動向
電阻應變計是稱重傳感器的核心器件，其敏感柵結構、基底材料、靈敏系數穩(wěn)定性、機械滯后、蠕變和熱輸出等技術性能直接影響稱重傳感器的準確度和穩(wěn)定性。許多企業(yè)都把應變計的生產列入稱重傳感器的基礎工藝。國內外著名稱重傳感器企業(yè)穩(wěn)定批量生產質量都是從電阻應變計這一源頭抓起，或建立與自己產品配套的電阻應變計生產部門，或經過考察確立長期供貨的電阻應變計生產企業(yè)。90年代以來，以美國HPM公司、VMM公司為代表的應變計敏感柵箔材軋制企業(yè)和以美國VMM公司、德國HBM公司為代表的電阻應變計生產企業(yè)，在箔材軋制、熱處理和電阻應變計設計技術與制造工藝研究上都取得了突破性進展，主要成果簡介如下。
為滿足稱重傳感器小型化、微型化的要求，特別是電子秤用能耗小、發(fā)熱低、穩(wěn)定性好的稱重傳感器用大阻值應變計的需要，美國VMM公司和HPM公司分別研制出2m、2.5m厚的超薄型康銅箔材，為研制微型應變計和大阻值應變計提供了物質基礎。目前此產品尚未供應中國市場。
美國VMM公司和德國HBM公司電阻應變計的結構設計普遍采用一維、二維和三維有限單元法，建立相應的力學模型，分析應變計的應變傳遞系數，提出應變計結構設計原則。利用二維有限單元法計算和分析粘貼在彈性體上應變計的應變傳遞，得出大部分區(qū)域是單向應力狀態(tài)，基本沒有應變傳遞滯后現象，而接近柵絲末端的一小段是剪應力傳遞區(qū)域，剪應力急劇變化，正應力降為零而產生應變傳遞滯后現象。因此提出設計框狀端頭，把柵絲應變均勻分布區(qū)域作為工作區(qū)，將應變傳遞滯后區(qū)域與工作區(qū)域隔離開，減小應變計的滯后，這正是稱重傳感器用應變計所需要的。
建立三維有限單元六面體力學模型，取一萬多個節(jié)點，在大容量電子計算機上進行計算，其目的是深入研究應變計結構，主要解決應變計復蓋層的力學效果，敏感柵端部結構的力學效應，基底、敏感柵、復蓋層厚度對機械滯后的影響，敏感柵結構與蠕變自補償問題。保證應變計結構形狀、幾何尺寸、基底和復蓋層厚度最合理。
盡管電阻應變計原理和結構設計都無可挑剔，但其制造工藝決定了它必然存在一些固有的工藝缺陷，傳統制造工藝中刻圖制片、涂膠光刻、基底制作、粗細腐蝕、阻值調整、引線焊接、涂復蓋層、質量檢查等工序多為手工操作和控制，人為的因素對產品質量影響很大，而且應變計成功率低，均一性差。而美國VMM公司和德國HBM公司的應變計生產工藝，自動化程度都很高，幾乎每道工序都采用計算機自動控制和處理，關鍵工序如基底制作、光刻腐蝕、精細調阻，引線焊接、質量檢測等都在自動化程度很高的專用設備上進行，制造工藝的可重復性好，工藝兌現率高。因此應變計的各項技術指標優(yōu)良，一致性和穩(wěn)定性好，批次產品質量幾乎無差別。特別是稱重傳感器專用應變計在靈敏系數穩(wěn)定性、阻值分散性、機械滯后、蠕變和熱輸出等技術指標的控制更加嚴格，為大批量生產C3級稱重傳感器創(chuàng)造了條件。
靈敏系數是電阻應變計的重要參數，許多生產廠家都采用等應力懸臂梁進行測試，其結果是靈敏系數分散大，準確度低。我們了解到的國外應變計生產企業(yè)，特別重視應變計生產工藝的兩頭，即開頭的結構設計與刻圖制版和最后的性能檢測與靈敏系數測定。由于電阻應變計不能二次粘貼使用，所以靈敏系數測定是采用抽樣的方法在帶有標準梁的自動加載測量裝置上進行。一次可標定多組不同型號的電阻應變計，每組最多可達10片，組成數10個測量點，通過多路自動掃描測量儀和電子計算機進行控制和運算，最后給出應變計靈敏系數、機械滯后和蠕變值。數據采集系統的分辨率為1με和1μv，精度優(yōu)于0.02％。
應變計電阻值的精密調整工藝對其電阻值的分散度和穩(wěn)定性影響較大。盡管化學調阻比傳統的機械調阻有許多優(yōu)越性，完全能保證產品質量，但其工藝要求嚴、勞動強度大、生產效率低的缺點也很突出，不適應日產10多萬片應變計的大批量生產。美國VMM公司獨創(chuàng)了激光自動調阻新工藝，速度快、精度高，應變計電阻值分散小，便于加膜處理制成全密封柵結構的應變計。
電阻應變計應用技術的研究也取得了突破性的進展。美國VMM公司經過多年的研究與實驗開發(fā)出EMC（有效模量補償）系列靈敏度溫度自補償電阻應變計，在許多場合都可以很容易的獲得優(yōu)于±0.0008/°F（0.0014%/℃）的補償精度。根據不同彈性體材料EMC系列靈敏度溫度自補償應變計有4種類型：M1靈敏系數隨溫度變化-1.5%/100°F（-2.70％/100℃）適用于不銹鋼；M2靈敏系數隨溫度變化-2.35%/100°F（-4.23%/100℃）適用于鋁合金；M3靈敏系數隨溫度變化-1.25%/100°F（-2.25％/100℃）適用于工具鋼；M4靈敏系數隨溫度變化為-1.35％/100°F（-2.43%/100℃）適用M1和M3之間的“中間區(qū)域”（不銹鋼與工具鋼之間）的補償。
德國HBM公司研制出帶背膠的自粘式電阻應變計，在稱重傳感器制造工藝中省略了對應變計的清洗，涂刷應變粘接劑等工序，減少了對應變計的污染和損害，提高了粘貼質量和可靠性，適合大批量自動化生產的各種稱重傳感器，尤其是家用電子秤用稱重傳感器的大批量生產。
彈性體表面應變是通過應變計的基底傳遞給敏感柵，基底材料的質量與厚度對電阻應變計的多項性能產生影響�；缀穸痪鶆驎轨`敏系數分散度增大，對線性和滯后也有較大影響。目前稱重傳感器用應變計基底膠膜厚度為30±5μm。美國VMM公司研制的PF聚酰亞胺基底膠膜的厚度只有8μm，不但平整均勻，容易彎曲，而且耐高溫，抗焊接傷害能力強，具有良好的電性能。EG環(huán)氧玻璃纖維增強基底膠膜厚度僅為13μm，特別適合高精度稱重傳感器，可減少滯后和蠕變誤差。
由于目前通用的稱重傳感器靈敏度溫度補償鎳電阻與溫度變化呈非線性關系，增大了補償難度和補償結果的分散度。德國學者正在研究用鋇或鈮代替鎳作靈敏度溫度補償電阻，取得了一些進展。類似旨在創(chuàng)新稱重傳感器制造技術與制造工藝的研究課題和成果，非常值得我們關注和應用。因為制造技術與制造工藝是稱重傳感器研制和批量生產過程中最活躍、最積極的因素，是企業(yè)保證產品質量，強化競爭能力和提高經濟效益的重要手段。在電子衡器產品競爭日趨激烈，電子衡器市場日趨國際化的今天，更應重視制造技術與制造工藝所起的作用。
3.稱重傳感器技術發(fā)展動向
如果說20世紀70年代中期出現的各種剪切梁式切應力稱重傳感器和低容量鋁合金平行梁式稱重傳感器，與傳統的柱、筒、環(huán)、梁型正應力稱重傳感器形成了三大發(fā)展潮流，開創(chuàng)了稱重傳感器全面發(fā)展時期，那么90年代以來，隨著科學技術的進步和工業(yè)過程控制自動化水平的提高，工業(yè)、商業(yè)和家用電子秤不斷增加，對稱重傳感器的品種、產量、準確度和穩(wěn)定性都提出了許多新要求，促進了新產品開發(fā)和常規(guī)產品工程化大規(guī)模生產，產量逐年上升，可以說進入了稱重傳感器的大發(fā)展時期。
回顧稱重傳感器的發(fā)展歷史，國際上主要有兩種發(fā)展途徑：一是以美國為代表的先軍工后民用，先提高后普及的發(fā)展途徑；一是以日本為代表的實用化商品化，先普及后提高的發(fā)展途徑。我國應屬于后者，盡管軍工部門應用較早，但快速發(fā)展和普及還是近20多年，目前急需提高總體技術與工藝水平。各國都把準確度、穩(wěn)定性和可靠性作為稱重傳感器的重要質量指標，各生產企業(yè)進行了大量的基礎研究、工藝研究和應用研究工作，取得了許多設計技術和制造工藝成果，簡介如下。
吸取工程化產品設計中的擬實技術和虛擬技術，加快稱重傳感器開發(fā)速度，減少開發(fā)風險。稱重傳感器設計中的擬實技術是指面向彈性體的結構和性能分析技術，以優(yōu)化結構、性能和成本為目標，包括結構選擇、尺寸確定，強度、剛度有限元計算，受載分析，動態(tài)仿真等。主要是建立較為復雜的力學模型，采用交互、高交互有限元程序包，深入分析彈性體的應力場、位移場，并進行動態(tài)仿真。許多企業(yè)都有自己獨創(chuàng)的較為成熟的計算軟件，均取得了很好的計算和應用效果。稱重傳感器設計中的虛擬技術是指面向彈性體生產過程的模擬和檢驗，檢驗彈性體的可加工性，加工方法和工藝的合理性，以優(yōu)化制造工藝，保證產品質量，降低生產成本為目標。在設計過程中還可利用有限元分析模擬彈性體加、卸載過程，計算出載荷增加、減少時的接觸應力，分析出接觸摩擦系數變化的影響及彈性體變形的縱橫比，評定稱重傳感器的滯后。稱重傳感器擬實化和虛擬化設計的核心是計算機仿真技術，通過仿真軟件來模擬真實受載情況，以保證結構設計和制造工藝的合理性，發(fā)現并及時改進設計、生產中不易發(fā)現的缺陷和錯誤。
現代制造技術專家吉川教授指出：世界各國經濟上的競爭，主要是制造技術的競爭，在各個國家的企業(yè)生產力構成中，制造技術的作用往往占60％左右。稱重傳感器行業(yè)更是如此，制造技術已不是傳統觀念中的“作坊手藝”，而是一個集機械、電子、信息、材料、自控和管理為一體的新型交叉學科和綜合技術。在稱重傳感器行業(yè)誰掌握了現代制造技術，誰就能占領較大的市場份額。稱重傳感器多品種、大批量生產特點決定了只有采用先進制造技術，才能把以時間為核心的市場競爭三要素時間、質量、成本之間的矛盾有機結合起來，使三者達到統一。國際上年產20-40萬支，甚至60萬支的稱重傳感器企業(yè)都引入了先進的制造技術，應用計算機技術和模擬技術確定工藝規(guī)范，優(yōu)化工藝方案，預測加工過程中可能出現的缺陷和防止措施。從單臺機床、單道工序、單個工具生產效率的提高，發(fā)展到普遍采用加工中心（MC）、柔性制造單元（FMC）和柔性制造系統（FMS）等整體效率的提高。90年代以來，稱重傳感器企業(yè)流行的制造系統是把計算機技術、信息技術、自動化技術與傳統的制造技術結合起來，由計算機控制多臺加工中心以及工件、刀具傳送裝置等，實現生產過程的全自動化，形成柔性制造系統，達到多品種、大批量生產，穩(wěn)定質量、提高效率、降低成本的綜合目的。使彈性體加工從單元技術發(fā)展到集成化技術，從剛性制造發(fā)展到柔性制造，從簡單化經驗判斷發(fā)展到智能化定量分析。濟南金鐘電子衡器股份有限公司就采用了柔性制造系統（FMS）對傳統的制造技術進行改造并通過驗收。這對彈性體加工尚處于單機制造或單機自動化、剛性自動化的生產企業(yè)是值得認真學習和借鑒的。
應變式稱重傳感器生產工藝的主要問題是手工操作與控制成份大，人為的因素對產品質量影響較大，生產效率低，不適合多品種、大批量生產。稱重傳感器生產工藝創(chuàng)新的方向是在保證設計符合性控制和工藝可靠性控制的基礎上，盡量減少手工操作和人為控制，增加自動化和半自動化工序。例如采用計算機控制或人機一體化工藝系統減少手工操作，增加自動控制，保證工藝兌現率。國際上年產量大的生產企業(yè)都自行研究設計出網絡化的制造工藝與測試系統，稱為制造測試技術網絡化或生產工藝網絡化。它是稱重傳感器彈性體從分類編號打印條形代碼開始，經過全部生產工藝過程到包裝入庫為止，實時控制與測試基礎上的計算機網絡系統。包括貼片組橋，固化和后固化烘箱控制系統，零點和靈敏度溫度補償測試與計算系統，各種穩(wěn)定處理測試與控制系統，性能測試與檢定自動控制系統等。各生產工序和控制系統的測試數據均為自動采集，不能人為輸入、任意修改，保證測試結果真實可靠。也有采用總線型兩極分布式信息系統，把稱重傳感器生產監(jiān)控作為一個子系統，主要有質量監(jiān)督功能，設備監(jiān)督功能，生產能力調整功能，生產支持系統功能和生產工藝過程監(jiān)督功能等。美國VT特迪亞—亨特利（北京）電子有限公司，自行研制設計了稱重傳感器制造工藝與測試網絡化信息系統，并調試成功投入使用，使年產量達到40多萬支。中航電測儀器有限公司也建立了稱重傳感器網絡化測試系統。
在上述設計、制造和工藝技術支持下，稱重傳感器的品種和結構又有創(chuàng)新，技術功能和應用范圍不斷擴大，研發(fā)出許多技術含量高、工藝難度大的新產品，豐富了稱重傳感器市場。
美國Revere（里維爾）公司研制的PUS型罐式拉、壓兩用稱重傳感器，其外殼由涂有環(huán)氧樹脂的合金鋼構成，內部安裝一個低位移的具有大氣壓力補償功能的拉壓式彈性元件。適用于高精度的檢驗平臺、稱重平臺和料斗秤、容器秤等。量程100-300000Ib（45-136000kg），準確度C3級，工作溫度可達400°F（240℃）。
德國HBM公司研制的C2A和C16A兩種不同結構系列，量程均為1-100t的稱重傳感器，都具有“耐壓外殼”保護的防爆功能，其“耐壓外殼”保護結構符合歐洲EN50014易爆區(qū)域電氣設備標準和EN50018易爆區(qū)域電氣設備耐壓外殼“d”級標準。焊接外殼均經過高壓試驗，檢驗結構強度和密封性能，試驗壓力20Pa(帕）。
美國Scaime（斯凱梅）公司研制出新一代高準確度不銹鋼F60X系列，量程5-5000kg的稱重傳感器，準確度可達6000d。主要用于濕度大、腐蝕性強的環(huán)境中，而且防水。達到如此高的準確度等級主要是制造技術與制造工藝有新突破，例如不銹鋼的熱處理制度、多次回火工藝、大氣壓保護下的氣冷和深冷工藝等。
德國Seitner（塞特內爾）公司為快速稱重計量系統研制的200型鈹青銅稱重傳感器，線性好、固有頻率高，動態(tài)響應快。獨創(chuàng)油阻尼裝置與過載保護為一體，使稱量時稱重傳感器的衰變時間快，速度高，工作壽命長。組裝成3-30kg電子平臺秤其準確度可達4000d。
美國THI公司為快速稱重計量的旋轉式定量包裝機研制出THI1410型單點式鋁合金稱重傳感器，量程為5-30kg，準確度C3級。與普通稱重傳感器最大不同是它可以承受離心力和機械振動，內部裝有特制的粘性阻尼器，保證稱量時有較快的穩(wěn)定時間和較小的測量誤差。THI-900型5-150kg稱重傳感器，稱量時的穩(wěn)定時間低于50ms，稱重準確度也是C3級。
美國VT-BLH公司，Metter-Toledo公司都開發(fā)出新式稱重模塊，具有合理的組件化功能和極高的稱重效率。是用新技術面對電子稱重系統新挑戰(zhàn)的具有代表性的產品。稱重模塊以其出廠后可“即扦即用”，安裝與校驗簡單，穩(wěn)定性和可靠性高等特點，在各種電子衡器設計中被廣泛采用。例如美國VT-BLH公司KIS-2和KIS-3型不銹鋼模塊可自動調節(jié)承載位置，減少由于偏載、振動、熱效應影響或偶然超載引起的稱量誤差。Z-BLOK型承載模塊可以承受由于攪拌、振動、其它外力引起的偏心載荷，并不受地震或颶風的影響。美國Toledo公司的D-35353模塊采用整體型特種鋼殼體，結構堅固，尺寸緊湊，具有多種過載保護功能。
此外，Dacom West（戴康 韋斯特）公司開發(fā)的利用可編程序減少非線性誤差，補償靈敏度溫度誤差的可編程MLX90308稱重傳感器接口；Kern（科恩）公司研制的低容量（36kg）、高分辨率（0.5g）、高準確度（7200d）DS36K0.5型電子平臺秤用稱重傳感器，都有很高的技術含量和應用價值。德國HBM公司研制的SSC型各種容器偏心稱重計量專用稱重傳感器，可將容器或平臺偏心載荷集中到一個稱重傳感器上，變三支稱重傳感器為一支進行稱重計量，已在拉圾車上得到很好驗證。
上述各項新技術、新工藝和新產品適應了電子稱重技術從靜態(tài)稱重向快速稱重、低速動態(tài)稱重和動態(tài)稱重的發(fā)展趨勢，較好的體現了技術的先導性、工藝的先進性和產品的適應性等創(chuàng)新產品和自主知識產權產品的開發(fā)原則，非常值得我國稱重傳感器制造企業(yè)研究、借鑒。
4.稱重傳感器的發(fā)展趨勢
研究分析90年代以來國內外稱重傳感器技術與工藝的發(fā)展動向，結合電子稱重技術和電子衡器產品的新需求，不難總結出稱重傳感器的發(fā)展趨勢，可用“四化”來概括，即設計技術虛擬化，制造技術柔性化，生產工藝網絡化，企業(yè)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，主要是結構選擇，應變區(qū)受力分析，強度和剛度有限元計算，受載動態(tài)仿真等。工藝設計的虛擬技術是指面向彈性體生產過程的模擬和檢驗，檢驗彈性體的可加工性、加工方法和工藝的合理性。兩者都是以優(yōu)化結構設計、制造工藝，保證質量，降低成本為目標。設計技術虛擬化的核心是計算機仿真，通過仿真軟件來模擬稱重傳感器真實受載情況，發(fā)現并及時處理某些不可避免的缺陷和錯誤，以保證結構設計和生產工藝的合理性。
制造技術柔性化是指多品種大批量生產的彈性體的柔性制造單元（FMC）和柔性制造系統（FMS）以及計算機集成制造系統（CIMS）。它是計算機技術、信息技術、自動化技術等與傳統的制造技術相結合，技術與管理相結合形成的全新的制造系統。由于稱重傳感器彈性體不屬于精密加工部件，冷熱加工追求的是尺寸和性能的一致性和加工高度自動化。因此工業(yè)發(fā)達國家稱重傳感器企業(yè)的彈性體加工多采用柔性制造單元（FMC）或柔性制造系統（FMS）。
生產工藝網絡化是指在稱重傳感器生產工藝的全過程中，通過通信線路和通訊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接起來，在網絡軟件管理下實現信息的收集、存儲和處理。是彈性體從進入生產線編號打印條形碼開始到形成產品入庫的生產全過程，進行實時控制與測試的計算機網絡系統。與傳統“作坊手藝”的生產工藝相比，減少了手工操作、人為控制工序，增加了自動化控制、半自動化控制工序，從而減少了人為因素對產品質量的影響，保證了生產工藝的可重復性，提高了工藝兌現率和產品質量，特別適合大批量生產。
企業(yè)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與設計方法，嚴格按照信息系統開發(fā)步驟，對企業(yè)管理系統進行改造，建立企業(yè)信息系統，實現企業(yè)管理全面現代化。稱重傳感器企業(yè)信息系統，包括CAD系統，CAM系統，生產管理系統，商務決策系統和經營管理系統等。
為適應電子稱重技術從靜態(tài)稱重向動態(tài)稱重發(fā)展，計量方法從模擬測量向數字測量發(fā)展，測量特點從單參數測量向多參數測量發(fā)展，以及電子衡器產品對稱重傳感器的新需求：大阻值低功耗，快速與動態(tài)稱量，多分力與多功能，大量程及微小量程，防水、防爆、防腐蝕，車載與偏心載荷稱量等，小型化，集成化，多功能化和智能化將是新型稱重傳感器的特點和發(fā)展趨勢。
小型化是指稱重傳感器體積小，高度低，重量輕，即小薄輕。不同結構的電子衡器又有不同的需求。便攜式靜動態(tài)輪重秤要求高度為20mm左右的低外形碟式稱重傳感器；天車秤、抓斗秤要求薄形、超薄形板式稱重傳感器。就是一些大型電子衡器為使其重心低穩(wěn)定性好也要求稱重傳感器體積小高度低，變形小容量大，例如歐洲普遍采用的彎曲環(huán)結構，額定量程30t外形尺寸為Φ120mm×50mm；額定量程50t外形尺寸為Φ150mm×60mm。
集成化有兩種含義。其一是結構集成化，將稱重傳感器彈性體與秤體、承力傳力支承等一體化，形成一個整體結構的大型稱重傳感器。例如英國Trevor Deakin（特里沃德金）公司，德國Mikros（麥克羅斯）公司和加拿大Mass Load公司用于動態(tài)公路車輛自動稱量的便攜式稱重板（Weighpad）；德國Phister（菲斯特）公司、GTM公司用于動態(tài)電子軌道衡的1.8m長整體型稱重軌（Weigh Rail）；德國Ravas（拉法斯）公司稱重傳感器與鏟車叉一體化的稱重叉（Weighime）；Mass Load的稱重梁（Loadbeams）以及代替電子吊秤的稱重勾、稱重環(huán)等。其二是功能集成化，將重量信息攝取、放大、變換、傳輸、信息處理和顯示都集于一體，或將稱重傳感器、秤體和稱重顯示控制器合三為一。例如美國Intercomp（英特康普）公司、德國GTM公司數顯稱重板；日本2003年計量計測機器工業(yè)展覽會上，就展出了集敏感元件、轉換元件、信號處理電路和顯示控制于一體的集成化稱重傳感器。
多功能化也有二種含義。一種是稱重傳感器本身除具有檢測重量信息功能外，還有能檢測其它信息的功能，例如電子吊秤用稱重傳感器除檢測重量信息外還能檢測加速度信息；汽車檢測臺用稱重傳感器除檢測垂直載荷外，還能同時檢測水平載荷（即二分量稱重傳感器）。一種是稱重傳感器本身不僅具有重量信息檢測功能而且還兼有信號處理等其它功能，或者此種稱重傳感器與其它功能復合產生出新的功能。
智能化稱重傳感器是近些年來的開發(fā)熱點。智能傳感器的定義在各國傳感器雜志上討論多年，直到90年代初才有了比較一致的看法：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能傳感器。智能傳感器可以是集成的，也可以是分離件組裝的。數字式智能稱重傳感器正是按此思路發(fā)展和應用的，同樣有兩種結構形式，即整體型和分離型。
整體型是在稱重傳感器內部安裝有放大、濾波、A/D轉換、微處理器芯片和溫度敏感元件等組成數字處理電路，利用微處理器已存入的軟件，實施各項數字補償工藝進行各項性能調整和測試，最后采用電子束焊或激光焊進行密封。數字式智能稱重傳感器的制造工藝完全不同于模擬式稱重傳感器，主要是兩個環(huán)節(jié)：其一彈性體貼片組成惠斯登電橋電路后，通過試驗測試建立數字補償工藝要求的各項數學模型，形成便于程序化計算的公式。其二是根據數學模型編制出簡單實用的補償計算軟件，存儲在微處理器芯片中進行各項誤差修正和補償。軟件技術主要有數字濾波技術，標度變換技術，數字調零技術，溫度補償技術和線性補償技術等。同時還應解決抗射頻干擾（RFI)、電磁干擾（EMI）和閃電引起的電瞬變等過壓保護問題。分離型是將放置在稱重傳感器內部的A/D轉換等數字處理電路移至一個外部接線盒內，將普通的模擬式稱重傳感器接入數字接線盒后，其輸出便以數字信號傳輸給與其配套的稱重顯示控制儀表。通常把模擬式稱重傳感器加數字接線盒模式稱為模塊化數字稱重傳感器系統。模擬式稱重傳感器基本上是手工化生產，人為的因素對產品質量影響較大，數字式智能稱重傳感器基本上是自動化生產，排除了人為因素對產品質量的影響。數字式智能稱重傳感器具有輸出信號大，抗干擾能力強，信號傳輸距離遠，易實現智能化控制等特點，較廣泛的應用于大型電子平臺秤、電子汽車衡，結構復雜的電子料斗秤、電子容器秤和大死載、小活載的特殊電子秤。前者主要是看重智能稱重傳感器系統，可利用軟件輸入各標定參數實施自動調整四角誤差和無砝碼標定，后者則是利用智能稱重傳感器的1000000個可用計數的高分辨率，保證小載荷范圍內的稱量精度，這都是模擬式稱重傳感器根本不能實現的。
隨著數字信息時代的到來，在工業(yè)過程檢測和稱重計量與控制系統中，數字化電子衡器和數字稱重系統的應用越來越多，這就要求數字式智能稱重傳感器及其相關技術、配套儀表盡快發(fā)展。我國許多稱重傳感器企業(yè)已具備開發(fā)整體型和分離型智能稱重傳感器的技術基礎，只要增加一些投入和加強研究與試驗，完全可以研制出符合要求的數字式智能稱重傳感器。
5.結語
20世紀90年代以來，在電子稱重技術和工業(yè)、商業(yè)、家用電子秤快速發(fā)展的強力牽引下，稱重傳感器的設計技術、制造技術和工藝技術都有很大提高，取得了許多令人矚目的成果。總結工業(yè)發(fā)達國家特別是美、德、日稱重傳感器技術與產品的發(fā)展與創(chuàng)新經驗，概括起來就是設計技術虛擬化，制造技術柔性化，生產工藝網絡化，企業(yè)管理信息化。為滿足電子稱重技術及電子衡器產品的新需求和適應電子衡器市場競爭日趨國際化的新形勢，稱重傳感器正向著小型化、集成化、多功能化和智能化的方向發(fā)展。他山之石，可以攻玉。工業(yè)發(fā)達國家稱重傳感器技術與產品快速發(fā)展的經驗，是值得我國稱重傳感器研究單位和生產企業(yè)認真研究和吸取的。
近十多年來，我國稱重傳感器技術與制造工藝也取得較大進步，大小生產單位和企業(yè)共有160余個，工業(yè)與商業(yè)電子秤用稱重傳感器年產量已突破300多萬只，家用電子秤用稱重傳感器年產量多達9000萬只，可以說是稱重傳感器生產大國，但總體質量水平與國際同類產品相比還有較大差距。2002年國家監(jiān)督抽查7省市，16個企業(yè)，共48只稱重傳感器，僅合格18只，合格率37.5％，國家監(jiān)督抽查結果與稱重傳感器生產大國地位極不相稱。本文介紹工業(yè)發(fā)達國家稱重傳感器技術與制造工藝的發(fā)展動向，研究分析稱重傳感器發(fā)展趨勢，列舉新技術、新工藝、新產品以及技術與工藝的創(chuàng)新點，其目的就是供國內企業(yè)分析和掌握國際情況開發(fā)和創(chuàng)新產品，組織大批量生產參考，希望能對促進我國稱重傳感器技術與制造工藝的進步和產品總體質量水平的提高起些作用。 |
