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

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

1938年美國(guó)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(shí)研制出紙基絲繞式電阻應(yīng)變計(jì)，以他們名字的字頭和各有二位助手命名為SR-4型，由美國(guó)BLH公司專利生產(chǎn)。為研制應(yīng)變式負(fù)荷傳感器奠定了理論和物質(zhì)基礎(chǔ)。

1940年美國(guó)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(jì)研制出圓柱結(jié)構(gòu)的應(yīng)變式負(fù)荷傳感器，用于工程測(cè)力和稱重計(jì)量，成為應(yīng)變式負(fù)荷傳感器的創(chuàng)始者。1942年在美國(guó)應(yīng)變式負(fù)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(fù)荷傳感器的一統(tǒng)天下。在此時(shí)期內(nèi)，英國(guó)學(xué)者杰克遜研制出金屬箔式電阻應(yīng)變計(jì)，為負(fù)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(jì)的新工藝。美國(guó)BLH公司和Revere公司經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐創(chuàng)造了負(fù)荷傳感器電路補(bǔ)償與調(diào)整工藝，提高了負(fù)荷傳感器的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性，使準(zhǔn)確度由40年代的百分之幾量級(jí)提高到70年代初的0.05量級(jí)。但在應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題也很突出，主要是：加力點(diǎn)變化會(huì)引起比較大的靈敏度變化；同時(shí)進(jìn)行拉、壓循環(huán)加載時(shí)靈敏度偏差大；抗偏心和側(cè)向載荷能力差；不能進(jìn)行小載荷測(cè)量。上述缺點(diǎn)嚴(yán)重制約了負(fù)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(fù)荷傳感器和鋁合金小量程負(fù)荷傳感器兩大技術(shù)突破；80年代稱重傳感器與測(cè)力傳感器徹底分離，制定R60國(guó)際建議和研發(fā)出數(shù)字式智能稱重傳感器兩項(xiàng)重大變革；90年代在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guó)學(xué)者霍格斯特姆為克服正應(yīng)力負(fù)荷傳感器的固有缺點(diǎn)，提出不利用正應(yīng)力，而利用與彎矩?zé)o關(guān)的切應(yīng)力設(shè)計(jì)負(fù)荷傳感器的理論，并設(shè)計(jì)出圓截工字形截面懸臂剪切梁型負(fù)荷傳感器。打破了正應(yīng)力負(fù)荷傳感器的一統(tǒng)天下，形成了新的發(fā)展潮流。這是負(fù)荷傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重大突破。

1974年前后美國(guó)學(xué)者斯坦因和德國(guó)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(jì)算方法，分析彈性體的強(qiáng)度、剛度，應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)，求得最佳化設(shè)計(jì)。為利用現(xiàn)代分析手段和計(jì)算方法設(shè)計(jì)與計(jì)算負(fù)荷傳感器開(kāi)辟了新途徑。

70年代初中期，美、日等國(guó)的衡器制造公司開(kāi)始研發(fā)商業(yè)用電子計(jì)價(jià)秤，急需小量程負(fù)荷傳感器。傳統(tǒng)的正應(yīng)力和新研制的切應(yīng)力負(fù)荷傳感器都不能實(shí)現(xiàn)幾公斤至幾十公斤量程范圍內(nèi)的測(cè)量。美國(guó)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(duì)矛盾。設(shè)計(jì)出小量程鋁合金平行梁型負(fù)荷傳感器，同時(shí)指出平行梁負(fù)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(fù)荷傳感器的特點(diǎn)，為平行梁結(jié)構(gòu)負(fù)荷傳感器的設(shè)計(jì)與計(jì)算奠定了理論基礎(chǔ)，形成了又一個(gè)發(fā)展潮流。

蠕變是電阻應(yīng)變計(jì)和鋁合金負(fù)荷傳感器經(jīng)常遇到和必需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。1978年前蘇聯(lián)學(xué)者科洛考娃通過(guò)對(duì)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(jì)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(jì)的理論，并成功的研制出系列蠕變補(bǔ)償電阻應(yīng)變計(jì)。對(duì)低容量鋁合金負(fù)荷傳感器減小蠕變誤差，提高準(zhǔn)確度起到至關(guān)重要的作用，使電子計(jì)價(jià)秤用鋁合金負(fù)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(fù)荷傳感器性能的評(píng)定方法，已不能滿足采用階梯公差帶評(píng)定準(zhǔn)確度等級(jí)電子衡器的需要，急需與電子衡器準(zhǔn)確度評(píng)定方法相適應(yīng)的計(jì)量規(guī)程。80年代初，國(guó)際法制計(jì)量組織（OIML）質(zhì)量測(cè)量指導(dǎo)秘書(shū)處決定將用于電子稱重的傳感器與用于測(cè)力的傳感器徹底分離，由美國(guó)負(fù)責(zé)的第8報(bào)告秘書(shū)處起草《稱重傳感器計(jì)量規(guī)程》。經(jīng)過(guò)OIML成員國(guó)書(shū)面表決后，在1984年10月第7屆法制計(jì)量大會(huì)上正式批準(zhǔn)，并于1985年以OIML，R60國(guó)際建議頒布，下發(fā)到各成員國(guó)。目前各國(guó)正在執(zhí)行的是R60的2000年版�？梢哉f(shuō)R60《稱重傳感器計(jì)量規(guī)程》是各國(guó)稱重傳感器進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)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(duì)數(shù)字化電子衡器的需求愈來(lái)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(duì)此模擬式稱重傳感器就無(wú)能為力了。因?yàn)樵诖酥�，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(jìn)制造工藝，完善電路補(bǔ)償與調(diào)整等。模擬式稱重傳感器的輸出信號(hào)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(zhǎng)等缺點(diǎn)依然如故。為滿足數(shù)字化電子衡器的需求，美國(guó)TOLEDO、STS和CARDINAL公司，德國(guó)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(hào)大，抗干擾能力強(qiáng)，信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)，易實(shí)現(xiàn)智能控制等特點(diǎn)，成為數(shù)字化電子衡器和自動(dòng)稱重計(jì)量與控制系統(tǒng)的必選產(chǎn)品，形成一個(gè)開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)。

90年代，由于稱重傳感器的設(shè)計(jì)與計(jì)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(biāo)準(zhǔn)化、系列化、工程化設(shè)計(jì)和規(guī)模化生產(chǎn)工藝等方面都有很大進(jìn)步，主要是：

在結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計(jì)中引入計(jì)算機(jī)擬實(shí)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；

在穩(wěn)定處理中移植了振動(dòng)時(shí)效、共振時(shí)效新工藝；

在測(cè)試檢定中創(chuàng)造了自動(dòng)快速檢測(cè)和動(dòng)態(tài)比對(duì)方法。

應(yīng)用技術(shù)研究也有突破性進(jìn)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(duì)新挑戰(zhàn)的典型產(chǎn)品。其特點(diǎn)是組件化設(shè)計(jì)，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(dòng)、沖擊、攪拌或其它外力引起的偏重�？傊�，70年代兩項(xiàng)技術(shù)突破，80年代兩個(gè)重大變革，90年代納入高新技術(shù)面對(duì)新挑戰(zhàn)的研發(fā)理念，極大地促進(jìn)了稱重傳感器技術(shù)的發(fā)展。