應(yīng)變式稱重傳感器技術(shù)研發(fā)方向與內(nèi)容

1、應(yīng)變式稱重傳感器應(yīng)變式稱重傳感器技術(shù)攻關(guān)方向與內(nèi)容技術(shù)攻關(guān)方向與內(nèi)容中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院第七中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院第七0二所二所劉九卿劉九卿1.概述1.1稱重傳感器與電子稱重系統(tǒng) 在一個(gè)電子稱重系統(tǒng)中，首先要檢測(cè)到重量信息，才 能去進(jìn)行自動(dòng)控制，因此稱重傳感器是電子稱重系統(tǒng) 中的核心部件。 如果稱重傳感器獲得的重量信息不確切，那么要顯示 此信息并對(duì)其進(jìn)行處理就十分困難，甚至沒(méi)有意義。 在現(xiàn)代電子稱重技術(shù)領(lǐng)域，重量信息處理能力有余， 重量信息獲取能力不足，即稱重傳感器技術(shù)相對(duì)落 后，特別是穩(wěn)定性和可靠性。 電子稱重技術(shù)所涉及的領(lǐng)域非常寬廣，它是集稱重傳 感器技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)

2、、機(jī)械 設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、材料技術(shù)等為一體的綜合技術(shù)。1.2應(yīng)變式稱重傳感器技術(shù)特點(diǎn) 應(yīng)變式稱重傳感器是技術(shù)密集型和技巧密集型的高技術(shù)產(chǎn)品， “高”就高在它的： 高技術(shù)性技術(shù)密集程度高，邊緣學(xué)科色彩濃，是 多種學(xué)科相互交叉、相互滲透的結(jié)晶。 高技巧性工藝復(fù)雜，是支持工藝、基礎(chǔ)工藝、核 心工藝、特殊工藝的科學(xué)運(yùn)用和集成。 高綜合性研制和生產(chǎn)所涉及的內(nèi)容多、離散大， 必須運(yùn)用綜合技術(shù)與工藝分析方法，解 決故障及制程出現(xiàn)的問(wèn)題。 高滲透性功能多樣，性能極好，產(chǎn)品系列、種類 繁多，向其它領(lǐng)域滲透能力強(qiáng)。2.應(yīng)變式稱重傳感器技術(shù)新概念、新動(dòng)向2.1稱重傳感器技術(shù)范疇 以前曾稱傳感器為“敏感元件”，現(xiàn)已明確

3、“敏感元 件”是傳感器的一部分。關(guān)于轉(zhuǎn)換部分厲來(lái)稱為“轉(zhuǎn) 換元件”，因技術(shù)發(fā)展、功能增加，故稱為預(yù)處理 單元，此定義更具先進(jìn)性。同樣適用于應(yīng)變式稱 重傳感器。 對(duì)于稱重傳感器技術(shù)，過(guò)去狹義理解僅包括稱重 傳感器本身的制造與測(cè)試技術(shù)。 現(xiàn)在廣義理解既包括稱重傳感器本身的制造與測(cè) 試技術(shù)，又包括制造與測(cè)試時(shí)所需要的相關(guān)技 術(shù)、相關(guān)工藝，以及應(yīng)用技術(shù)。 2.2稱重傳感器的總特性 與稱重系統(tǒng)的匹配性 指和后接儀器（或計(jì)算機(jī)）組成的稱重系統(tǒng)的輸入、輸出的匹配，例如數(shù)字稱重系統(tǒng)的通信接口等。 機(jī)械特性 目的是便于運(yùn)輸和安裝，防止震動(dòng)、沖擊影響稱重傳感器的結(jié)構(gòu)和性能。 工作特性 可分為靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性、環(huán)

4、境特性。 可靠性 是指稱重傳感器的無(wú)故障工作時(shí)間，即可靠壽命。2.3結(jié)構(gòu)材料向功能材料方向發(fā)展 稱重傳感器技術(shù)發(fā)展的需要，促使彈性元件用的結(jié)構(gòu)材料向功能材料方向發(fā)展，即具有力功能材料的特點(diǎn)。 在性能上，對(duì)稱重傳感器的特性起舉足輕重的作用。 在應(yīng)用上，制成彈性元件后，實(shí)際上是材料與敏感元件一體化。 在對(duì)材料的評(píng)價(jià)上，是以彈性元件形式對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，稱重傳感器性能直接體現(xiàn)材料的優(yōu)劣。 在制造上，對(duì)成分、冶煉、鍛造、淬火、回火工藝要求嚴(yán)格，并盡量少產(chǎn)生殘余應(yīng)力。2.4物性型稱重傳感器將進(jìn)入電子稱重領(lǐng)域 當(dāng)今在用的應(yīng)變式稱重傳感器屬于結(jié)構(gòu)型，即利 用彈性元件的變形來(lái)檢測(cè)被稱物體的重量。 隨著科學(xué)技術(shù)

5、的發(fā)展，半導(dǎo)體類、陶瓷類、光纖 類、納米類等新型稱重傳感器將部分進(jìn)入電子稱 重技術(shù)領(lǐng)域。它的基本特性與構(gòu)成其敏感元件的 核心材料的性能不可分割，即利用材料固有特性 來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)物體重量信息的檢測(cè)，因此稱為物性型 稱重傳感器。例如利用Z-半導(dǎo)體傳感技術(shù)研制的Z- 元件稱重傳感器，以及納米稱重傳感器等。2.5數(shù)字智能傳感器的接口問(wèn)題 美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所和IEEE儀器與測(cè)量協(xié)會(huì)的傳感技術(shù)委員會(huì)，針對(duì)變送器各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域的需求，建立5個(gè)工作組于19932001年制訂IEEE1451智能變送器接口標(biāo)準(zhǔn)。 IEEE1451.1網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用處理器信息模型。 IEEE1451.2變送器與微處理器通信協(xié)議。 IEEE

6、1451.3分布式多點(diǎn)系統(tǒng)數(shù)字通信。 IEEE1451.4建議標(biāo)準(zhǔn)，即混合模式通信協(xié)議。 IEEE1451.5建議標(biāo)準(zhǔn)，即無(wú)線通信協(xié)議。旨在現(xiàn) 有的IEEE1451框架下，構(gòu)筑一個(gè)開放的標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線 傳感器接口，以適應(yīng)工業(yè)自動(dòng)化等不同應(yīng)用領(lǐng)域的 需求。3.稱重傳感器技術(shù)的新發(fā)展3.1設(shè)計(jì)技術(shù) 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)法 古典算法+經(jīng)驗(yàn)，為半理論、半經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)。即以理論計(jì)算為基礎(chǔ)，以經(jīng)驗(yàn)公式、設(shè)計(jì)手冊(cè)為依據(jù)，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式、近似系數(shù)或類比等方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。簡(jiǎn)單實(shí)用、比較有效，但也存在弊端，主要是： 達(dá)不到最佳設(shè)計(jì)，有些關(guān)鍵尺寸不盡完全合理，難 以進(jìn)行全面分析和綜合各參數(shù)之間的相互影響； 對(duì)邊界影響、支承剛度和應(yīng)力集中等很

7、難作出分析 和判斷，影響對(duì)結(jié)構(gòu)及邊界支承的正確選擇； 從開始研制到設(shè)計(jì)定型，設(shè)計(jì)和試驗(yàn)周期長(zhǎng)，耗費(fèi) 人力、物力多，成本高。 現(xiàn)代設(shè)計(jì)法 是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論的延伸、思維方法的改變，多種設(shè)計(jì)技術(shù)、理論與方法的綜合。其特點(diǎn)是：設(shè)計(jì)手段精確化、計(jì)算機(jī)化和虛擬化。虛擬化是以 系統(tǒng)軟件在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)三維建模。設(shè)計(jì)過(guò)程并行化、最優(yōu)化和智能化。 國(guó)際著名稱重傳感器制造企業(yè)普遍開展計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立較為復(fù)雜的力學(xué)模型，采用交互、高交互有限元程序包進(jìn)行計(jì)算和分析。其核心是計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)仿真，發(fā)現(xiàn)并及時(shí)處理某些不可避免的缺陷甚至錯(cuò)誤，保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性。3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與理論計(jì)算是基于外

8、載荷作用線與彈性元 件加荷軸線一致的前提，且載荷是均勻的沿著軸線 傳遞。事實(shí)上，稱重傳感器所承受的已知力即不同 軸也不均勻傳遞，因此會(huì)產(chǎn)生干擾影響。對(duì)此干擾 影響的敏感程度取決于稱重傳感器的結(jié)構(gòu)形狀、附 件性能、電阻應(yīng)變計(jì)粘貼位置等。 基于上述分析，測(cè)量信號(hào)必定與稱重傳感器相對(duì)于 載荷軸線的傾斜位置、應(yīng)變區(qū)的面積效應(yīng)、壓頭和 壓墊的表面形狀及硬度、接觸面大小和材料性質(zhì)、 接觸表面粗糙度、加載承載邊界條件等因素有關(guān)。 加強(qiáng)上述干擾量、影響量等問(wèn)題的研究，對(duì)于稱重 傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與理論計(jì)算至關(guān)重要。3.2.1承受外載荷的兩個(gè)接觸面 在每一個(gè)接觸面上載荷的分布取決于端部的加載條件。因此，這些加載條

9、件的變化，將使彈性元件應(yīng)變區(qū)的載荷分布發(fā)生變化。 即使在接觸面上總的作用載荷保持不變，也將導(dǎo)致靈敏度變化，造成稱重傳感器不穩(wěn)定。 壓向稱重傳感器接觸面上載荷的分布取決于： 與稱重傳感器加載面相接觸的材料特性，如硬 度 、摩擦系數(shù)等。 與稱重傳感器加載面相接觸的表面形狀，如平面、曲面曲率、接觸圓大小等。 加載后接觸表面的變形。3.2.2表面形狀和硬度影響 上、下壓墊的接觸面都影響載荷的引入和傳遞。 上壓墊表面平滑時(shí)，表面硬度的影響可以忽略不 計(jì)，同樣上壓墊厚度的影響也可以忽略不計(jì)。因?yàn)閷?shí)際上，接觸僅發(fā)生在球面中心一個(gè)小接觸圓上。 壓墊的形狀（從平面到球面）對(duì)三個(gè)力矩分量的影 響是顯著的。其最大特

10、點(diǎn)是在接觸區(qū)內(nèi)出現(xiàn)相當(dāng)高 的應(yīng)力，由于接觸點(diǎn)處于三向受壓的應(yīng)力狀態(tài)，因 此能承受這樣高的應(yīng)力。 下壓墊形狀影響大于其硬度影響一個(gè)數(shù)量級(jí)，在最 差情況下為輸出值的0.3。3.2.3接觸面大小、材料性質(zhì)影響 剪應(yīng)力的大小和在下壓墊上的分布，與彈性元件底面直徑d、所用材料彈性模量Em 和壓墊直徑 D、所用材料彈性模量Es的不同有關(guān)： 當(dāng)Dd、Em=Es時(shí)，在接觸 P面上只引起局部影響，這種影響不擴(kuò)散，不影響彈性元件應(yīng) Em變區(qū)變形。 d 當(dāng)D=d、EmEs時(shí)，在接觸 Es面上產(chǎn)生應(yīng)力集中，由于彈性模 D量不同而阻止了彈性元件的橫向變形，這種影響向彈性元件中心部分?jǐn)U散，使輸出有減小的趨勢(shì)。3.2.4接

11、觸表面粗糙度的影響 英國(guó)物理研究所測(cè)力窒，用環(huán)氧樹脂稱重傳感器模型，在不同表面粗糙度和不同材料制成的橡膠、樹脂和鋼底座上進(jìn)行試驗(yàn)。 在稱重傳感器模型上粘貼電阻應(yīng)變計(jì)，改變接觸表面的粗糙度及模型尺寸（高度H和直徑D），測(cè)量出其徑向應(yīng)變值。 試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明： 接觸表面越光潔，載荷傳遞性能越好，輸出就越大，對(duì)靈敏度無(wú)影響。 3.2.5必須重視載荷傳遞方式設(shè)計(jì) 盡量采用點(diǎn)或線接觸方式傳遞載荷。如果必須采用面接觸方式傳遞載荷時(shí)，稱重傳感器應(yīng)具備： 允許局部區(qū)域有較大變形； 輸出對(duì)加載面位置變化不敏感； 對(duì)局部應(yīng)力集中不敏感。 為此，必須采取下列措施： 增大應(yīng)變均勻區(qū)，如加大高度與直徑比；采用加 高的均

12、壓墊；增加鈹青銅波紋板彈性壓墊等。 將面接觸通過(guò)過(guò)渡壓墊轉(zhuǎn)換成點(diǎn)接觸或線接觸。 采用復(fù)合梁型稱重傳感器，如十字梁式、輪輻式 等。3.3新式稱重模塊 是集成上述研究成果的新一代產(chǎn)品，對(duì)電子衡器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)引起較大變革。 美國(guó)VBLH公司稱其為用新技術(shù)迎接稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新挑戰(zhàn)；生產(chǎn)過(guò)程（在線）稱重計(jì)量與控制系統(tǒng)的新發(fā)展。 為實(shí)現(xiàn)電子稱重系統(tǒng)多功能、高準(zhǔn)確度、高可靠性和高接口功能，對(duì)稱重傳感器及其稱重模塊提出的新要求是： （1）稱量準(zhǔn)確度高，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好； （2）安裝調(diào)試方便，工作可靠性高，壽命長(zhǎng)； （3）不受動(dòng)態(tài)過(guò)程（轉(zhuǎn)矩、攪拌等）影響； （4）密封性好，便于沖洗。3.4稱重傳感器可靠性設(shè)計(jì)方法 可

13、靠性目標(biāo)值確定。一般IP67、IP68密封等級(jí)的 稱重傳感器，應(yīng)能穩(wěn)定的工作10年。 可靠性設(shè)計(jì)內(nèi)容。主要是固有可靠性設(shè)計(jì)，即無(wú)故 障工作時(shí)間裕度設(shè)計(jì)，在克服和協(xié)調(diào)各種限制的條 件下，力爭(zhēng)最長(zhǎng)的無(wú)故障工作時(shí)間。 原材料、元器件的選擇原則：（1）簡(jiǎn)單化和標(biāo)準(zhǔn)化簡(jiǎn)單化和標(biāo)準(zhǔn)化。用盡可能少的元器件實(shí)現(xiàn)功 能，盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)材料、標(biāo)準(zhǔn)器件。（2）降額降額。將原材料、元器件負(fù)荷能力降低到額定 值的幾分之一再使用，此為冗余法設(shè)計(jì)。（3）環(huán)境適應(yīng)性環(huán)境適應(yīng)性。對(duì)原器件進(jìn)行嚴(yán)格的環(huán)境應(yīng)力篩 選。 3.5工藝技術(shù) 制造工藝是稱重傳感器生產(chǎn)過(guò)程中最活躍、最積 的因素，是研究成果轉(zhuǎn)化為商品的橋梁。 制造工藝不僅是基

14、礎(chǔ)的工藝技術(shù)，而且是稱重傳 感器生產(chǎn)過(guò)程中起核心作用的專業(yè)技術(shù)。 稱重傳感器的競(jìng)爭(zhēng)，主要是制造技術(shù)、制造工藝 的競(jìng)爭(zhēng)，因此它是企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)。 制造工藝的概念和內(nèi)涵不斷擴(kuò)展，使現(xiàn)代制造技 術(shù)與傳統(tǒng)制造工藝相結(jié)合，技術(shù)與管理相結(jié)合， 逐步演變成現(xiàn)代制造工藝系統(tǒng)。 3.5.1工藝研究方向 如何在生產(chǎn)的全過(guò)程中，作到支持工藝、基礎(chǔ)工藝、 核心工藝和特殊工藝的科學(xué)運(yùn)用和集成。 結(jié)構(gòu)原理和制造工藝決定了，在生產(chǎn)工藝流程中必然 存在“作坊手藝”痕跡，有些工序是人工操作、手動(dòng)控制，人為的因素對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響較大，因此要盡量減少人為因素的影響。 應(yīng)加強(qiáng)工藝基礎(chǔ)理論研究，在工藝?yán)碚撝笇?dǎo)下設(shè)置工序和工藝流程。

15、先進(jìn)的工藝流程應(yīng)以計(jì)算機(jī)控制為核心，盡量增加半自動(dòng)化和自動(dòng)化工序，并實(shí)施工藝流程網(wǎng)絡(luò)化和批量生產(chǎn)的統(tǒng)計(jì)制程管理。3.5.2電阻應(yīng)變計(jì)制造工藝新成果 在學(xué)術(shù)領(lǐng)域形成了應(yīng)變電阻合金學(xué)術(shù)分科 研制滿足各種類型電阻應(yīng)變計(jì)工作特性要求的應(yīng)變電阻合金材料，并從合金熔煉、鍛造，箔材軋制、碾壓、熱處理開始控制電阻應(yīng)變計(jì)的質(zhì)量。 箔材粗軋工藝：合金的熔煉、電渣重熔保證合金成份不變，鍛造、冷軋、碾壓等工藝為精軋作準(zhǔn)備。 箔材精軋工藝： 在潔凈度較高的環(huán)境條件下，利用高速軋機(jī)進(jìn)行冷軋，采用軋機(jī)自動(dòng)厚度控制系統(tǒng)控制帶材厚度，保證均勻一致。 碾壓精度要求：厚度為0.00010.0002英寸（2.55m）的帶材，厚度變化

16、小于0.00001英寸（0.25m）。 應(yīng)變電阻合金箔材智能真空熱處理設(shè)備 箔材在多次軋制、碾壓過(guò)程中，晶格產(chǎn)生位錯(cuò)、滑移、空位、破裂等缺陷，其附近的原子處于熱力學(xué)上的不穩(wěn)定狀態(tài)，是電學(xué)性能不穩(wěn)定的重要原因。因此必須進(jìn)行穩(wěn)定性處理，即退火處理，在達(dá)到退火溫度時(shí)這些原子吸收熱能產(chǎn)生擴(kuò)散，使晶格缺陷遷移和消失，電阻率和電阻溫度系數(shù)趨于穩(wěn)定。 智能真空熱處理爐，能在極高的真空條件下，精確的按照設(shè)定的熱處理工藝曲線，對(duì)應(yīng)變電阻合金箔材進(jìn)行熱處理，并采用正壓氫氣體保護(hù)技術(shù)，保證金屬箔材不被氧化和化學(xué)成分不變，在此前提下調(diào)整其熱輸出性能。 超薄應(yīng)變電阻合金箔材 為研制大阻值，低功耗電阻應(yīng)變計(jì)，美國(guó)V-MM

17、公司研究軋制出0.000060.00008英寸（1.5 2m）厚的應(yīng)變電阻合金箔材。 采用帶基底的箔材制造電阻應(yīng)變計(jì) 在專用的加壓加溫設(shè)備上，將熱處理后清洗干凈的箔材，與已制成2025m膠膜的基底材料，通過(guò)膠粘劑粘貼、固化使兩者成為一個(gè)整體，供制造電阻應(yīng)變計(jì)使用。 其特點(diǎn)是：將箔材處理、清洗、涂基底膠、固化成膜等工序合并為一體，即簡(jiǎn)化了工藝流程，又提高了電阻應(yīng)變計(jì)的均一性和穩(wěn)定性。 箔材的靜電吸附工藝。 精密刮膠工藝與裝備 刮膠棒間隙可調(diào)，傳送臺(tái)采用高精度伺服電機(jī)，控制性能極佳，膠膜均勻，厚度偏差小。 漫射光光刻技術(shù)與光刻裝備 紫外爆光燈，其光譜能量集中分布在365435nm，曝光更加快速、準(zhǔn)

18、確；真空吸附式曝光，箔材與光刻板接觸緊密。 電子計(jì)算機(jī)控制的智能化勻膠工藝裝備 勻膠機(jī)采用計(jì)算機(jī)控制的永磁直流稀土電機(jī)，控制性能好，實(shí)時(shí)監(jiān)控加速度、勻膠速度、減速度，可獲得較高的膠膜均勻性。 電子計(jì)算機(jī)控制的智能化蝕刻工藝裝備 智能蝕刻機(jī)為全密封結(jié)構(gòu)，保證蝕刻液成分不 變，采用扇形擺動(dòng)噴淋面與垂直方式承片臺(tái)動(dòng)態(tài)配 合，有效的控制每版應(yīng)變計(jì)電阻值的誤差。 圖形識(shí)別蝕刻質(zhì)量檢查系統(tǒng) 電子計(jì)算機(jī)控制圖形識(shí)別蝕刻質(zhì)量檢查系統(tǒng)， 檢查嚴(yán)格、科學(xué)、合理，應(yīng)變計(jì)合格率只有60左 右，特別適合用于稱重傳感器。 新型全密封覆蓋層技術(shù)與工藝 敏感柵與端頭焊點(diǎn)全覆蓋，通過(guò)電火花加工裸 露出焊點(diǎn)，為真正的全密封型電阻

19、應(yīng)變計(jì)。 智能電化學(xué)調(diào)阻工藝 是利用金屬在電解液中受到電化學(xué)陽(yáng)極溶解使其尺寸改變的原理，對(duì)細(xì)腐蝕后的電阻應(yīng)變計(jì)，通過(guò)耐腐蝕材料制成的陰極和它噴射出的電解液，逐片對(duì)敏感柵進(jìn)行電解加工調(diào)整電阻值。在調(diào)阻時(shí)工作陰極和敏感柵表面互不接觸，敏感柵表面無(wú)變形層不產(chǎn)生殘余應(yīng)力。整個(gè)調(diào)阻過(guò)程采用了PC操作系統(tǒng)控制，自動(dòng)進(jìn)行，調(diào)阻精度和效率高、阻值分散和溫度系數(shù)小、穩(wěn)定性好。 但需要專用工藝設(shè)備。 智能光化學(xué)調(diào)阻工藝 近年來(lái)工藝研究的新成果。對(duì)細(xì)蝕刻后的整版電阻應(yīng)變計(jì)均勻涂上一層蝕刻液，以一定波長(zhǎng)的激光束掃過(guò)敏感柵上的蝕刻液，蝕刻液只有在光束照射下才能發(fā)揮蝕刻作用，進(jìn)行光化學(xué)調(diào)阻，直到自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)發(fā)出電阻值達(dá)到

20、標(biāo)準(zhǔn)時(shí)為止。不產(chǎn)生予應(yīng)力和溫度特性變差，電阻標(biāo)稱值精度高，阻值分散度小，溫度系數(shù)小，穩(wěn)定性好，特別適合作高準(zhǔn)確度的稱重傳感器。 德國(guó)已研制出智能光化學(xué)調(diào)阻裝備。 激光自動(dòng)剪片新工藝 效率高，基底尺寸一致性好，從敏感柵中心 線到其邊緣公差均為0.005英寸（0.13mm）， 可利用基底外形作為貼片定位基準(zhǔn)。我國(guó)已研制 出智能激光自動(dòng)剪片設(shè)備。 應(yīng)變計(jì)自動(dòng)性能檢測(cè)與靈敏系數(shù)測(cè)定裝備 主要是標(biāo)準(zhǔn)梁自動(dòng)加載和檢測(cè)系統(tǒng)，即通過(guò) 多路自動(dòng)掃描測(cè)量?jī)x及電子計(jì)算機(jī)控制與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。 靈敏系數(shù)溫度自補(bǔ)償電阻應(yīng)變計(jì) 美國(guó)V-MM公司利用卡瑪合金，開發(fā)出EMC（有 效模量補(bǔ)償）系列電阻應(yīng)變計(jì)，將它與彈性元件材料

21、適當(dāng)匹配，就可以實(shí)現(xiàn)靈敏系數(shù)的溫度自補(bǔ)償。在很 多情況下這種補(bǔ)償效果可優(yōu)于0.0014/。根據(jù)不 同彈性元件材料EMC系列電阻應(yīng)變計(jì)有4種類型： M1靈敏系數(shù)隨溫度變化-2.70/100用于不銹鋼； M2靈敏系數(shù)隨溫度變化-4.23/100用于鋁合金； M3靈敏系數(shù)隨溫度變化-2.25/100用于工具鋼； M4靈敏系數(shù)隨溫度變化-2.43/100適用于和之間的“中間區(qū)域”（不銹鋼與工具鋼之間）的補(bǔ)償。 高溫電阻應(yīng)變計(jì)兼有靈敏度溫度自補(bǔ)償功能。 電阻應(yīng)變計(jì)的疲勞壽命有較大提高，從過(guò)去承受 1000時(shí)的107108次，提高到現(xiàn)在承受1500時(shí)的108次。 近些年來(lái)，加強(qiáng)了用Balco（巴爾科）合金

22、代替鎳電阻的研究，Ni 的電阻溫度系數(shù)在1065時(shí)為 0.59 /， Balco合金為0.43/，且電阻率高，比較容易獲得高電阻值。兩者的缺點(diǎn)是電阻值相對(duì)溫度變化不是線性函數(shù)。為此，德國(guó)學(xué)者在研究用鋇或鈮代替鎳作為靈敏度溫度補(bǔ)償電阻。3.5.3稱重傳感器制造工藝新成果 工藝裝備的改進(jìn)與提高： 專用噴砂設(shè)備，噴咀小，噴砂表面質(zhì)量高。 超聲波水洗技術(shù)。 自動(dòng)貼片技術(shù)與裝備。 高效智能溫度補(bǔ)償技術(shù)與裝備。 快速檢測(cè)技術(shù)與裝備。 群控靜重式標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力機(jī) 由多臺(tái)靜重式標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力機(jī)、高低溫箱和控制 系統(tǒng)組成。用一臺(tái)計(jì)算機(jī)和PLC程控機(jī)通過(guò)軟件 集中控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)稱重傳感器線性、滯后、重復(fù) 性、蠕變等性能檢測(cè)，并

23、可同時(shí)進(jìn)行多只稱重傳 感器的靈敏度溫度補(bǔ)償及檢測(cè)。 粘貼應(yīng)變計(jì)輔助系統(tǒng) 該系統(tǒng)采用了高清晰液晶視頻圖像技術(shù)，可根 據(jù)彈性元件結(jié)構(gòu)外形尺寸、電阻應(yīng)變計(jì)定位尺寸， 自主放大粘貼區(qū)域，提供了清晰適合貼片放大倍數(shù) 的動(dòng)態(tài)視頻圖像。只要將放大的電阻應(yīng)變計(jì)定位標(biāo) 記，對(duì)準(zhǔn)視頻顯示的彈性元件上的定位叉絲，就是 正確的貼片位置。系統(tǒng)采用了PC操作系統(tǒng)控制， 軟件功能強(qiáng)大，操作方便，界面直觀實(shí)用。消除了 用幼眼對(duì)位、定位造成的誤差，提高了電阻應(yīng)變計(jì) 定位準(zhǔn)確度和粘貼位置的一致性。 貼片技術(shù)與工藝的新突破 美國(guó)MS公司創(chuàng)造了在高溫下，將半導(dǎo)體電阻應(yīng)變計(jì)與無(wú)機(jī)玻璃熔于小型彈性元件上，制成低成本新型稱重傳感器。這種無(wú)

24、機(jī)玻璃粘貼電阻應(yīng)變計(jì)的新技術(shù)與新工藝，消除了傳統(tǒng)方法粘貼電阻應(yīng)變計(jì)所帶來(lái)的不穩(wěn)定性，極大的提高了稱重傳感器的穩(wěn)定性和可靠性。其特點(diǎn)是： 結(jié)構(gòu)緊湊、體積小重量輕； 固有頻率高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快； 低量程分辨率高； 已經(jīng)過(guò)1107周期測(cè)試，其壽命基本是無(wú)限的； 目前量程較小只有680g1t。 防護(hù)與密封材料的新發(fā)展（1）聚氨酯類密封膠 具有優(yōu)良的電氣、力學(xué)、工藝性能，良好的防 潮、密封、耐老化、抗霉菌性能。耐熱可達(dá)150。（2）柔性聚酰亞胺密封膠 具有非常好的高低溫性能，可耐260高溫，低 溫-46也柔軟，對(duì)鋁合金有較高粘結(jié)性。 （3）高度防潮耐水密封膠 將卣素引入高聚物中和用硅氧鍵嵌入高聚物中， 都可

25、達(dá)到提高抗水耐濕的目的。國(guó)外已用含氟聚酰亞 胺、含氟環(huán)氧樹脂、含氟丙烯酸脂，硅氧 /亞酰胺共 聚物、苯基有機(jī)硅和硅化苯乙烯為基礎(chǔ)材料制作密封 膠。 振動(dòng)（共振）時(shí)效穩(wěn)定處理工藝 是近年來(lái)穩(wěn)定處理移植工藝研究的新成果。振動(dòng)時(shí)效（或共振時(shí)效）是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，其機(jī)理目前尚無(wú)定論。 經(jīng)過(guò)對(duì)稱重傳感器振動(dòng)（或共振）時(shí)效的試驗(yàn)研究，不少專家傾向于重復(fù)應(yīng)力過(guò)載的觀點(diǎn)。 激振器或振動(dòng)臺(tái)開動(dòng)時(shí)，稱重傳感器產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)，當(dāng)將振動(dòng)頻率調(diào)節(jié)到稱重傳感器的自振頻率時(shí)發(fā)生共振，稱重傳感器內(nèi)部受到一個(gè)較大的循環(huán)應(yīng)力（即動(dòng)應(yīng)力）作用。當(dāng)動(dòng)應(yīng)力作用到內(nèi)部的殘余應(yīng)力時(shí)，或迭加產(chǎn)生局部塑性變形，或相互作用使殘余應(yīng)力減少、消失。3

26、.5.4稱重傳感器結(jié)構(gòu)與功能的新進(jìn)展 數(shù)字稱重傳感器 稱重傳感器的原理決定了其本身不能產(chǎn)生帶有數(shù)字特征的輸出信號(hào)，要實(shí)現(xiàn)數(shù)字輸出必須借助外部力量。納入數(shù)字技術(shù)后，稱重傳感器性能上了一個(gè)新臺(tái)階，而且在應(yīng)用上引起重大變革，并產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。 與數(shù)字技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了半數(shù)字化（模擬數(shù)字混合方式）和數(shù)字化（全數(shù)字方式）一樣，數(shù)字稱重傳感器也同樣有兩種實(shí)現(xiàn)方法。 一種是模擬加數(shù)字方法，即模擬稱重傳感器加A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字模塊，稱為數(shù)字化（國(guó)外稱為簡(jiǎn)單型）。 一種是全數(shù)字方法，即稱重傳感器電橋電路加數(shù)字處理電路和數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)與工藝，稱為數(shù)字式（國(guó)外稱為聰明型）。 分離型數(shù)字稱重傳感器（數(shù)字接線盒） 無(wú)數(shù)顯功能的數(shù)字

27、接線盒，因采用A/D轉(zhuǎn)換器不同又有： （1）每個(gè)輸入通道具有一個(gè)獨(dú)立的A/D轉(zhuǎn)換器， 獨(dú)立的 進(jìn)行數(shù)字量化處理； （2）各個(gè)輸入通道共用一個(gè)多路A/D轉(zhuǎn)換器，分 別依次進(jìn)行數(shù)字量化處理。 有數(shù)顯功能的數(shù)字接線盒： 實(shí)際上是將數(shù)字接線盒與數(shù)字稱重儀表合二為一，具有兩者的全部功能。連接上普通模擬式稱重傳感器，即組成了數(shù)字稱重系統(tǒng)，具有對(duì)其單獨(dú)尋址并存儲(chǔ)有關(guān)參數(shù)等功能。 動(dòng)態(tài)稱重傳感器 為滿足快速稱重和動(dòng)態(tài)稱重的需求，開發(fā)出新結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)稱重傳感器，除具有線性好、固有頻率高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等特點(diǎn)外，還創(chuàng)造性的將油阻尼裝置與過(guò)載保護(hù)裝置設(shè)計(jì)為一體，使稱量時(shí)稱重傳感器的衰變時(shí)間快，稱量速度高，工作壽命長(zhǎng)。其準(zhǔn)

28、確度達(dá)4000d。 美國(guó)THI公司研制出新型動(dòng)態(tài)稱重傳感器，它可以承受離心力和機(jī)械振動(dòng)，內(nèi)部裝有特制的粘性阻尼器，保證稱量時(shí)有較快的穩(wěn)定時(shí)間和較小的測(cè)量誤差，稱量時(shí)的穩(wěn)定時(shí)間低于50ms。 帶“耐壓外殼”保護(hù)防爆功能的稱重傳感器 德國(guó)HBM公司研制的C2A和C16A兩種不同結(jié)構(gòu)系列，1100t具有“耐壓外殼”防爆功能的稱重傳感器。焊接外殼均經(jīng)過(guò)高壓試驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和密封性能，試驗(yàn)壓力20pa（巴）。 高準(zhǔn)確度不銹鋼稱重傳感器 美國(guó)Scaime（斯凱梅）公司研制出新一代高準(zhǔn)確度不銹鋼F60X系列，量程55000kg的稱重傳感器，準(zhǔn)確度可達(dá)6000d。主要用于濕度大、腐蝕性強(qiáng)的環(huán)境中，而且防水。

29、 集成化稱重傳感器 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：信號(hào)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。 多分量稱重傳感器 目前多為測(cè)量垂直和水平載荷兩個(gè)分量，例如汽車檢測(cè)線用的稱重板。其結(jié)構(gòu)原理是在稱重板上加工出同時(shí)感受垂直載荷和水平載荷的稱重傳感器 Z-元件稱重傳感器 Z-元件是俄羅斯傳感器專家Zotove（佐托夫）教授于1983年發(fā)現(xiàn)的。它是用N型硅單晶，采用平面擴(kuò)散工藝進(jìn)行Al擴(kuò)散形成PN結(jié)，然后用特制溶液在高溫下進(jìn)行Au的擴(kuò)散制成硅片，經(jīng)單面打磨、鍍Ni電極形成歐姆接觸，然后劃片、切割、焊接引線和封裝制成。過(guò)去只有溫敏、光敏和磁敏Z-

30、元件，目前力敏Z-元件已有應(yīng)用。其應(yīng)用特點(diǎn)是：體積極?。环磻?yīng)靈敏；工作電壓低，工作電流小，測(cè)量電路簡(jiǎn)單；輸出頻率信號(hào)，可直接與計(jì)算機(jī)連接。是研制新一代數(shù)字稱重傳感器的理想元件，有可能促成稱重傳感器、稱重儀表結(jié)構(gòu)和電子稱重控制方式的重大變革。 納米稱重傳感器 納米，即10-9m，相當(dāng)10個(gè)氫原子緊密排在一起。納米技術(shù)是在納米空間（0.1100nm）內(nèi)研究電子、原子、分子運(yùn)動(dòng)規(guī)律及特性，以制造具有特定功能的材料和器件。 納米材料是納米級(jí)的超細(xì)微粒經(jīng)壓制燒結(jié)而成，其特點(diǎn)是材質(zhì)完全純凈，結(jié)構(gòu)沒(méi)有缺陷，具有抗紫外線、紅外線，電磁干擾等特殊功能。 美國(guó)學(xué)者利用納米材料在外載荷作用下，其體積變化與載荷成正比

31、這一特性，研制出納米微型稱重傳感器。4.我國(guó)應(yīng)變式稱重傳感器技術(shù)攻關(guān)方向 稱重傳感器的品種、數(shù)量、質(zhì)量和技術(shù)水平直接決定了電子稱重系統(tǒng)的功能和質(zhì)量。 描準(zhǔn)國(guó)際稱重傳感器發(fā)展潮流和戰(zhàn)略前沿技術(shù)確立發(fā)展方向、選擇研究課題。 根據(jù)我國(guó)稱重傳感器技術(shù)發(fā)展的總體水平和與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家同類產(chǎn)品的主要差距，應(yīng)將技術(shù)攻關(guān)的重點(diǎn)確立為： 共性關(guān)鍵技術(shù)與工藝研究； 稱重傳感器產(chǎn)品工程化研究； 穩(wěn)定性與可靠性技術(shù)； 新產(chǎn)品和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品的開發(fā)。 稱重傳感器應(yīng)用技術(shù)。 5.應(yīng)變式稱重傳感器技術(shù)攻關(guān)內(nèi)容 5.1稱重傳感器共性關(guān)鍵技術(shù)與工藝研究 5.1.1共性關(guān)鍵技術(shù)與工藝研究的重要性 共性關(guān)鍵技術(shù)與工藝是稱重傳感器技

32、術(shù)的重要組成部分。 共性關(guān)鍵技術(shù)與工藝是稱重傳感器設(shè)計(jì)成果工程化和新產(chǎn)品、自主識(shí)產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品開發(fā)的基礎(chǔ)。 共性關(guān)鍵技術(shù)與工藝是企業(yè)強(qiáng)化競(jìng)爭(zhēng)能力，提高經(jīng)濟(jì)效益的重要手段。 應(yīng)適合稱重傳感器行業(yè)需要和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)影響稱重傳感器發(fā)展的設(shè)計(jì)技術(shù)、制造（冷、熱加工）技術(shù)、關(guān)鍵工藝和可靠性技術(shù)進(jìn)行研究，提高稱重傳感器到研究開發(fā)水平。 5.1.2共性關(guān)鍵技術(shù)與工藝研究的課題 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算 開展多種稱重傳感器的參數(shù)化設(shè)計(jì)，較高精度的非線性應(yīng)力狀態(tài)分析，彈性元件的建模和動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)，并進(jìn)行主要制造工藝的計(jì)算機(jī)模擬，確保工藝設(shè)計(jì)的科學(xué)性、合理性。 采用有限單元等現(xiàn)代應(yīng)力分析手段和建立數(shù)學(xué)模型的方法推算和定量分析

33、稱重傳感器的誤差。 機(jī)械加工與熱處理 主要是確保彈性元件的綜合性能和盡量少產(chǎn)生殘余應(yīng)力的研究。 改善稱重傳感器性能 仔細(xì)研究稱重傳感器的零點(diǎn)溫度漂移、靈敏度溫度影響、蠕變等性能如何受外界多種環(huán)境條件作用，通過(guò)殼體、防護(hù)與密封涂層、自然溫度梯度、電阻應(yīng)變計(jì)類型所造成的影響。 在測(cè)試與應(yīng)用中，開展力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)、稱重傳感器及有關(guān)壓頭、壓墊間至今尚不完全清楚其機(jī)理的“寄生效應(yīng)”的研究。 在內(nèi)在機(jī)理上，從稱重傳感器重要質(zhì)量指標(biāo)中發(fā)現(xiàn)，較苛刻的指標(biāo)是與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家同類產(chǎn)品差距最大的穩(wěn)定性和可靠性，因此必須加強(qiáng)對(duì)原材料、元器件環(huán)境應(yīng)力篩選和制造工藝的研究。 屏蔽、隔離與干擾抑制技術(shù) 改進(jìn)生產(chǎn)工藝 在工藝流程中，

34、增加以計(jì)算機(jī)為核心的自動(dòng)控制工序，并在網(wǎng)絡(luò)軟件管理下形成工藝流程網(wǎng)絡(luò)化。 采用新工藝 近年來(lái)隨著薄膜工藝水平的提高，促進(jìn)了濺射型電阻應(yīng)變計(jì)的迅速發(fā)展，即采用濺射技術(shù)直接在彈性元件表面形成電阻應(yīng)變計(jì)，其厚度僅為箔式電阻應(yīng)變計(jì)的1/10，故又稱薄膜電阻應(yīng)變計(jì)。其特點(diǎn)是精度高，可靠性好，無(wú)滯后和蠕變現(xiàn)象，具有良好的耐熱性和耐沖擊性能，容易制成高阻值的小型電阻應(yīng)變計(jì)。5.2稱重傳感器產(chǎn)品工程化研究 5.2.1產(chǎn)品工程化研究 主要是解決工程化產(chǎn)品的全型設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝、質(zhì)量保證、穩(wěn)定性與可靠性考核等規(guī)模生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)與工藝，形成完整的設(shè)計(jì)、制造和質(zhì)量保證體系。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)與產(chǎn)品工程化研究相結(jié)合，

35、作到優(yōu)選結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定工藝、保證質(zhì)量、降低成本、提高C3級(jí)成品率等。 建成適度規(guī)模的生產(chǎn)線，使批量生產(chǎn)的稱重傳感器符合稱重傳感器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。 5.2.2批量生產(chǎn)的統(tǒng)計(jì)制程管理 早在1988年6月美國(guó)TOLEDO公司稱重傳感器 工程部，就把數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法應(yīng)用于生產(chǎn)各方面，包 括統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制，全面預(yù)防、及時(shí)調(diào)整，保證制程 穩(wěn)定，使所有產(chǎn)品都符合要求。并提出兩個(gè)基本概 念： 不做任何對(duì)最終產(chǎn)品不增加價(jià)值的事； 在生產(chǎn)過(guò)程中盡可能早的找出潛在的問(wèn)題， 并使其只對(duì)極少數(shù)產(chǎn)品產(chǎn)生影響。 這就是應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理對(duì)大批量生產(chǎn)的稱重傳 感器，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制的最初模式。 批量生產(chǎn)的統(tǒng)計(jì)制程管理就是利用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理對(duì)制造

36、過(guò)程中的產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行管理，以達(dá)到第一次就使每一個(gè)產(chǎn)品都符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。 經(jīng)濟(jì)性： 采用科學(xué)而有效的抽樣檢驗(yàn)，掌握生產(chǎn)狀況，使工藝流程穩(wěn)定，得以控制成本。 預(yù)警性： 隨時(shí)了解并分析工藝流程狀況，發(fā)現(xiàn)異常趨勢(shì)，提供數(shù)據(jù)及時(shí)采取對(duì)策，以減少浪費(fèi)。 合理性： 工藝流程科學(xué)合理，善用工藝裝備和檢測(cè)儀 表，合理評(píng)估制程能力，以提高生產(chǎn)效率。5.3穩(wěn)定性與可靠性技術(shù) 5.3.1稱重傳感器的穩(wěn)定性及處理工藝 準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性和可靠性是稱重傳感器的重要質(zhì)量指標(biāo)，其中穩(wěn)定性是基礎(chǔ)，沒(méi)有穩(wěn)定性談何稱量準(zhǔn)確度和工作可靠性。 稱重傳感器的穩(wěn)定性分為三個(gè)時(shí)期，即初始不穩(wěn)定期、穩(wěn)定期和疲勞不穩(wěn)定期。 稱重傳感器的穩(wěn)定性遵循浴盆

37、曲線。即初始不穩(wěn)定期是遞減的，不穩(wěn)定因素較多；穩(wěn)定期是水平的接近一個(gè)常數(shù)，穩(wěn)定性好；疲勞不穩(wěn)定期是遞增的，不穩(wěn)定因素開始增多。 初始不穩(wěn)定期 性能波動(dòng)較大，主要表現(xiàn)為零點(diǎn)和靈敏度不穩(wěn)定，應(yīng)盡量在生產(chǎn)過(guò)程中渡過(guò)初始不穩(wěn)定期。 當(dāng)稱重傳感器經(jīng)過(guò)各種穩(wěn)定性處理后，不穩(wěn)定因素很少，往往是一些隨機(jī)的原因，即進(jìn)入了穩(wěn)定期。對(duì)應(yīng)于這個(gè)時(shí)期的使用時(shí)間稱為使用壽命。 疲勞不穩(wěn)定期 在経歷了一個(gè)比較穩(wěn)定的工作時(shí)期后，由于防護(hù)與密封性能下降，應(yīng)變計(jì)老化，補(bǔ)償元器件變化等原因，不穩(wěn)定因素開始增加，即進(jìn)入了疲勞不穩(wěn)定期。 可見(jiàn)稱重傳感器穩(wěn)定性處理工藝的重要性。 熱處理法（1）反淬火法 國(guó)內(nèi)稱深冷急熱法。將鋁合金彈性元件

38、置于-196的液氮中，保溫12小時(shí)后，迅速用新生的高速蒸汽噴射或放入沸水之中。因深冷與急熱產(chǎn)生的應(yīng)力方向相反而相互抵消，達(dá)到釋放殘余應(yīng)力的目的。（2）冷熱循環(huán)法 工藝為-1964小時(shí)/1904小時(shí)，循環(huán)3次，可使殘余應(yīng)力下降90左右，并且組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，微量塑性變形抗力高，尺寸穩(wěn)定性好。 （3）恒溫時(shí)效法 恒溫時(shí)效即可消除機(jī)械加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，又能消除熱處理引入的殘余應(yīng)力。 機(jī)械法（1）脈動(dòng)疲勞法 施加下限為(1/51/3)額定載荷，上限為額定載荷或120額定載荷，以每秒35次的頻率進(jìn)行500010000次的循環(huán)。（2）超載靜壓法 對(duì)稱重傳感器施加125額定載荷，保持48小時(shí)，或施加110額定載荷，保持24小時(shí)。（3）振動(dòng)時(shí)效法 在額定正弦推力滿足振動(dòng)時(shí)效要求的振動(dòng)臺(tái)上，根據(jù)稱重傳感器的額定量程估算頻率，來(lái)決定施加的振動(dòng)載荷、工作頻率和振動(dòng)時(shí)間。能耗低，周期短，效果好，不損壞彈性元件表面，而且操作簡(jiǎn)單。 5.3.2稱重傳感器的可靠性 稱重傳感器從開始使用到失效前的時(shí)間是不確定的，可靠性就是研究在規(guī)定的條件和時(shí)間內(nèi)，稱重傳感器的平均無(wú)故障工作時(shí)間或可靠壽命。 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)于可靠性的定義： 單