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技術(shù)頻道

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


  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)告秘書處起草《稱重傳感器計(jì)量規(guī)程》。經(jīng)過(guò)OIML成員國(guó)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)?;a(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。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(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。

二、國(guó)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(guó)家的著名制造公司處于國(guó)際市場(chǎng)引導(dǎo)者的領(lǐng)先地位,我國(guó)具有一定規(guī)模的稱重傳感器制造公司處于市場(chǎng)挑戰(zhàn)者或市場(chǎng)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(guó),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)今國(guó)際市場(chǎng)稱重傳感器技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng),集中表現(xiàn)在產(chǎn)品的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性和可靠性的競(jìng)爭(zhēng);制造技術(shù)與制造工藝的競(jìng)爭(zhēng);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(jìng)爭(zhēng)。各稱重傳感器制造企業(yè)都在努力培植自己的核心競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)和打造核心競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品。

  從近幾年國(guó)際衡器工業(yè)展覽會(huì)上展出的產(chǎn)品和對(duì)多家處于市場(chǎng)引導(dǎo)者地位的企業(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)量更完美。

  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)也是用戶最關(guān)心的問(wèn)題。對(duì)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(guò)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(guò)程中引入計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù),對(duì)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,納入先進(jìn)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(guò)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)高效智能電路補(bǔ)償,建立全自動(dòng)快速檢測(cè)系統(tǒng),提高C3級(jí)產(chǎn)品成功率和大批量生產(chǎn)產(chǎn)品的抽檢合格率;

(5)移植先進(jìn)的穩(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(zhǎng)期穩(wěn)定性和工作可靠性;

(6)應(yīng)用高新技術(shù)開(kāi)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(jìng)爭(zhēng)力。處于國(guó)際市場(chǎng)引導(dǎo)地位的企業(yè)都有自己的核心競(jìng)爭(zhēng)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。




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