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應(yīng)變式稱重傳感器技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

更新時(shí)間:2010-09-08瀏覽:2650次

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(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BLH公司生產(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,用于工程測力和稱重計(jì)量,成為應(yīng)變式負(fù)荷傳感器的。1942年在美國應(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BLH公司和Revere公司經(jīng)過多年實(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(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力傳感器*分離,制定R60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(jì)算方法,分析彈性體的強(qiáng)度、剛度,應(yīng)力場和位移場,求得*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(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(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(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)荷傳感器性能的評定方法,已不能滿足采用階梯公差帶評定準(zhǔn)確度等級電子衡器的需要,急需與電子衡器準(zhǔn)確度評定方法相適應(yīng)的計(jì)量規(guī)程。80年代初,法制計(jì)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*分離,由美國負(fù)責(zé)的第8報(bào)告秘書處起草《稱重傳感器計(jì)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(jì)量大會(huì)上正式批準(zhǔn),并于1985年以O(shè)IML,R60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(jì)量規(guī)程》是各國稱重傳感器進(jìn)入市場的“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?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(diǎn)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(qiáng),信號傳輸距離遠(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;
    在測試檢定中創(chuàng)造了自動(dòng)快速檢測和動(dòng)態(tài)比對方法。
    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。總之,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。
    二、國外稱重傳感器技術(shù)現(xiàn)狀及快速發(fā)展原因
    工業(yè)與商業(yè)電子秤用稱重傳感器技術(shù)與制造工藝,美、德等工業(yè)發(fā)達(dá)國家的制造公司處于市場*的地位,我國具有一定規(guī)模的稱重傳感器制造公司處于市場挑戰(zhàn)者或市場追隨者地位。家用電子秤用稱重傳感器的研發(fā)和生產(chǎn)中心在中國,在深圳,制造技術(shù)、工藝水平、產(chǎn)品質(zhì)量和年產(chǎn)量逐年提高。
    當(dāng)今市場稱重傳感器技術(shù)的競爭,集中表現(xiàn)在產(chǎn)品的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性和可靠性的競爭;制造技術(shù)與制造工藝的競爭;應(yīng)用高新技術(shù)研發(fā)新產(chǎn)品和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品的競爭。各稱重傳感器制造企業(yè)都在努力培植自己的核心競爭技術(shù)和打造核心競爭產(chǎn)品。
    從近幾年衡器工業(yè)展覽會(huì)上展出的產(chǎn)品和對多家處于市場*地位的企業(yè)產(chǎn)品的分析可以得出這些企業(yè)的共同追求是:彈性體材質(zhì)更精良;電阻應(yīng)變計(jì)、補(bǔ)償元器件的技術(shù)要求和環(huán)境應(yīng)力篩選更嚴(yán)格;制造工藝更精細(xì);電路補(bǔ)償工藝更完善;外觀質(zhì)量更。
    稱重傳感器的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性和可靠性是重要的質(zhì)量指標(biāo),同時(shí)也是用戶zui關(guān)心的問題。對此,這些企業(yè)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝、電路補(bǔ)償與調(diào)整和穩(wěn)定性處理等方面進(jìn)行許多研究與試驗(yàn)工作,取得較大進(jìn)展,主要成果有:
    (1)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算過程中,引入計(jì)算機(jī)擬實(shí)技術(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真,動(dòng)力學(xué)分析;在工藝設(shè)計(jì)過程中引入計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù),對彈性體生產(chǎn)工藝進(jìn)行模擬和檢驗(yàn);
    (2)在彈性體加工中,納入*制造技術(shù),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(tǒng);
    (3)在生產(chǎn)全過程中,盡量減少手工操作、人為控制,增加半自動(dòng)與自動(dòng)控制、自動(dòng)檢驗(yàn)工序,并在生產(chǎn)工藝中采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù);
    (4)改進(jìn)、創(chuàng)新工藝裝備,實(shí)現(xiàn)智能電路補(bǔ)償,建立全自動(dòng)快速檢測系統(tǒng),提高C3級產(chǎn)品成功率和大批量生產(chǎn)產(chǎn)品的抽檢合格率;
    (5)移植*穩(wěn)定處理技術(shù)與裝備,實(shí)施振動(dòng)時(shí)效或共振時(shí)效新工藝,提高稱重傳感器的長期穩(wěn)定性和工作可靠性;
    (6)應(yīng)用高新技術(shù)開發(fā)新產(chǎn)品和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品,增強(qiáng)核心競爭力。處于市場引導(dǎo)地位的企業(yè)都有自己的核心競爭技術(shù)、工藝和產(chǎn)品,例如:正負(fù)蠕變電橋的“O蠕變”稱重傳感器;鈹青銅動(dòng)態(tài)稱重傳感器;整體型和分離型數(shù)字式智能稱重傳感器;高準(zhǔn)確度不銹鋼3柱、4柱高溫稱重傳感器;組件化設(shè)計(jì)的“即插即用”型新式稱重模塊等。
    國外稱重傳感器技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)及快速發(fā)展的原因:
    (1)重視基礎(chǔ)技術(shù)、基礎(chǔ)工藝和共性關(guān)鍵技術(shù)的研究,作到基礎(chǔ)研究與預(yù)先研究并行;共性關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用技術(shù)研究并行;典型產(chǎn)品開發(fā)與產(chǎn)品工程化并行。保證基礎(chǔ)技術(shù)與基礎(chǔ)工藝(電阻應(yīng)變計(jì)、應(yīng)變粘結(jié)劑、補(bǔ)償元器件、防護(hù)與密封材料等)一直處于世界地位。
    (2)重視基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和制造技術(shù)、制造工藝的研究與應(yīng)用。配置優(yōu)良的工藝裝備和檢測儀器,特別是智能化工藝設(shè)備,作到工藝裝備;
    (3)描準(zhǔn)世界稱重傳感器技術(shù)的發(fā)展潮流和戰(zhàn)略前沿,確定研究課題和產(chǎn)品開發(fā)方向。重視新產(chǎn)品和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品的開發(fā),增強(qiáng)核心競爭力。其技術(shù)創(chuàng)新和新產(chǎn)品開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)是:具有較高的技術(shù)先導(dǎo)性,工藝*性,市場擴(kuò)散性,效益增殖性。使技術(shù)與工藝始終處于世界地位。
    (4)重視稱重傳感器的可靠性設(shè)計(jì)、控制與管理,嚴(yán)格設(shè)計(jì)符合性控制和工藝可靠性控制,努力使工藝兌現(xiàn)率達(dá)到。
 
    (5)重視市場競爭,加強(qiáng)市場調(diào)查與分析,快速響應(yīng)市場。21世紀(jì)的市場競爭,是以市場響應(yīng)速度為焦點(diǎn),以改進(jìn)和創(chuàng)新產(chǎn)品為基礎(chǔ)。
 
    (6)重視相關(guān)法規(guī)和規(guī)程的學(xué)習(xí),全面理解并認(rèn)真執(zhí)行,保證生產(chǎn)的每一個(gè)產(chǎn)品都符合要求。
 
    正因?yàn)槿绱?,國外的稱重傳感器品種繁多,規(guī)格齊全,合金鋼、鋁合金、不銹鋼、鈹青銅制品*;水下、鉆井下測量,耐壓防爆、抗輻射、耐腐蝕產(chǎn)品;微小和超大量程;多稱量與動(dòng)態(tài)稱量;集成化與模塊化結(jié)構(gòu)任用戶選購。并作到產(chǎn)品的內(nèi)在與外觀質(zhì)量并重,近幾年外觀質(zhì)量的改進(jìn)與提高十分明顯,基本沒有噴漆產(chǎn)品,幾乎全部是亮光或亞光化學(xué)鍍鎳、鍍鉻,烤漆,噴塑,瓷質(zhì)陽極化和不銹鋼產(chǎn)品。個(gè)別產(chǎn)品的外形已融入人性化設(shè)計(jì)。
 
    目前的研發(fā)熱點(diǎn)是:
 
    數(shù)字式智能稱重傳感器的數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)與補(bǔ)償工藝,及其應(yīng)用技術(shù);
 
    快速、低速動(dòng)態(tài)、動(dòng)態(tài)稱重傳感器的研制及阻尼技術(shù);
 
    高溫稱重傳感器制造工藝,高溫穩(wěn)定性及應(yīng)用技術(shù);
 
    耐壓、防爆型稱重傳感器及耐壓外殼設(shè)計(jì)與試驗(yàn)技術(shù);
 
    組件化設(shè)計(jì)的“即插即用”的新式稱重模塊;
 
    利用鋇和鈮代替鎳制作靈敏度溫度補(bǔ)償電阻的研究。
 
    三、我國稱重傳感器技術(shù)現(xiàn)狀及主要差距
 
    盡管我國航空、航天工業(yè)部門早在20世紀(jì)50年代末期就開始研究應(yīng)用應(yīng)變式負(fù)荷傳感器,但并未向民用發(fā)展。就全國而言,負(fù)荷傳感器的研制與生產(chǎn)起步較晚,60年代只有幾個(gè)廠家生產(chǎn)普通精度等級的應(yīng)變式測力傳感器。結(jié)構(gòu)單一,只有圓柱、圓環(huán)兩種結(jié)構(gòu),基本不進(jìn)行電路補(bǔ)償與調(diào)整,有的產(chǎn)品甚至用外部平衡箱調(diào)整零點(diǎn)。
 
    80年代初,全國有20余個(gè)企業(yè)用資一億元人民幣,用匯1300萬美元,從美、日等國引進(jìn)應(yīng)變式負(fù)荷傳感器制造技術(shù)與工藝裝備,進(jìn)行學(xué)習(xí)、消化、吸收。經(jīng)過仿制和試生產(chǎn)后,開始多品種小批量生產(chǎn),推向市場后,取得相當(dāng)可觀的效益。當(dāng)時(shí)人們對此產(chǎn)品的總結(jié)是:多品種、小批量、低成本、高收益、投資少、見效快。引起不少行業(yè)的個(gè)人和企業(yè)的關(guān)注,紛紛進(jìn)入此行業(yè),生產(chǎn)廠家從70年代的20多個(gè)迅速增加到100多個(gè),年產(chǎn)量與日本相當(dāng),達(dá)到100多萬只。
 
    隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,各行業(yè)對電子衡器的需求不斷增加,極大的促進(jìn)了稱重傳感器技術(shù)的發(fā)展。80年代中期到90年代中期,是我國稱重傳感器技術(shù)穩(wěn)步發(fā)展,品種和規(guī)格迅速增加,產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高的十年。不少廠家都改進(jìn)或增加工藝裝備、檢測儀表,購置智能溫度補(bǔ)償裝置和靈敏度溫度補(bǔ)償設(shè)備,實(shí)現(xiàn)了規(guī)?;a(chǎn)。90年代中期稱重傳感器生產(chǎn)企業(yè)增加到160多個(gè),年產(chǎn)量200多萬只。除滿足國內(nèi)市場需求外,十余個(gè)企業(yè)開始小批量出口,呈現(xiàn)出較好的發(fā)展勢頭。
 
    盡管稱重傳感器是國家強(qiáng)制管理的法制計(jì)量器具,應(yīng)當(dāng)比較難進(jìn)入此行業(yè),但由于種種原因?qū)е烈恍┢髽I(yè)和個(gè)人很容易進(jìn)入,造成市場擁擠,加劇了市場競爭。終于在90年代中期爆發(fā)了價(jià)格大戰(zhàn),誰的價(jià)格低,誰就是大贏家,而且逐年升級越演越烈,已經(jīng)到了走火入魔的程度。價(jià)格大戰(zhàn)的惡果是技術(shù)進(jìn)步緩慢,工藝水平下降,質(zhì)量問題嚴(yán)重,管理監(jiān)督失控。zui初的受害者是廣大用戶,zui終的受害者是企業(yè)自己,是整個(gè)稱重傳感器行業(yè)。帶著這些問題進(jìn)入21世紀(jì),稱重傳感器與工業(yè)發(fā)達(dá)國家的差距非但未縮小,反而加大了。近幾年國家監(jiān)督抽查結(jié)果就是例證。
 
    2002年國家監(jiān)督抽查7省市,16個(gè)企業(yè),共48只稱重傳感器,合格18只,合格率37.5%。30只不合格產(chǎn)品來自10個(gè)企業(yè),不合格原因全部是溫度性能超差。更為嚴(yán)重的是在16個(gè)企業(yè)中,只有一個(gè)企業(yè)嚴(yán)格執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)。如果變抽查為全面檢查,合格率會(huì)更低。國家監(jiān)督抽查結(jié)果真實(shí)的反應(yīng)了我國稱重傳感器總體技術(shù)、工藝和管理水平。合格率低的主要原因是:質(zhì)量意識(shí)差,不依法組織生產(chǎn);對R60建議和國家標(biāo)準(zhǔn)不理解、不執(zhí)行,錯(cuò)誤的把0.02級與C3級等同起來;在利益驅(qū)使下改材料、換元件、減工藝,只求勉強(qiáng)合格或人為合格。
 
    我國稱重傳感器與工業(yè)發(fā)達(dá)國家處于市場引導(dǎo)地位企業(yè)產(chǎn)品的主要差距是:
 
    (1)結(jié)構(gòu)類型偏少,品種規(guī)格不全,特種用途產(chǎn)品奇缺;
 
    (2)準(zhǔn)確度等級較低,C3級成功率不高;
 
    (3)穩(wěn)定性和可靠性較差,返修率高,工作壽命低;
 
    (4)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、工程化水平和企業(yè)產(chǎn)業(yè)化程度較低,產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)的均一性差;
 
    (5)外觀質(zhì)量雖有提高,但仍有較大差距;
 
    (6)工藝裝備、檢測手段不夠*且不配套,生產(chǎn)工藝中手工操作、人為控制成份大,“作坊手藝”痕跡較深,人為因素對產(chǎn)品質(zhì)量影響較大;
 
    (7)創(chuàng)新產(chǎn)品和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品少,低水平重復(fù)產(chǎn)品多,貼牌加工、直接出口產(chǎn)品少;
 
    (8)企業(yè)沒有核心競爭技術(shù)和產(chǎn)品,市場調(diào)查不夠,市場響應(yīng)速度太慢,造成無法與市場融合。
 
    總之,制造工藝差距zui大,通常將制造工藝分為:
 
    支持工藝一一彈性體鍛造、機(jī)械加工、熱處理和表面處理等;
 
    基礎(chǔ)工藝一一電阻應(yīng)變計(jì)、應(yīng)變粘結(jié)劑、電路補(bǔ)償元器件和防護(hù)密封材料等;
 
    核心工藝一一電阻應(yīng)變計(jì)粘貼與固化、零點(diǎn)與靈敏度智能溫度補(bǔ)償和防護(hù)與密封等;
 
    特殊工藝一一熱處理法時(shí)效工藝和機(jī)械法穩(wěn)定處理工藝等。
 
    其中基礎(chǔ)工藝和特殊工藝差距zui大。
 
    家用電子秤(人體秤、健康秤、脂肪秤、廚房秤、營養(yǎng)秤、珍寶秤、口袋秤和手提秤等)用稱重傳感器及其電阻應(yīng)變計(jì),90年代中期以來,其研發(fā)與生產(chǎn)由世界各國逐漸移向中國,主要在廣東、在深圳。近些年來在設(shè)計(jì)技術(shù)、制造工藝和產(chǎn)品產(chǎn)量上都取得了令人震驚的飛速發(fā)展。生產(chǎn)企業(yè)有三種類型:其一設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、組裝各種家用電子秤;其二為家用電子秤生產(chǎn)廠配套生產(chǎn)各種稱重傳感器(或自己生產(chǎn)電阻應(yīng)變計(jì),或外購電阻應(yīng)變計(jì));其三只生產(chǎn)家用電子秤稱重傳感器用電阻應(yīng)變計(jì)。目前這三種類型的生產(chǎn)廠家已達(dá)60多個(gè)。據(jù)國家海關(guān)統(tǒng)計(jì)2003年家用電子秤出口量3860多萬臺(tái),出口值1.47億美元,并以每年30%的速度增長。當(dāng)時(shí)預(yù)計(jì)2004年家用電子秤出口量5000多萬臺(tái),出口值2億多美元。以此出口量計(jì)算,2004年共生產(chǎn)家用電子秤稱重傳感器共1.2億只,與其配套的電阻應(yīng)變計(jì)(以單軸片計(jì)算)約4.8億片。
 
    經(jīng)過多年的研究與生產(chǎn)實(shí)踐,解決了稱重傳感器量程小、彈性體小、電阻應(yīng)變計(jì)敏感柵尺寸小等制造工藝上的難題。由于家用電子秤稱重傳感器的準(zhǔn)確度為普通等級,不進(jìn)行電路補(bǔ)償,必需大批量生產(chǎn),一般中型以上的生產(chǎn)廠日產(chǎn)電阻應(yīng)變計(jì)12萬片以上,稱重傳感器3萬多只。他們用高質(zhì)量的溫度和模量自補(bǔ)償電阻應(yīng)變計(jì)較好的解決了這一難題,為大批量生產(chǎn)家用電子秤稱重傳感器創(chuàng)造了條件。
 
    四、近年來稱重傳感器技術(shù)發(fā)展動(dòng)向
 
    上主要有兩種發(fā)展途徑:以美國為代表的先軍工后民用,先提高后普及的途徑和以日本為代表的實(shí)用化商品化,先普及后提高的途徑。我國應(yīng)屬于后者,盡管軍工部門研究應(yīng)用較早,但并未轉(zhuǎn)為民用,快速發(fā)展和普及還是在近20年。近幾年是關(guān)鍵時(shí)期,急需提高我國稱重傳感器的總體技術(shù)、工藝和質(zhì)量水平。
 
    稱重傳感器技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向是,把稱重傳感器的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性和可靠性作為極其重要的質(zhì)量指標(biāo),把制造技術(shù)和制造工藝作為核心競爭力,緊緊抓住稱重傳感器的特性問題、生產(chǎn)問題和應(yīng)用問題進(jìn)行基礎(chǔ)研究、工藝研究和應(yīng)用研究,其研究方向和特點(diǎn)是:
 
    (1)在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造工藝中,吸取了工程化產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的計(jì)算機(jī)擬實(shí)技術(shù)和虛擬技術(shù),加快開發(fā)速度,減少開發(fā)風(fēng)險(xiǎn);
 
    (2)在彈性體加工中,從單元加工技術(shù)發(fā)展到集成化加工技術(shù);從剛性制造發(fā)展到柔性制造;從簡單化經(jīng)驗(yàn)判斷發(fā)展到智能化定量分析。普遍采用柔性制造單元和柔性制造系統(tǒng);
 
    (3)生產(chǎn)工藝已不是傳統(tǒng)關(guān)念中的“作坊手藝”,而是技術(shù)與管理相結(jié)合的一項(xiàng)系統(tǒng)工程。為適應(yīng)多品種、大批量生產(chǎn),保證產(chǎn)品技術(shù)性能的均一性,生產(chǎn)工藝必須向盡量減少手工操作、人為控制,增加半自動(dòng)化和自動(dòng)化工序方向發(fā)展。例如:采用計(jì)算機(jī)控制,人機(jī)一體化工藝系統(tǒng)和測試技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化信息系統(tǒng)等;
 
    (4)與穩(wěn)定性和可靠性有關(guān)的穩(wěn)定處理工藝在高溫處理,低溫深冷,脈動(dòng)疲勞,超載靜壓等方法的基礎(chǔ)上,又研究出振動(dòng)時(shí)效、共振時(shí)效新工藝,共振10分鐘,可消除絕大部分殘余應(yīng)力。
 
    在上述設(shè)計(jì)與制造下,稱重傳感器的品種和結(jié)構(gòu)又有創(chuàng)新,技術(shù)功能和應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大,主要成果有:
 
    (1)美國Revere公司研制出PUS型具有大氣壓力補(bǔ)償功能的拉壓兩用的稱重傳感器,用于高準(zhǔn)確度檢驗(yàn)平臺(tái),稱重平臺(tái),準(zhǔn)確度可達(dá)5000d;
 
    (2)德國HBM公司研制成功C2A、C16A兩種不同結(jié)構(gòu)的1一100t具有“耐壓外殼”保護(hù)的防爆稱重傳感器,其防爆性能符合歐洲EN50014和EN50018“d”級標(biāo)準(zhǔn);
 
    (3)美國斯凱梅公司研制出新一代高準(zhǔn)確度不銹鋼F60X系列5一5000kg稱重傳感器,準(zhǔn)確度6000d。用于濕度大,腐蝕性強(qiáng)的環(huán)境中,而且防水;
 
    (4)德國塞特內(nèi)爾公司研制出以鈹青銅為彈性體材料,快速稱重用200型稱重傳感器。其特點(diǎn)是線性好,固有頻率高,動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。油阻尼裝置與過載保護(hù)裝置一體化,保證稱量時(shí)速度快,工作壽命長。組裝3一30kg電子平臺(tái)秤,準(zhǔn)確度可達(dá)4000d;
 
    (5)美國THI公司研制的1410型5一30kg鋁合金稱重傳感器,準(zhǔn)確度等級優(yōu)于C3級,可承受離心力和機(jī)械振動(dòng),內(nèi)裝特制的粘性阻尼器,保證稱量時(shí)有較快的穩(wěn)定時(shí)間,一般低于50ms;
 
    (6)美國VT一BLH公司開發(fā)出新式稱重模塊,具有合理的組件化功能和*的稱重效率,出廠后“即插即用”,可自動(dòng)調(diào)節(jié)位置,不受攪拌,偏心和振動(dòng)影響。
 
    僅以上幾例,足以代表了新產(chǎn)品的開發(fā)方向,體現(xiàn)了技術(shù)的先導(dǎo)性,工藝的*性。就技術(shù)含量而言,有高準(zhǔn)確度(4000d一6000d)稱重傳感器制造技術(shù);大氣壓力補(bǔ)償技術(shù);用于快速、動(dòng)態(tài)測量稱重傳感器的粘性阻尼器快速穩(wěn)定技術(shù);隔爆型耐壓外殼的設(shè)計(jì)與制造技術(shù);組件化新式模塊設(shè)計(jì)技術(shù)等。
 
    五、稱重傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢
 
    應(yīng)變式稱重傳感器的發(fā)展趨勢,可用“四化”來概括,即設(shè)計(jì)技術(shù)虛擬化,制造技術(shù)柔性化,生產(chǎn)工藝網(wǎng)絡(luò)化,企業(yè)管理信息化。
 
    設(shè)計(jì)技術(shù)虛擬化:包括彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的擬實(shí)技術(shù)和工藝設(shè)計(jì)的虛擬技術(shù)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的擬實(shí)技術(shù):是指面向彈性體的結(jié)構(gòu)和性能分析技術(shù),包括動(dòng)態(tài)仿真、動(dòng)力學(xué)分析、強(qiáng)度和剛度有限單元法計(jì)算、敏感區(qū)應(yīng)變大小與分布等,以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。
 
    工藝設(shè)計(jì)的虛擬技術(shù):是指面向彈性體生產(chǎn)過程的模擬和試驗(yàn),檢驗(yàn)彈性體的可加工性,加工方法和工藝的合理性,保證制造工藝*化。
 
    設(shè)計(jì)技術(shù)虛擬化的核心是有限單元計(jì)算和計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)仿真。通過仿真軟件來模擬真實(shí)受載情況,發(fā)現(xiàn)并及時(shí)處理設(shè)計(jì)和工藝缺陷或錯(cuò)誤,以確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝的合理性。
 
    制造技術(shù)柔性化:是指在多品種、大批量生產(chǎn)的彈性體加工中,納入*制造技術(shù):柔性制造單元(FMC)、柔性制造系統(tǒng)(FMS)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)。它是計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等與傳統(tǒng)的制造技術(shù)相結(jié)合形成的全新的制造系統(tǒng)。
 
    生產(chǎn)工藝網(wǎng)絡(luò)化:是指在生產(chǎn)工藝全過程中,通過通訊線路和設(shè)備把各生產(chǎn)工序具有獨(dú)立操作和控制功能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相互連接起來,在網(wǎng)絡(luò)軟件管理下,實(shí)現(xiàn)信息的收集、存儲(chǔ)和處理。與傳統(tǒng)的“作坊手藝”生產(chǎn)工藝相比,大大的減少了手工操作,zui大限度的排除了人為因素對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。
 
    企業(yè)管理信息化:是指按計(jì)算機(jī)處理的要求,依據(jù)結(jié)構(gòu)化系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)方法,建立企業(yè)信息系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)企業(yè)管理全面現(xiàn)代化。包括CAD、CAM系統(tǒng),生產(chǎn)管理系統(tǒng),商務(wù)決策系統(tǒng)和經(jīng)營管理系統(tǒng)等。
 
    為適應(yīng)電子稱重技術(shù)從靜態(tài)稱重向動(dòng)態(tài)稱重發(fā)展;計(jì)量方法從模擬測量向數(shù)字測量發(fā)展;測量特點(diǎn)從單參數(shù)測量向多參數(shù)測量發(fā)展,以及電子衡器對稱重傳感器的新要求,以下課題將是今后一個(gè)時(shí)期的研發(fā)重點(diǎn):
 
    快速、低速動(dòng)態(tài)和動(dòng)態(tài)稱重傳感器及其阻尼技術(shù);
 
    多功能、多分量稱重傳感器及其測試方法;
 
    微小和超大量程稱重傳感器;
 
    防爆、耐壓、耐腐蝕等稱重傳感器;
 
    偏心載荷測量及車載秤用稱重傳感器;
 
    大阻值低功耗高精度電阻應(yīng)變計(jì)研制等。
 
    分析近年來電子衡器對稱重傳感器的新要求,不難得出小型化,集成化,多功能化和智能化將是稱重傳感器的重要特點(diǎn)和發(fā)展趨勢。
 
    小型化:是指稱重傳感器總體結(jié)構(gòu)體積小、高度低、重量輕,即小、薄、輕。例如:30t、60t彎曲環(huán)式結(jié)構(gòu),其外形尺寸分別為外徑120mm和150mm,高度只有50mm和60mm。
 
    集成化:有結(jié)構(gòu)集成和功能集成兩種形式。結(jié)構(gòu)集成是指彈性體與秤體合二為一的新型結(jié)構(gòu),例如:稱重板、稱重軌、稱重鉤、稱重環(huán)等。功能集成是指將重量信息采集、放大、變換、傳輸、處理和顯示都集于一體的稱重傳感器,例如:將敏感元件(彈性體)、轉(zhuǎn)換元件(電阻應(yīng)變計(jì))、信號處理電路和稱重顯示控制都集于一體的輪輻式稱重傳感器,其數(shù)字顯示位置就在傳統(tǒng)輪輻式稱重傳感器的接線盒處,通常稱為輪輻式稱重儀。
 
    多功能化:是指稱重傳感器本身除具有檢測重量信息的功能外,還能同時(shí)檢測其它信息。例如:電子吊秤用稱重傳感器在檢測重量信息的同時(shí)還可檢測加速度信息;汽車檢測平臺(tái)用稱重傳感器,可同時(shí)檢測垂直方向的重量信息和水平方向的側(cè)向載荷,即多分力測量。
 
    智能化:是由于模擬式稱重傳感器輸出信號小,抗干擾能力差,傳輸距離短,稱重顯示控制儀復(fù)雜,組秤調(diào)試周期長,根本不適應(yīng)數(shù)字式智能電子衡器的發(fā)展。稱重傳感器的智能化就是研制新型數(shù)字式智能稱重傳感器。有兩種結(jié)構(gòu):整體型一一在稱重傳感器內(nèi)部增加放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器、溫度傳感器等數(shù)字處理電路,利用數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)與工藝實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)補(bǔ)償。分離型一--將整體型數(shù)字式智能稱重傳感器內(nèi)的數(shù)字電路置于外部接線盒內(nèi),稱為數(shù)字模盒。將普通模擬式稱重傳感器接入數(shù)字模盒,就可變模擬輸出為數(shù)字輸出,通常將其稱為分離型數(shù)字稱重傳感器系統(tǒng)。
 
    數(shù)字式智能稱重傳感器具有如下特點(diǎn):
 
    (1)輸出信號大,抗干擾能力強(qiáng),傳輸距離遠(yuǎn),信噪比高;
 
    (2)通過數(shù)字補(bǔ)償電路和數(shù)字補(bǔ)償工藝,可進(jìn)行線性、滯后、蠕變等補(bǔ)償,改善了性能;
 
    (3)輸出信號規(guī)格化;
 
    (4)內(nèi)裝溫度傳感器,通過補(bǔ)償軟件可進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償,穩(wěn)定性好;
 
    (5)各數(shù)字式智能稱重傳感器的地址可調(diào),便于應(yīng)用與互換。
 
    什么是智能傳感器,在各國相關(guān)雜志上討論多年,20世紀(jì)90年代中期才有比較一致的看法: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(bǔ)償、自診斷和計(jì)算等全部或部分功能的器件叫做智能傳感器。它可以是集成的,也可以是分離件組裝的。數(shù)字式智能稱重傳感器*符合此定義。今后一個(gè)時(shí)期,智能化數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)和工藝還需進(jìn)一步完善和提高。
 
    zui后希望我國稱重傳感器行業(yè),盡快結(jié)束*的價(jià)格大戰(zhàn),實(shí)施“質(zhì)量競爭戰(zhàn)略”和21世紀(jì)的“創(chuàng)新競爭戰(zhàn)略”,以制造技術(shù)和制造工藝為突破口,迅速提高我國稱重傳感器的總體質(zhì)量水平和信譽(yù)度,培養(yǎng)叫得響,用得好,站得住的產(chǎn)品,盡快融入市場,參與競爭。