应变式称重传感器的发展与技术创新
前30年,法向应力(拉、压、弯应力)的柱、管、环、梁结构载荷传感器一统天下。在此期间,英国学者杰克逊研制了金属箔电阻应变片,为载荷传感器提供了理想的转换元件,并开创了用热固性粘合剂粘贴电阻应变片的新工艺。经过多年实践,美国BLH公司和Revere公司创造了负荷传感器电路补偿调整技术,提高了负荷传感器的精度和稳定性,使精度从40年代的百分之几提高到70年代初的0.05。但是应用过程中的问题也很突出,主要表现在:(1)应用点的变化会引起比较大的灵敏度变化;同时进行拉伸和压力循环加载时,灵敏度偏差较大;抵抗偏心和侧向荷载的能力差;无法进行小负载测量。上述缺点严重制约了载荷传感器的发展。
30多年后经历了两次技术突破:70年代的剪应力载荷传感器和铝合金小量程载荷传感器;80年代,称重传感器从称重传感器中完全分离出来,进行了两次重大变革,即制定R60国际推荐和研制数字式智能称重传感器。20世纪90年代,高新技术不断融入结构设计和制造过程,以应对新的挑战,这加速了称重传感器技术的发展。
在1973中,美国学者Hogg Sturm提出了用剪应力独立于弯矩而不是正应力来设计载荷传感器的理论,设计了圆形工字形截面的悬臂梁剪切梁载荷传感器。它打破了常规应力载荷传感器的统一,形成了新的发展趋势。这是载荷传感器结构设计的重大突破。
1974左右,美国学者Stein和德国学者Edom提出建立更复杂的弹性体力学模型,利用有限元计算方法分析弹性体的强度、刚度、应力场和位移场,得到最优设计。它为利用现代分析手段和计算方法设计和计算载荷传感器开辟了一条新的途径。
20世纪70年代中早期,美国、日本等国的衡器制造公司开始研制商用电子计价秤,急需小量程负荷传感器。无论是传统的正应力传感器,还是新开发的剪应力载荷传感器,都无法在几公斤到几十公斤的范围内进行测量。美国学者Charters提出采用弹性模量低的铝合金作为弹性体,采用多梁结构解决灵敏度和刚度的矛盾。设计了小型铝合金平行梁式载荷传感器,指出平行梁式载荷传感器基于恒弯矩原理,使利用平行梁表面弯曲应力的正应力结构具有剪应力载荷传感器的特性,为平行梁式结构载荷传感器的设计计算奠定了理论基础,形成了另一种发展趋势。
蠕变是电阻应变计和铝合金载荷传感器经常遇到且必须解决的关键问题。65438年至0978年,前苏联学者科洛科娃通过对一维力学模型和应变传递系数的分析,提出了通过控制电阻应变片敏感光栅的栅头宽度与栅线宽度的比值,可以制造不同蠕变值的电阻应变片的理论,并成功研制出系列蠕变补偿电阻应变片。对降低蠕变误差、提高低容量铝合金载荷传感器的精度具有重要作用,使多品种、大批量生产电子计价秤用铝合金载荷传感器成为可能。
由于电子称重技术的快速发展,负荷传感器性能的评价方法已经不能满足用阶跃公差带评价电子衡器准确度水平的需要,迫切需要适用于电子衡器准确度评价方法的计量法规。80年代初,OIML质量计量指导秘书处决定将用于电子称重的传感器与用于测力的传感器完全分离,并由美国主政的第八报告秘书处起草了《称重传感器计量规则》。经OIML成员国书面表决后,在1984+00年6月第七届法定计量大会上正式通过,并在1985年6月与OIML和R60的国际推荐一起颁布,分发给各成员国。各国正在实施R60的2000版本。可以说R60《称重传感器测量规则》是各国称重传感器进入国际市场的“通行证”。
随着数字技术和信息技术的发展,各行业对数字电子衡器的需求越来越多。提出用数字称重系统突破模拟称重系统的局限性,模拟称重传感器无能为力。因为在此之前,称重传感器的研究主要集中在硬件方面,比如:创新弹性结构,改进制造工艺,完善电路补偿和调整。模拟称重传感器输出信号小、抗干扰能力差、传输距离短、称重显示控制仪表复杂、秤组件调试周期长等缺点依然存在。为了满足数字电子衡器的需要,美国的托莱多、STS、CARDINAL公司和德国的HBM公司相继开发了集成和分离式数字智能称重传感器,由于其输出信号大、抗干扰能力强、信号传输距离远、易于实现智能控制,成为数字电子衡器和自动称重测控系统的必备产品,成为发展的热点。
20世纪90年代,由于称重传感器设计计算等基础技术的成熟,称重传感器的发展侧重于工艺研究和应用研究,在产品标准化、系列化、工程化设计和规模化生产技术方面取得了很大进步,主要表现在:
将计算机虚拟现实技术和虚拟技术引入结构和工艺设计;将柔性制造技术结合到弹性体加工中;在生产过程中采用计算机网络技术;在稳定化处理中移植了振动时效和振动时效新技术;在试验和验证中创造了自动快速检测和动态比对的方法。在应用技术研究上也有了突破:在传统称重模块的基础上,开发了新型称重模块。这是一款应用新技术面对新挑战的典型产品。其特点是模块化设计,即插即用功能,可减少因超重、热效应、意外过载等造成的称重误差,可承受振动、冲击、搅拌或其他外力造成的超重。总之,20世纪70年代的两次技术突破,80年代的两次重大变革,90年代面临新挑战的R&D高科技概念的提出,极大地推动了称重传感器技术的发展。
应变式称重传感器-II。国外称重传感器技术现状及其快速发展的原因。工商电子秤用称重传感器的技术和制造工艺,美国、德国等发达国家的著名制造公司在国际市场上处于领先地位,我国具有一定规模的制造公司处于市场挑战者或市场追随者的地位。家用电子秤称重传感器的R&D和生产中心在中国和深圳,制造技术、工艺水平、产品质量和年产量逐年提高。
当今国际市场称重传感器技术的竞争主要表现在产品精度、稳定性和可靠性的竞争;制造技术与制造工艺的竞争;应用高新技术研究开发新产品和自主知识产权产品的竞争。各称重传感器厂商都在努力培育自己的核心竞争力技术,打造核心竞争力产品。
从近几年国际衡器工业展览会展出的产品和对处于市场领导者地位的许多企业的产品的分析可以得出,这些企业有着相同的追求:更好的弹性体材料;电阻应变片、补偿元件和环境应力筛选的技术要求更严格;制造工艺更加精细;电路补偿工艺更加完善;外观质量更加完美。
称重传感器的准确性、稳定性和可靠性是重要的质量指标,也是用户最关心的问题。在这方面,这些企业在结构设计、制造工艺、电路补偿与调整、稳定性处理等方面做了大量的研究和试验工作,取得了很大的进步。主要成果如下:
(1)在结构设计计算过程中,引入计算机虚拟现实技术进行动态仿真和动态分析;将计算机虚拟技术引入工艺设计中,模拟和测试弹性体生产过程;
(2)弹性体加工过程中融入先进制造技术,变刚性制造为柔性制造。加工中心、柔性制造单元和柔性制造系统得到广泛应用;
(3)在整个生产过程中,尽可能减少人工操作和人工控制,增加半自动和自动控制及自动检验程序,生产过程中采用计算机网络技术;
(4)改进创新工艺设备,实现高效智能电路补偿,建立全自动快速检测系统,提高C3产品的成功率和量产产品的抽样合格率;
(5)移植先进的稳定化技术和设备,实施振动老化或振动老化新技术,提高称重传感器的长期稳定性和工作可靠性;
(6)应用高新技术开发新产品和具有自主知识产权的产品,提高核心竞争力。在国际市场上处于领先地位的企业都有自己的核心竞争技术、工艺和产品,如:带正反向蠕变桥的“O蠕变”称重传感器;铍青铜动态称重传感器:整体式和分体式数字智能称重传感器:高精度不锈钢3柱和4柱高温称重传感器;模块化设计的“即插即用”新型称重模块等。