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1、應(yīng)變式稱重傳感器技術(shù)動(dòng)向和發(fā)展趨勢【關(guān)鍵詞】稱重傳感器,電阻應(yīng)變計(jì),虛擬設(shè)計(jì),柔性制造,集成化,智能化,網(wǎng)絡(luò)化【論文摘要】20世紀(jì)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(qiáng)力牽引下，稱重傳感器進(jìn)入了大發(fā)展時(shí)期，設(shè)計(jì)與制造技術(shù)取得了令人矚目的進(jìn)步。本文從產(chǎn)品研發(fā)、強(qiáng)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(gè)重要發(fā)展時(shí)期的技術(shù)創(chuàng)新和工藝進(jìn)步，介紹了電阻應(yīng)變計(jì)、稱重傳感器設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的發(fā)展動(dòng)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
2、的發(fā)展趨勢。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(shí)研制出紙基絲繞式電阻應(yīng)變計(jì)，命名為SR-4型，由美國BLH公司專利生產(chǎn)，同時(shí)也使BLH公司成為利用SR-4型電阻應(yīng)變計(jì)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(jì)技術(shù)應(yīng)用于軍事工程的電子測力和稱重計(jì)量領(lǐng)域，研制出應(yīng)變式負(fù)荷傳感器。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
3、60多年歷史。這期間經(jīng)過種種改進(jìn)和發(fā)展，負(fù)荷傳感器的準(zhǔn)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(zhǔn)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(diǎn)，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(fù)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(jìn)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(fù)荷傳感器技術(shù)的幾個(gè)發(fā)展時(shí)期和起決定性作用的技術(shù)創(chuàng)新是
4、值得認(rèn)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(jì)，為負(fù)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(jì)的新工藝，提高了負(fù)荷傳感器的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性，促進(jìn)了負(fù)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(fù)荷傳感器的諸多缺點(diǎn)，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(jì)出圓截工字型截面懸臂剪切梁式負(fù)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(fù)荷傳
5、感器的一統(tǒng)天下。剪切式負(fù)荷傳感器以其靈敏度對加力點(diǎn)變化不敏感、拉向和壓向靈敏度對稱性好、抗偏心和橫向負(fù)荷能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、尺寸小等特點(diǎn)形成了一個(gè)新的發(fā)展潮流，極大的推動(dòng)了負(fù)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(jì)的應(yīng)變傳遞，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。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(jì)算分析彈性體的應(yīng)力場、位移場，求得最佳化設(shè)計(jì)，為利用現(xiàn)代化科技手段設(shè)計(jì)與計(jì)算負(fù)荷傳感器開辟了新途徑。???1975年前后，為滿足低容量電子
6、計(jì)價(jià)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(fù)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(diǎn)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(fù)荷傳感器的特點(diǎn)。并且量程小，剛度大，便于調(diào)整四角誤差，很快就形成了負(fù)荷傳感器的又一個(gè)發(fā)展潮流。???蠕變是高精度電阻應(yīng)變計(jì)和負(fù)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(jì)敏感柵的柵頭寬度與柵絲寬度的比例，可
7、以制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)確度等級起到了至關(guān)重要的作用，使商用和家用電子秤的負(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)和工業(yè)、商業(yè)電子衡器的迅速發(fā)展，負(fù)荷傳感器的性能指標(biāo)和評定方法，已不能滿足采用階梯公差帶評定準(zhǔn)確度等級的電子衡器的需要，急需準(zhǔn)確度評定比較統(tǒng)一的計(jì)量規(guī)程。80年代初，國際法制計(jì)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
8、器徹底分開，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(jì)量規(guī)程把計(jì)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(zhǔn)備，改進(jìn)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)
