國運載火箭技術(shù)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(shù)與電子衡器產(chǎn)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(shè)計與制造技術(shù)取得了令人矚目的進步。本文從產(chǎn)品研發(fā)、強化企業(yè)競爭力和參與國際競爭的角度，結(jié)合稱重傳感器幾個重要發(fā)展時期的技術(shù)創(chuàng)新和工藝進步，介紹了電阻應(yīng)變計、稱重傳感器設(shè)計與制造技術(shù)的發(fā)展動向。在分析近年來稱重傳感器新技術(shù)、新工藝、新產(chǎn)品和電子稱重技術(shù)新要求的基礎(chǔ)上，展望稱重傳感器的發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞：稱重傳感器 電阻應(yīng)變計 虛擬設(shè)計 柔性制造 集成化 智能化 網(wǎng)絡(luò)化
1.概述
1936～1938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）分別同時研制出紙基絲繞式電阻應(yīng)變計，命名為SR-4型，由美國BLH公司專利生產(chǎn)，同時也使BLH公司成為利用SR-4型電阻應(yīng)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(yīng)變計技術(shù)應(yīng)用于軍事工程的電子測力和稱重計量領(lǐng)域，研制出應(yīng)變式負荷傳感器。1942年在美國應(yīng)變式負荷傳感器已經(jīng)大量生產(chǎn)，至今已有60多年歷史。這期間經(jīng)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(jié)構(gòu)簡單、使用方便、準確度高、頻率響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、工作壽命長、幾乎不用維修等特點，廣泛應(yīng)用于各種測力裝置和電子稱重系統(tǒng)。經(jīng)過60多年的變遷，盡管負荷傳感器的彈性體結(jié)構(gòu)、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(shù)與工藝都有較大改進和提高，應(yīng)用研究也取得了許多成就，但其基本構(gòu)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(shù)的幾個發(fā)展時期和起決定性作用的技術(shù)創(chuàng)新是值得認真研究和總結(jié)的，它對未來稱重傳感器技術(shù)的發(fā)展和確立技術(shù)研究課題都有指導(dǎo)作用。
1952年英國學(xué)者杰克遜首先研制出金屬箔式電阻應(yīng)變計，為負荷傳感器提供較理想的轉(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(shù)的發(fā)展。
1973年美國學(xué)者霍格斯特姆為克服利用拉伸、壓縮和彎曲應(yīng)力的正應(yīng)力負荷傳感器的諸多缺點，提出了不利用彈性體正應(yīng)力，而利用切應(yīng)力的理論，設(shè)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(tǒng)的柱、筒、環(huán)、梁結(jié)構(gòu)正應(yīng)力負荷傳感器的一統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(shù)的發(fā)展。
1974年日本學(xué)者大井光四郎利用平面問題的有限單元法分析電阻應(yīng)變計的應(yīng)變傳遞，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。德國學(xué)者埃多姆和美國學(xué)者斯坦因分別利用建立彈性體力學(xué)模型，采用有限單元計算分析彈性體的應(yīng)力場、位移場，求得最佳化設(shè)計，為利用現(xiàn)代化科技手段設(shè)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(jié)構(gòu)負荷傳感器。雖然它利用的是平行梁表面的彎曲應(yīng)力，應(yīng)屬于正應(yīng)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(yīng)力負荷傳感器的特點。并且量程小，剛度大，便于調(diào)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(yīng)變計和負荷傳感器經(jīng)常遇到和必須解決的關(guān)鍵問題。70年代末，前蘇聯(lián)學(xué)者H.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，提出控制應(yīng)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(yīng)變計的理論，并成功的研制出系列蠕變補償電阻應(yīng)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(guān)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(chǎn)成為可能。
由于電子稱重技術(shù)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(tǒng)一的計量規(guī)程。80年代初，國際法制計量組織（OIML）質(zhì)量測量指導(dǎo)秘書處為適應(yīng)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(zé)的第8報告秘書處起草《稱重傳感器計量規(guī)程》。經(jīng)過OIML成員國書面表決后，在1984年10月第7屆法制計量大會上正式批準，并于1985年以O(shè)IML，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(chǎn)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(zhì)量。
80年代中期，隨著數(shù)字技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，為滿足電子衡器數(shù)字化、智能化的要求和用數(shù)字稱重系統(tǒng)突破模擬稱重系統(tǒng)局限性的構(gòu)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(shù)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(xiàn)智能控制等特點成為數(shù)字式電子衡器和自動稱重計量與控制系統(tǒng)的必選產(chǎn)品，并形成了一個開發(fā)熱點。
從上述技術(shù)創(chuàng)新和技術(shù)發(fā)展的幾個重要階段不難看出，電子稱重技術(shù)的進步促進了稱重傳感器技術(shù)的發(fā)展，而現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展又為稱重傳感器的研發(fā)提供了技術(shù)和物質(zhì)基礎(chǔ)。
90年代以來，為了適應(yīng)不斷納入高新技術(shù)的電子稱重系統(tǒng)和電子衡器產(chǎn)品的新需求，稱重傳感器進入了設(shè)計、制造與工藝技術(shù)不斷創(chuàng)新，產(chǎn)量大幅度提高的大發(fā)展時期。這一時期稱重傳感器技術(shù)發(fā)展動向和今后一個時期的技術(shù)發(fā)展趨勢，就是本文所要闡述和回答的問題。
2.電阻應(yīng)變計技術(shù)發(fā)展動向
電阻應(yīng)變計是稱重傳感器的核心器件，其敏感柵結(jié)構(gòu)、基底材料、靈敏系數(shù)穩(wěn)定性、機械滯后、蠕變和熱輸出等技術(shù)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(yīng)變計的生產(chǎn)列入稱重傳感器的基礎(chǔ)工藝。國內(nèi)外著名稱重傳感器企業(yè)穩(wěn)定批量生產(chǎn)質(zhì)量都是從電阻應(yīng)變計這一源頭抓起，或建立與自己產(chǎn)品配套的電阻應(yīng)變計生產(chǎn)部門，或經(jīng)過考察確立長期供貨的電阻應(yīng)變計生產(chǎn)企業(yè)。90年代以來，以美國HPM公司、VMM公司為代表的應(yīng)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(yīng)變計生產(chǎn)企業(yè)，在箔材軋制、熱處理和電阻應(yīng)變計設(shè)計技術(shù)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(yīng)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(yīng)變計和大阻值應(yīng)變計提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。目前此產(chǎn)品尚未供應(yīng)中國市場。
美國VMM公司和德國HBM公司電阻應(yīng)變計的結(jié)構(gòu)設(shè)計普遍采用一維、二維和三維有限單元法，建立相應(yīng)的力學(xué)模型，分析應(yīng)變計的應(yīng)變傳遞系數(shù)，提出應(yīng)變計結(jié)構(gòu)設(shè)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(yīng)變計的應(yīng)變傳遞，得出大部分區(qū)域是單向應(yīng)力狀態(tài)，基本沒有應(yīng)變傳遞滯后現(xiàn)象，而接近柵絲末端的一小段是剪應(yīng)力傳遞區(qū)域，剪應(yīng)力急劇變化，正應(yīng)力降為零而產(chǎn)生應(yīng)變傳遞滯后現(xiàn)象。因此提出設(shè)計框狀端頭，把柵絲應(yīng)變均勻分布區(qū)域作為工作區(qū)，將應(yīng)變傳遞滯后區(qū)域與工作區(qū)域隔離開，減小應(yīng)變計的滯后，這正是稱重傳感器用應(yīng)變計所需要的。
建立三維有限單元六面體力學(xué)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(yīng)變計結(jié)構(gòu)，主要解決應(yīng)變計復(fù)蓋層的力學(xué)效果，敏感柵端部結(jié)構(gòu)的力學(xué)效應(yīng)，基底、敏感柵、復(fù)蓋層厚度對機械滯后的影響，敏感柵結(jié)構(gòu)與蠕變自補償問題。保證應(yīng)變計結(jié)構(gòu)形狀、幾何尺寸、基底和復(fù)蓋層厚度最合理。
盡管電阻應(yīng)變計原理和結(jié)構(gòu)設(shè)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(tǒng)制造工藝中刻圖制片、涂膠光刻、基底制作、粗細腐蝕、阻值調(diào)整、引線焊接、涂復(fù)蓋層、質(zhì)量檢查等工序多為手工操作和控制，人為的因素對產(chǎn)品質(zhì)量影響很大，而且應(yīng)變計成功率低，均一性差。而美國VMM公司和德國HBM公司的應(yīng)變計生產(chǎn)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(guān)鍵工序如基底制作、光刻腐蝕、精細調(diào)阻，引線焊接、質(zhì)量檢測等都在自動化程度很高的專用設(shè)備上進行，制造工藝的可重復(fù)性好，工藝兌現(xiàn)率高。因此應(yīng)變計的各項技術(shù)指標優(yōu)良，一致性和穩(wěn)定性好，批次產(chǎn)品質(zhì)量幾乎無差別。特別是稱重傳感器專用應(yīng)變計在靈敏系數(shù)穩(wěn)定性、阻值分散性、機械滯后、蠕變和熱輸出等技術(shù)指標的控制更加嚴格，為大批量生產(chǎn)C3級稱重傳感器創(chuàng)造了條件。
靈敏系數(shù)是電阻應(yīng)變計的重要參數(shù)，許多生產(chǎn)廠家都采用等應(yīng)力懸臂梁進行測試，其結(jié)果是靈敏系數(shù)分散大，準確度低。我們了解到的國外應(yīng)變計生產(chǎn)企業(yè)，特別重視應(yīng)變計生產(chǎn)工藝的兩頭，即開頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計與刻圖制版和最后的性能檢測與靈敏系數(shù)測定。由于電阻應(yīng)變計不能二次粘貼使用，所以靈敏系數(shù)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(yīng)變計，每組最多可達10片，組成數(shù)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(yīng)變計靈敏系數(shù)、機械滯后和蠕變值。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的分辨率為1με和1μv，精度優(yōu)于0.02％。
應(yīng)變計電阻值的精密調(diào)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(xué)調(diào)阻比傳統(tǒng)的機械調(diào)阻有許多優(yōu)越性，完全能保證產(chǎn)品質(zhì)量，但其工藝要求嚴、勞動強度大、生產(chǎn)效率低的缺點也很突出，不適應(yīng)日產(chǎn)10多萬片應(yīng)變計的大批量生產(chǎn)。美國VMM公司獨創(chuàng)了激光自動調(diào)阻新工藝，速度快、精度高，應(yīng)變計電阻值分散小，便于加膜處理制成全密封柵結(jié)構(gòu)的應(yīng)變計。
電阻應(yīng)變計應(yīng)用技術(shù)的研究也取得了突破性的進展。美國VMM公司經(jīng)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(yīng)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(jù)不同彈性體材料EMC系列靈敏度溫度自補償應(yīng)變計有4種類型：M1靈敏系數(shù)隨溫度變化-1.5%/100°F（-2.70％/100℃）適用于不銹鋼；M2靈敏系數(shù)隨溫度變化-2.35%/100°F（-4.23%/100℃）適用于鋁合金；M3靈敏系數(shù)隨溫度變化-1.25%/100°F（-2.25％/100℃）適用于工具鋼；M4靈敏系數(shù)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(yīng)變計，在稱重傳感器制造工藝中省略了對應(yīng)變計的清洗，涂刷應(yīng)變粘接劑等工序，減少了對應(yīng)變計的污染和損害，提高了粘貼質(zhì)量和可靠性，適合大批量自動化生產(chǎn)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(chǎn)。
彈性體表面應(yīng)變是通過應(yīng)變計的基底傳遞給敏感柵，基底材料的質(zhì)量與厚度對電阻應(yīng)變計的多項性能產(chǎn)生影響�；缀穸痪鶆驎轨`敏系數(shù)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(yīng)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(guān)系，增大了補償難度和補償結(jié)果的分散度。德國學(xué)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(shù)與制造工藝的研究課題和成果，非常值得我們關(guān)注和應(yīng)用。因為制造技術(shù)與制造工藝是稱重傳感器研制和批量生產(chǎn)過程中最活躍、最積極的因素，是企業(yè)保證產(chǎn)品質(zhì)量，強化競爭能力和提高經(jīng)濟效益的重要手段。在電子衡器產(chǎn)品競爭日趨激烈，電子衡器市場日趨國際化的今天，更應(yīng)重視制造技術(shù)與制造工藝所起的作用。
3.稱重傳感器技術(shù)發(fā)展動向
如果說20世紀70年代中期出現(xiàn)的各種剪切梁式切應(yīng)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(tǒng)的柱、筒、環(huán)、梁型正應(yīng)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(xué)技術(shù)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(chǎn)量、準確度和穩(wěn)定性都提出了許多新要求，促進了新產(chǎn)品開發(fā)和常規(guī)產(chǎn)品工程化大規(guī)模生產(chǎn)，產(chǎn)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(yīng)屬于后者，盡管軍工部門應(yīng)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(shù)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(zhì)量指標，各生產(chǎn)企業(yè)進行了大量的基礎(chǔ)研究、工藝研究和應(yīng)用研究工作，取得了許多設(shè)計技術(shù)和制造工藝成果，簡介如下。
吸取工程化產(chǎn)品設(shè)計中的擬實技術(shù)和虛擬技術(shù)，加快稱重傳感器開發(fā)速度，減少開發(fā)風(fēng)險。稱重傳感器設(shè)計中的擬實技術(shù)是指面向彈性體的結(jié)構(gòu)和性能分析技術(shù)，以優(yōu)化結(jié)構(gòu)、性能和成本為目標，包括結(jié)構(gòu)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(fù)雜的力學(xué)模型，采用交互、高交互有限元程序包，深入分析彈性體的應(yīng)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(yīng)用效果。稱重傳感器設(shè)計中的虛擬技術(shù)是指面向彈性體生產(chǎn)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(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本為目標。在設(shè)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(yīng)力，分析出接觸摩擦系數(shù)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(shè)計的核心是計算機仿真技術(shù)，通過仿真軟件來模擬真實受載情況，以保證結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝的合理性，發(fā)現(xiàn)并及時改進設(shè)計、生產(chǎn)中不易發(fā)現(xiàn)的缺陷和錯誤。
現(xiàn)代制造技術(shù)專家吉川教授指出：世界各國經(jīng)濟上的競爭，主要是制造技術(shù)的競爭，在各個國家的企業(yè)生產(chǎn)力構(gòu)成中，制造技術(shù)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(shù)已不是傳統(tǒng)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(xué)科和綜合技術(shù)。在稱重傳感器行業(yè)誰掌握了現(xiàn)代制造技術(shù)，誰就能占領(lǐng)較大的市場份額。稱重傳感器多品種、大批量生產(chǎn)特點決定了只有采用先進制造技術(shù)，才能把以時間為核心的市場競爭三要素時間、質(zhì)量、成本之間的矛盾有機結(jié)合起來，使三者達到統(tǒng)一。國際上年產(chǎn)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(shù)，應(yīng)用計算機技術(shù)和模擬技術(shù)確定工藝規(guī)范，優(yōu)化工藝方案，預(yù)測加工過程中可能出現(xiàn)的缺陷和防止措施。從單臺機床、單道工序、單個工具生產(chǎn)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(tǒng)（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(tǒng)是把計算機技術(shù)、信息技術(shù)、自動化技術(shù)與傳統(tǒng)的制造技術(shù)結(jié)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(xiàn)生產(chǎn)過程的全自動化，形成柔性制造系統(tǒng)，達到多品種、大批量生產(chǎn)，穩(wěn)定質(zhì)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(shù)發(fā)展到集成化技術(shù)，從剛性制造發(fā)展到柔性制造，從簡單化經(jīng)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(tǒng)（FMS）對傳統(tǒng)的制造技術(shù)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(chǎn)企業(yè)是值得認真學(xué)習(xí)和借鑒的。
應(yīng)變式稱重傳感器生產(chǎn)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(chǎn)品質(zhì)量影響較大，生產(chǎn)效率低，不適合多品種、大批量生產(chǎn)。稱重傳感器生產(chǎn)工藝創(chuàng)新的方向是在保證設(shè)計符合性控制和工藝可靠性控制的基礎(chǔ)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(tǒng)減少手工操作，增加自動控制，保證工藝兌現(xiàn)率。國際上年產(chǎn)量大的生產(chǎn)企業(yè)都自行研究設(shè)計出網(wǎng)絡(luò)化的制造工藝與測試系統(tǒng)，稱為制造測試技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化或生產(chǎn)工藝網(wǎng)絡(luò)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(jīng)過全部生產(chǎn)工藝過程到包裝入庫為止，實時控制與測試基礎(chǔ)上的計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。包括貼片組橋，固化和后固化烘箱控制系統(tǒng)，零點和靈敏度溫度補償測試與計算系統(tǒng)，各種穩(wěn)定處理測試與控制系統(tǒng)，性能測試與檢定自動控制系統(tǒng)等。各生產(chǎn)工序和控制系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)均為自動采集，不能人為輸入、任意修改，保證測試結(jié)果真實可靠。也有采用總線型兩極分布式信息系統(tǒng)，把稱重傳感器生產(chǎn)監(jiān)控作為一個子系統(tǒng)，主要有質(zhì)量監(jiān)督功能，設(shè)備監(jiān)督功能，生產(chǎn)能力調(diào)整功能，生產(chǎn)支持系統(tǒng)功能和生產(chǎn)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(shè)計了稱重傳感器制造工藝與測試網(wǎng)絡(luò)化信息系統(tǒng)，并調(diào)試成功投入使用，使年產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)。
在上述設(shè)計、制造和工藝技術(shù)支持下，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)用范圍不斷擴大，研發(fā)出許多技術(shù)含量高、工藝難度大的新產(chǎn)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(gòu)成，內(nèi)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)符合歐洲EN50014易爆區(qū)域電氣設(shè)備標準和EN50018易爆區(qū)域電氣設(shè)備耐壓外殼“d”級標準。焊接外殼均經(jīng)過高壓試驗，檢驗結(jié)構(gòu)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(shù)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(nèi)爾）公司為快速稱重計量系統(tǒng)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(yīng)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(zhuǎn)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(nèi)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(shù)面對電子稱重系統(tǒng)新挑戰(zhàn)的具有代表性的產(chǎn)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(shè)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(diào)節(jié)承載位置，減少由于偏載、振動、熱效應(yīng)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(fēng)的影響。美國Toledo公司的D-35353模塊采用整體型特種鋼殼體，結(jié)構(gòu)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(shù)含量和應(yīng)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?nèi)ХQ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(shù)、新工藝和新產(chǎn)品適應(yīng)了電子稱重技術(shù)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(xiàn)了技術(shù)的先導(dǎo)性、工藝的先進性和產(chǎn)品的適應(yīng)性等創(chuàng)新產(chǎn)品和自主知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)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(nèi)外稱重傳感器技術(shù)與工藝的發(fā)展動向，結(jié)合電子稱重技術(shù)和電子衡器產(chǎn)品的新需求，不難總結(jié)出稱重傳感器的發(fā)展趨勢，可用“四化”來概括，即設(shè)計技術(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)計技術(shù)虛擬化包括彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計的擬實技術(shù)和工藝設(shè)計的虛擬技術(shù)。結(jié)構(gòu)設(shè)計的擬實技術(shù)是指面向彈性體的結(jié)構(gòu)和性能分析技術(shù)，主要是結(jié)構(gòu)選擇，應(yīng)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(shè)計的虛擬技術(shù)是指面向彈性體生產(chǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝，保證質(zhì)量，降低成本為目標。設(shè)計技術(shù)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(xiàn)并及時處理某些不可避免的缺陷和錯誤，以保證結(jié)構(gòu)設(shè)計和生產(chǎn)工藝的合理性。
制造技術(shù)柔性化是指多品種大批量生產(chǎn)的彈性體的柔性制造單元（FMC）和柔性制造系統(tǒng)（FMS）以及計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）。它是計算機技術(shù)、信息技術(shù)、自動化技術(shù)等與傳統(tǒng)的制造技術(shù)相結(jié)合，技術(shù)與管理相結(jié)合形成的全新的制造系統(tǒng)。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(tǒng)（FMS）。
生產(chǎn)工藝網(wǎng)絡(luò)化是指在稱重傳感器生產(chǎn)工藝的全過程中，通過通信線路和通訊設(shè)備把各生產(chǎn)工序具有獨立操作和控制功能的計算機系統(tǒng)相互連接起來，在網(wǎng)絡(luò)軟件管理下實現(xiàn)信息的收集、存儲和處理。是彈性體從進入生產(chǎn)線編號打印條形碼開始到形成產(chǎn)品入庫的生產(chǎn)全過程，進行實時控制與測試的計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)“作坊手藝”的生產(chǎn)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(chǎn)品質(zhì)量的影響，保證了生產(chǎn)工藝的可重復(fù)性，提高了工藝兌現(xiàn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，特別適合大批量生產(chǎn)。
企業(yè)管理信息化是指按計算機處理的要求，依據(jù)結(jié)構(gòu)化系統(tǒng)分析與設(shè)計方法，嚴格按照信息系統(tǒng)開發(fā)步驟，對企業(yè)管理系統(tǒng)進行改造，建立企業(yè)信息系統(tǒng)，實現(xiàn)企業(yè)管理全面現(xiàn)代化。稱重傳感器企業(yè)信息系統(tǒng)，包括CAD系統(tǒng)，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)稱重向動態(tài)稱重發(fā)展，計量方法從模擬測量向數(shù)字測量發(fā)展，測量特點從單參數(shù)測量向多參數(shù)測量發(fā)展，以及電子衡器產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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?qū)⒎Q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(shù)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(zhuǎn)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(fù)合產(chǎn)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(shù)字式智能稱重傳感器正是按此思路發(fā)展和應(yīng)用的，同樣有兩種結(jié)構(gòu)形式，即整體型和分離型。
整體型是在稱重傳感器內(nèi)部安裝有放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換、微處理器芯片和溫度敏感元件等組成數(shù)字處理電路，利用微處理器已存入的軟件，實施各項數(shù)字補償工藝進行各項性能調(diào)整和測試，最后采用電子束焊或激光焊進行密封。數(shù)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(shù)字補償工藝要求的各項數(shù)學(xué)模型，形成便于程序化計算的公式。其二是根據(jù)數(shù)學(xué)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(shù)主要有數(shù)字濾波技術(shù)，標度變換技術(shù)，數(shù)字調(diào)零技術(shù)，溫度補償技術(shù)和線性補償技術(shù)等。同時還應(yīng)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(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換等數(shù)字處理電路移至一個外部接線盒內(nèi)，將普通的模擬式稱重傳感器接入數(shù)字接線盒后，其輸出便以數(shù)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(shù)字接線盒模式稱為模塊化數(shù)字稱重傳感器系統(tǒng)。模擬式稱重傳感器基本上是手工化生產(chǎn)，人為的因素對產(chǎn)品質(zhì)量影響較大，數(shù)字式智能稱重傳感器基本上是自動化生產(chǎn)，排除了人為因素對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。數(shù)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(xiàn)智能化控制等特點，較廣泛的應(yīng)用于大型電子平臺秤、電子汽車衡，結(jié)構(gòu)復(fù)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(tǒng)，可利用軟件輸入各標定參數(shù)實施自動調(diào)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(shù)的高分辨率，保證小載荷范圍內(nèi)的稱量精度，這都是模擬式稱重傳感器根本不能實現(xiàn)的。
隨著數(shù)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(tǒng)中，數(shù)字化電子衡器和數(shù)字稱重系統(tǒng)的應(yīng)用越來越多，這就要求數(shù)字式智能稱重傳感器及其相關(guān)技術(shù)、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(shù)基礎(chǔ)，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(shù)字式智能稱重傳感器。
5.結(jié)語
20世紀90年代以來，在電子稱重技術(shù)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(shè)計技術(shù)、制造技術(shù)和工藝技術(shù)都有很大提高，取得了許多令人矚目的成果�？偨Y(jié)工業(yè)發(fā)達國家特別是美、德、日稱重傳感器技術(shù)與產(chǎn)品的發(fā)展與創(chuàng)新經(jīng)驗，概括起來就是設(shè)計技術(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。為滿足電子稱重技術(shù)及電子衡器產(chǎn)品的新需求和適應(yīng)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(shù)與產(chǎn)品快速發(fā)展的經(jīng)驗，是值得我國稱重傳感器研究單位和生產(chǎn)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(shù)與制造工藝也取得較大進步，大小生產(chǎn)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(chǎn)量已突破300多萬只，家用電子秤用稱重傳感器年產(chǎn)量多達9000萬只，可以說是稱重傳感器生產(chǎn)大國，但總體質(zhì)量水平與國際同類產(chǎn)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(jié)果與稱重傳感器生產(chǎn)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(shù)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(shù)、新工藝、新產(chǎn)品以及技術(shù)與工藝的創(chuàng)新點，其目的就是供國內(nèi)企業(yè)分析和掌握國際情況開發(fā)和創(chuàng)新產(chǎn)品，組織大批量生產(chǎn)參考，希望能對促進我國稱重傳感器技術(shù)與制造工藝的進步和產(chǎn)品總體質(zhì)量水平的提高起些作用。 |
