一、應變式稱重傳感器的發(fā)展與技術創(chuàng)新

1938年美國加利福尼亞理工學院教授E.Simmons（西蒙斯）和麻省理工學院教授A.Ruge（魯奇）分別同時研制出紙基絲繞式電阻應變計，以他們名字的字頭和各有二位助手命名為SR-4型，由美國BLH公司專利生產(chǎn)。為研制應變式負荷傳感器奠定了理論和物質(zhì)基礎。

1940年美國BLH公司和Revere公司總工程師A.Thurston（瑟斯頓）利用SR一4型電阻應變計研制出圓柱結(jié)構的應變式負荷傳感器，用于工程測力和稱重計量，成為應變式負荷傳感器的創(chuàng)始者。1942年在美國應變式負荷傳感器已經(jīng)大量生產(chǎn)，至今已有60多年的歷史。

前30多年，是利用正應力（拉伸、壓縮、彎曲應力）的柱、筒、環(huán)、梁式結(jié)構負荷傳感器的一統(tǒng)天下。在此時期內(nèi)，英國學者杰克遜研制出金屬箔式電阻應變計，為負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變計的新工藝。美國BLH公司和Revere公司經(jīng)過多年實踐創(chuàng)造了負荷傳感器電路補償與調(diào)整工藝，提高了負荷傳感器的準確度和穩(wěn)定性，使準確度由40年代的百分之幾量級提高到70年代初的0.05量級。但在應用過程中出現(xiàn)的問題也很突出，主要是：加力點變化會引起比較大的靈敏度變化；同時進行拉、壓循環(huán)加載時靈敏度偏差大；抗偏心和側(cè)向載荷能力差；不能進行小載荷測量。上述缺點嚴重制約了負荷傳感器的發(fā)展。

后30多年，經(jīng)歷了70年代的切應力負荷傳感器和鋁合金小量程負荷傳感器兩大技術突破；80年代稱重傳感器與測力傳感器徹底分離，制定R60國際建議和研發(fā)出數(shù)字式智能稱重傳感器兩項重大變革；90年代在結(jié)構設計和制造工藝中不斷納入高新技術迎接新挑戰(zhàn)，加速了稱重傳感器技術的發(fā)展。

1973年美國學者霍格斯特姆為克服正應力負荷傳感器的固有缺點，提出不利用正應力，而利用與彎矩無關的切應力設計負荷傳感器的理論，并設計出圓截工字形截面懸臂剪切梁型負荷傳感器。打破了正應力負荷傳感器的一統(tǒng)天下，形成了新的發(fā)展潮流。這是負荷傳感器結(jié)構設計的重大突破。

1974年前后美國學者斯坦因和德國學者埃多姆分別提出建立彈性體較為復雜的力學模型，利用有限單元計算方法，分析彈性體的強度、剛度，應力場和位移場，求得較佳化設計。為利用現(xiàn)代分析手段和計算方法設計與計算負荷傳感器開辟了新途徑。

70年代初中期，美、日等國的衡器制造公司開始研發(fā)商業(yè)用電子計價秤，急需小量程負荷傳感器。傳統(tǒng)的正應力和新研制的切應力負荷傳感器都不能實現(xiàn)幾公斤至幾十公斤量程范圍內(nèi)的測量。美國學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)構解決靈敏度和剛度這對矛盾。設計出小量程鋁合金平行梁型負荷傳感器，同時指出平行梁負荷傳感器是基于不變彎矩原理，使利用平行梁表面彎曲應力的正應力結(jié)構，具有切應力負荷傳感器的特點，為平行梁結(jié)構負荷傳感器的設計與計算奠定了理論基礎，形成了又一個發(fā)展潮流。

蠕變是電阻應變計和鋁合金負荷傳感器經(jīng)常遇到和必需解決的關鍵問題。1978年前蘇聯(lián)學者科洛考娃通過對一維力學模型和應變傳遞系數(shù)的分析，提出控制電阻應變計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變計的理論，并成功的研制出系列蠕變補償電阻應變計。對低容量鋁合金負荷傳感器減小蠕變誤差，提高準確度起到至關重要的作用，使電子計價秤用鋁合金負荷傳感器多品種、大批量生產(chǎn)成為可能。

由于電子稱重技術的迅速發(fā)展，負荷傳感器性能的評定方法，已不能滿足采用階梯公差帶評定準確度等級電子衡器的需要，急需與電子衡器準確度評定方法相適應的計量規(guī)程。80年代初，國際法制計量組織（OIML）質(zhì)量測量指導秘書處決定將用于電子稱重的傳感器與用于測力的傳感器徹底分離，由美國負責的第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OIML，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。可以說R60《稱重傳感器計量規(guī)程》是各國稱重傳感器進入國際市場的“通行證”。

隨著數(shù)字技術和信息技術的發(fā)展，各行業(yè)對數(shù)字化電子衡器的需求愈來愈多，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，對此模擬式稱重傳感器就無能為力了。因為在此之前，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，改進制造工藝，完善電路補償與調(diào)整等。模擬式稱重傳感器的輸出信號小，抗干擾能力差，傳輸距離短，稱重顯示控制儀表復雜，組秤調(diào)試周期長等缺點依然如故。為滿足數(shù)字化電子衡器的需求，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)字化電子衡器和自動稱重計量與控制系統(tǒng)的必選產(chǎn)品，形成一個開發(fā)熱點。

90年代，由于稱重傳感器的設計與計算等基本技術趨于成熟，稱重傳感器的發(fā)展側(cè)重于工藝研究和應用研究，在產(chǎn)品標準化、系列化、工程化設計和規(guī)模化生產(chǎn)工藝等方面都有很大進步，主要是：

在結(jié)構與工藝設計中引入計算機擬實技術和虛擬技術；
在彈性體加工中納入柔性制造技術；
在生產(chǎn)工藝中采用計算機網(wǎng)絡技術；
在穩(wěn)定處理中移植了振動時效、共振時效新工藝；
在測試檢定中創(chuàng)造了自動快速檢測和動態(tài)比對方法。
應用技術研究也有突破性進展：在傳統(tǒng)稱重模塊的基礎上，研制出新式稱重模塊。這是應用新技術面對新挑戰(zhàn)的典型產(chǎn)品。其特點是組件化設計，具有“即插即用”功能，可減少由于偏重、熱效應影響，偶然超載等引起的稱重誤差，并可承受由于振動、沖擊、攪拌或其它外力引起的偏重?？傊?，70年代兩項技術突破，80年代兩個重大變革，90年代納入高新技術面對新挑戰(zhàn)的研發(fā)理念，極大地促進了稱重傳感器技術的發(fā)展。

二、國外稱重傳感器技術現(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與制造工藝，美、德等工業(yè)發(fā)達國家的著名制造公司處于國際市場引導者的比較好地位，我國具有一定規(guī)模的稱重傳感器制造公司處于市場挑戰(zhàn)者或市場追隨者地位。家用電子秤用稱重傳感器的研發(fā)和生產(chǎn)中心在中國，在深圳，制造技術、工藝水平、產(chǎn)品質(zhì)量和年產(chǎn)量逐年提高。

當今國際市場稱重傳感器技術的競爭，集中表現(xiàn)在產(chǎn)品的準確度、穩(wěn)定性和可靠性的競爭；制造技術與制造工藝的競爭；應用高新技術研發(fā)新產(chǎn)品和自主知識產(chǎn)權產(chǎn)品的競爭。各稱重傳感器制造企業(yè)都在努力培植自己的核心競爭技術和打造核心競爭產(chǎn)品。

從近幾年國際衡器工業(yè)展覽會上展出的產(chǎn)品和對多家處于市場引導者地位的企業(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；電阻應變計、補償元器件的技術要求和環(huán)境應力篩選更嚴格；制造工藝更精細；電路補償工藝更完善；外觀質(zhì)量更完美。

稱重傳感器的準確度、穩(wěn)定性和可靠性是重要的質(zhì)量指標，同時也是用戶最關心的問題。對此，這些企業(yè)在結(jié)構設計、制造工藝、電路補償與調(diào)整和穩(wěn)定性處理等方面進行許多研究與試驗工作，取得較大進展，主要成果有：

（1）在結(jié)構設計與計算過程中，引入計算機擬實技術進行動態(tài)仿真，動力學分析；在工藝設計過程中引入計算機虛擬技術，對彈性體生產(chǎn)工藝進行模擬和檢驗；

（2）在彈性體加工中，納入先進制造技術，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)全過程中，盡量減少手工操作、人為控制，增加半自動與自動控制、自動檢驗工序，并在生產(chǎn)工藝中采用計算機網(wǎng)絡技術；

（4）改進、創(chuàng)新工藝裝備，實現(xiàn)高效智能電路補償，建立全自動快速檢測系統(tǒng)，提高C3級產(chǎn)品成功率和大批量生產(chǎn)產(chǎn)品的抽檢合格率；

（5）移植先進的穩(wěn)定處理技術與裝備，實施振動時效或共振時效新工藝，提高稱重傳感器的長期穩(wěn)定性和工作可靠性；

（6）應用高新技術開發(fā)新產(chǎn)品和自主知識產(chǎn)權產(chǎn)品，增強核心競爭力。處于國際市場引導地位的企業(yè)都有自己的核心競爭技術、工藝和產(chǎn)品，例如：正負蠕變電橋的“O蠕變”稱重傳感器；鈹青銅動態(tài)稱重傳感器；整體型和分離型數(shù)字式智能稱重傳感器；高準確度不銹鋼3柱、4柱高溫稱重傳感器；組件化設計的“即插即用”型新式稱重模塊等。

國外稱重傳感器技術發(fā)展特點及快速發(fā)展的原因：

（1）重視基礎技術、基礎工藝和共性關鍵技術的研究，作到基礎研究與預先研究并行；共性關鍵技術研究與應用技術研究并行；典型產(chǎn)品開發(fā)與產(chǎn)品工程化并行。保證基礎技術與基礎工藝（電阻應變計、應變粘結(jié)劑、補償元器件、防護與密封材料等）一直處于世界比較好地位。

（2）重視基礎設施建設和制造技術、制造工藝的研究與應用。配置優(yōu)良的工藝裝備和檢測儀器，特別是智能化工藝設備，作到工藝裝備先進；

（3）描準世界稱重傳感器技術的發(fā)展潮流和戰(zhàn)略前沿，確定研究課題和產(chǎn)品開發(fā)方向。重視新產(chǎn)品和自主知識產(chǎn)權產(chǎn)品的開發(fā)，增強核心競爭力。其技術創(chuàng)新和新產(chǎn)品開發(fā)的標準是：具有較高的技術先導性，工藝先進性，市場擴散性，效益增殖性。使技術與工藝始終處于世界比較好地位。

（4）重視稱重傳感器的可靠性設計、控制與管理，嚴格設計符合性控制和工藝可靠性控制，努力使工藝兌現(xiàn)率達到百分之百。

（5）重視市場競爭，加強市場調(diào)查與分析，快速響應市場。21世紀的市場競爭，是以市場響應速度為焦點，以改進和創(chuàng)新產(chǎn)品為基礎。

（6）重視相關法規(guī)和規(guī)程的學習，全面理解并認真執(zhí)行，保證生產(chǎn)的每一個產(chǎn)品都符合要求。

正因為如此，國外的稱重傳感器品種繁多，規(guī)格齊全，合金鋼、鋁合金、不銹鋼、鈹青銅制品應有盡有；水下、鉆井下測量，耐壓防爆、抗輻射、耐腐蝕產(chǎn)品；微小和超大量程；多稱量與動態(tài)稱量；集成化與模塊化結(jié)構任用戶選購。并作到產(chǎn)品的內(nèi)在與外觀質(zhì)量并重，近幾年外觀質(zhì)量的改進與提高十分明顯，基本沒有噴漆產(chǎn)品，幾乎全部是亮光或亞光化學鍍鎳、鍍鉻，烤漆，噴塑，瓷質(zhì)陽極化和不銹鋼產(chǎn)品。個別產(chǎn)品的外形已融入人性化設計。

目前的研發(fā)熱點是：

數(shù)字式智能稱重傳感器的數(shù)字補償技術與補償工藝，及其應用技術；
快速、低速動態(tài)、動態(tài)稱重傳感器的研制及阻尼技術；
高溫稱重傳感器制造工藝，高溫穩(wěn)定性及應用技術；
耐壓、防爆型稱重傳感器及耐壓外殼設計與試驗技術；
組件化設計的“即插即用”的新式稱重模塊；
利用鋇和鈮代替鎳制作靈敏度溫度補償電阻的研究。
三、我國稱重傳感器技術現(xiàn)狀及主要差距

盡管我國航空、航天工業(yè)部門早在20世紀50年代末期就開始研究應用應變式負荷傳感器，但并未向民用發(fā)展。就全國而言，負荷傳感器的研制與生產(chǎn)起步較晚，60年代只有幾個廠家生產(chǎn)普通精度等級的應變式測力傳感器。結(jié)構單一，只有圓柱、圓環(huán)兩種結(jié)構，基本不進行電路補償與調(diào)整，有的產(chǎn)品甚至用外部平衡箱調(diào)整零點。

80年代初，全國有20余個企業(yè)用資一億元人民幣，用匯1300萬美元，從美、日等國引進應變式負荷傳感器制造技術與工藝裝備，進行學習、消化、吸收。經(jīng)過仿制和試生產(chǎn)后，開始多品種小批量生產(chǎn)，推向市場后，取得相當可觀的效益。當時人們對此產(chǎn)品的總結(jié)是：多品種、小批量、低成本、高收益、投資少、見效快。引起不少行業(yè)的個人和企業(yè)的關注，紛紛進入此行業(yè)，生產(chǎn)廠家從70年代的20多個迅速增加到100多個，年產(chǎn)量與日本相當，達到100多萬只。

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，各行業(yè)對電子衡器的需求不斷增加，極大的促進了稱重傳感器技術的發(fā)展。80年代中期到90年代中期，是我國稱重傳感器技術穩(wěn)步發(fā)展，品種和規(guī)格迅速增加，產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高的十年。不少廠家都改進或增加工藝裝備、檢測儀表，購置智能溫度補償裝置和靈敏度溫度補償設備，實現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)。90年代中期稱重傳感器生產(chǎn)企業(yè)增加到160多個，年產(chǎn)量200多萬只。除滿足國內(nèi)市場需求外，十余個企業(yè)開始小批量出口，呈現(xiàn)出較好的發(fā)展勢頭。

盡管稱重傳感器是國家強制管理的法制計量器具，應當比較難進入此行業(yè)，但由于種種原因?qū)е烈恍┢髽I(yè)和個人很容易進入，造成市場擁擠，加劇了市場競爭。終于在90年代中期爆發(fā)了價格大戰(zhàn)，誰的價格低，誰就是大贏家，而且逐年升級越演越烈，已經(jīng)到了走火入魔的程度。價格大戰(zhàn)的惡果是技術進步緩慢，工藝水平下降，質(zhì)量問題嚴重，管理監(jiān)督失控。最初的受害者是廣大用戶，最終的受害者是企業(yè)自己，是整個稱重傳感器行業(yè)。帶著這些問題進入21世紀，稱重傳感器與工業(yè)發(fā)達國家的差距非但未縮小，反而加大了。近幾年國家監(jiān)督抽查結(jié)果就是例證。

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，合格18只，合格率37.5%。30只不合格產(chǎn)品來自10個企業(yè)，不合格原因全部是溫度性能超差。更為嚴重的是在16個企業(yè)中，只有一個企業(yè)嚴格執(zhí)行國家標準。如果變抽查為全面檢查，合格率會更低。國家監(jiān)督抽查結(jié)果真實的反應了我國稱重傳感器總體技術、工藝和管理水平。合格率低的主要原因是：質(zhì)量意識差，不依法組織生產(chǎn)；對R60國際建議和國家標準不理解、不執(zhí)行，錯誤的把0.02級與C3級等同起來；在利益驅(qū)使下改材料、換元件、減工藝，只求勉強合格或人為合格。

我國稱重傳感器與工業(yè)發(fā)達國家處于市場引導地位企業(yè)產(chǎn)品的主要差距是：

結(jié)構類型偏少，品種規(guī)格不全，特種用途產(chǎn)品奇缺；
準確度等級較低，C3級成功率不高；
穩(wěn)定性和可靠性較差，返修率高，工作壽命低；
產(chǎn)品標準化、工程化水平和企業(yè)產(chǎn)業(yè)化程度較低，產(chǎn)品技術指標的均一性差；
外觀質(zhì)量雖有提高，但仍有較大差距；
工藝裝備、檢測手段不夠先進且不配套，生產(chǎn)工藝中手工操作、人為控制成份大，“作坊手藝”痕跡較深，人為因素對產(chǎn)品質(zhì)量影響較大；
創(chuàng)新產(chǎn)品和自主知識產(chǎn)權產(chǎn)品少，低水平重復產(chǎn)品多，貼牌加工、直接出口產(chǎn)品少；
企業(yè)沒有核心競爭技術和產(chǎn)品，市場調(diào)查不夠，市場響應速度太慢，造成無法與國際市場融合。
總之，制造工藝差距最大，通常將制造工藝分為：

支持工藝一一彈性體鍛造、機械加工、熱處理和表面處理等；
基礎工藝一一電阻應變計、應變粘結(jié)劑、電路補償元器件和防護密封材料等；
核心工藝一一電阻應變計粘貼與固化、零點與靈敏度智能溫度補償和防護與密封等；
特殊工藝一一熱處理法時效工藝和機械法穩(wěn)定處理工藝等。
其中基礎工藝和特殊工藝差距最大。

家用電子秤（人體秤、健康秤、脂肪秤、廚房秤、營養(yǎng)秤、珍寶秤、口袋秤和手提秤等）用稱重傳感器及其電阻應變計，90年代中期以來，其研發(fā)與生產(chǎn)由世界各國逐漸移向中國，主要在廣東、在深圳。近些年來在設計技術、制造工藝和產(chǎn)品產(chǎn)量上都取得了令人震驚的飛速發(fā)展。生產(chǎn)企業(yè)有三種類型：其一設計、生產(chǎn)、組裝各種家用電子秤；其二為家用電子秤生產(chǎn)廠配套生產(chǎn)各種稱重傳感器（或自己生產(chǎn)電阻應變計，或外購電阻應變計）；其三只生產(chǎn)家用電子秤稱重傳感器用電阻應變計。目前這三種類型的生產(chǎn)廠家已達60多個。據(jù)國家海關統(tǒng)計2003年家用電子秤出口量3860多萬臺，出口值1.47億美元，并以每年30％ 的速度增長。當時預計2004年家用電子秤出口量5000多萬臺，出口值2億多美元。以此出口量計算，2004年共生產(chǎn)家用電子秤稱重傳感器共1.2億只，與其配套的電阻應變計（以單軸片計算）約4.8億片。

經(jīng)過多年的研究與生產(chǎn)實踐，解決了稱重傳感器量程小、彈性體小、電阻應變計敏感柵尺寸小等制造工藝上的難題。由于家用電子秤稱重傳感器的準確度為普通等級，不進行電路補償，必需大批量生產(chǎn)，一般中型以上的生產(chǎn)廠日產(chǎn)電阻應變計12萬片以上，稱重傳感器3萬多只。他們用高質(zhì)量的溫度和模量自補償電阻應變計較好的解決了這一難題，為大批量生產(chǎn)家用電子秤稱重傳感器創(chuàng)造了條件。

四、近年來稱重傳感器技術發(fā)展動向

國際上主要有兩種發(fā)展途徑：以美國為代表的先軍工后民用，先提高后普及的途徑和以日本為代表的實用化商品化，先普及后提高的途徑。我國應屬于后者，盡管軍工部門研究應用較早，但并未轉(zhuǎn)為民用，快速發(fā)展和普及還是在近20年。近幾年是關鍵時期，急需提高我國稱重傳感器的總體技術、工藝和質(zhì)量水平。

國際稱重傳感器技術的發(fā)展動向是，把稱重傳感器的準確度、穩(wěn)定性和可靠性作為極其重要的質(zhì)量指標，把制造技術和制造工藝作為核心競爭力，緊緊抓住稱重傳感器的特性問題、生產(chǎn)問題和應用問題進行基礎研究、工藝研究和應用研究，其研究方向和特點是：

（1）在產(chǎn)品結(jié)構設計與制造工藝中，吸取了工程化產(chǎn)品設計中的計算機擬實技術和虛擬技術，加快開發(fā)速度，減少開發(fā)風險；

（2）在彈性體加工中，從單元加工技術發(fā)展到集成化加工技術；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。普遍采用柔性制造單元和柔性制造系統(tǒng)；

（3）生產(chǎn)工藝已不是傳統(tǒng)關念中的“作坊手藝”，而是技術與管理相結(jié)合的一項系統(tǒng)工程。為適應多品種、大批量生產(chǎn)，保證產(chǎn)品技術性能的均一性，生產(chǎn)工藝必須向盡量減少手工操作、人為控制，增加半自動化和自動化工序方向發(fā)展。例如：采用計算機控制，人機一體化工藝系統(tǒng)和測試技術網(wǎng)絡化信息系統(tǒng)等；

（4）與穩(wěn)定性和可靠性有關的穩(wěn)定處理工藝在高溫處理，低溫深冷，脈動疲勞，超載靜壓等方法的基礎上，又研究出振動時效、共振時效新工藝，共振10分鐘，可消除絕大部分殘余應力。

在上述設計與制造技術支持下，稱重傳感器的品種和結(jié)構又有創(chuàng)新，技術功能和應用范圍不斷擴大，主要成果有：

（1）美國Revere公司研制出PUS型具有大氣壓力補償功能的拉壓兩用的稱重傳感器，用于高準確度檢驗平臺，稱重平臺，準確度可達5000d；

（2）德國HBM公司研制成功C2A、C16A兩種不同結(jié)構的1一100t具有“耐壓外殼”保護的防爆稱重傳感器，其防爆性能符合歐洲EN50014和EN50018“d”級標準；

（3）美國斯凱梅公司研制出新一代高準確度不銹鋼F60X系列5一5000kg稱重傳感器，準確度6000d。用于濕度大，腐蝕性強的環(huán)境中，而且防水；

（4）德國塞特內(nèi)爾公司研制出以鈹青銅為彈性體材料，快速稱重用200型稱重傳感器。其特點是線性好，固有頻率高，動態(tài)響應快。獨創(chuàng)油阻尼裝置與過載保護裝置一體化，保證稱量時速度快，工作壽命長。組裝3一30kg電子平臺秤，準確度可達4000d；

（5）美國THI公司研制的1410型5一30kg鋁合金稱重傳感器，準確度等級優(yōu)于C3級，可承受離心力和機械振動，內(nèi)裝特制的粘性阻尼器，保證稱量時有較快的穩(wěn)定時間，一般低于50ms；

（6）美國VT一BLH公司開發(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，出廠后“即插即用”，可自動調(diào)節(jié)位置，不受攪拌，偏心和振動影響。

僅以上幾例，足以代表了新產(chǎn)品的開發(fā)方向，體現(xiàn)了技術的先導性，工藝的先進性。就技術含量而言，有高準確度（4000d一6000d）稱重傳感器制造技術；大氣壓力補償技術；用于快速、動態(tài)測量稱重傳感器的粘性阻尼器快速穩(wěn)定技術；隔爆型耐壓外殼的設計與制造技術；組件化新式模塊設計技術等。

五、稱重傳感器技術的發(fā)展趨勢

應變式稱重傳感器的發(fā)展趨勢，可用“四化”來概括，即設計技術虛擬化，制造技術柔性化，生產(chǎn)工藝網(wǎng)絡化，企業(yè)管理信息化。

設計技術虛擬化：包括彈性體結(jié)構設計的擬實技術和工藝設計的虛擬技術。

結(jié)構設計的擬實技術：是指面向彈性體的結(jié)構和性能分析技術，包括動態(tài)仿真、動力學分析、強度和剛度有限單元法計算、敏感區(qū)應變大小與分布等，以達到優(yōu)化設計的目的。

工藝設計的虛擬技術：是指面向彈性體生產(chǎn)過程的模擬和試驗，檢驗彈性體的可加工性，加工方法和工藝的合理性，保證制造工藝較佳化。

設計技術虛擬化的核心是有限單元計算和計算機動態(tài)仿真。通過仿真軟件來模擬真實受載情況，發(fā)現(xiàn)并及時處理設計和工藝缺陷或錯誤，以確保結(jié)構設計和生產(chǎn)工藝的合理性。

制造技術柔性化：是指在多品種、大批量生產(chǎn)的彈性體加工中，納入先進的制造技術：柔性制造單元（FMC）、柔性制造系統(tǒng)（FMS）和計算機集成制造系統(tǒng)。它是計算機技術、信息技術、自動控制技術等與傳統(tǒng)的制造技術相結(jié)合形成的全新的制造系統(tǒng)。

生產(chǎn)工藝網(wǎng)絡化：是指在生產(chǎn)工藝全過程中，通過通訊線路和設備把各生產(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)絡軟件管理下，實現(xiàn)信息的收集、存儲和處理。與傳統(tǒng)的“作坊手藝”生產(chǎn)工藝相比，大大的減少了手工操作，最大限度的排除了人為因素對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。

企業(yè)管理信息化：是指按計算機處理的要求，依據(jù)結(jié)構化系統(tǒng)分析和設計方法，建立企業(yè)信息系統(tǒng)，實現(xiàn)企業(yè)管理全面現(xiàn)代化。包括CAD、CAM系統(tǒng)，生產(chǎn)管理系統(tǒng)，商務決策系統(tǒng)和經(jīng)營管理系統(tǒng)等。

為適應電子稱重技術從靜態(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，以及電子衡器對稱重傳感器的新要求，以下課題將是今后一個時期的研發(fā)重點：

快速、低速動態(tài)和動態(tài)稱重傳感器及其阻尼技術；
多功能、多分量稱重傳感器及其測試方法；
微小和超大量程稱重傳感器；
防爆、耐壓、耐腐蝕等稱重傳感器；
偏心載荷測量及車載秤用稱重傳感器；
大阻值低功耗高精度電阻應變計研制等。
分析近年來電子衡器對稱重傳感器的新要求，不難得出小型化，集成化，多功能化和智能化將是稱重傳感器的重要特點和發(fā)展趨勢。

小型化：是指稱重傳感器總體結(jié)構體積小、高度低、重量輕，即小、薄、輕。例如：30t、60t彎曲環(huán)式結(jié)構，其外形尺寸分別為外徑120mm和150mm，高度只有50mm和60mm。

集成化：有結(jié)構集成和功能集成兩種形式。結(jié)構集成是指彈性體與秤體合二為一的新型結(jié)構，例如：稱重板、稱重軌、稱重鉤、稱重環(huán)等。功能集成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：將敏感元件（彈性體）、轉(zhuǎn)換元件（電阻應變計）、信號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，其數(shù)字顯示位置就在傳統(tǒng)輪輻式稱重傳感器的接線盒處，通常稱為輪輻式稱重儀。

多功能化：是指稱重傳感器本身除具有檢測重量信息的功能外，還能同時檢測其它信息。例如：電子吊秤用稱重傳感器在檢測重量信息的同時還可檢測加速度信息；汽車檢測平臺用稱重傳感器，可同時檢測垂直方向的重量信息和水平方向的側(cè)向載荷，即多分力測量。

智能化：是由于模擬式稱重傳感器輸出信號小，抗干擾能力差，傳輸距離短，稱重顯示控制儀復雜，組秤調(diào)試周期長，根本不適應數(shù)字式智能電子衡器的發(fā)展。稱重傳感器的智能化就是研制新型數(shù)字式智能稱重傳感器。有兩種結(jié)構：整體型一一在稱重傳感器內(nèi)部增加放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器、溫度傳感器等數(shù)字處理電路，利用數(shù)字補償技術與工藝實現(xiàn)各項補償。分離型一--將整體型數(shù)字式智能稱重傳感器內(nèi)的數(shù)字電路置于外部接線盒內(nèi)，稱為數(shù)字模盒。將普通模擬式稱重傳感器接入數(shù)字模盒，就可變模擬輸出為數(shù)字輸出，通常將其稱為分離型數(shù)字稱重傳感器系統(tǒng)。

數(shù)字式智能稱重傳感器具有如下特點：

輸出信號大，抗干擾能力強，傳輸距離遠，信噪比高；
通過數(shù)字補償電路和數(shù)字補償工藝，可進行線性、滯后、蠕變等補償，改善了性能；
輸出信號規(guī)格化；
內(nèi)裝溫度傳感器，通過補償軟件可進行實時溫度補償，穩(wěn)定性好；
各數(shù)字式智能稱重傳感器的地址可調(diào)，便于應用與互換。
什么是智能傳感器，在各國相關雜志上討論多年，20世紀90年代中期才有比較一致的看法：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。它可以是集成的，也可以是分離件組裝的。數(shù)字式智能稱重傳感器完全符合此定義。今后一個時期，智能化數(shù)字補償技術和工藝還需進一步完善和提高。

最后希望我國稱重傳感器行業(yè)，盡快結(jié)束瘋狂的價格大戰(zhàn)，實施“質(zhì)量競爭戰(zhàn)略”和21世紀的“創(chuàng)新競爭戰(zhàn)略”，以制造技術和制造工藝為突破口，迅速提高我國稱重傳感器的總體質(zhì)量水平和信譽度，培養(yǎng)叫得響，用得好，站得住的名牌產(chǎn)品，盡快融入國際市場，參與國際競爭。 摘要：文章重點闡述鋼鐵企業(yè)鋼包電子秤的安裝使用環(huán)境條件與分析；采用耐高溫傳感器的秤體結(jié)構設計；克服惡劣環(huán)境條件對電子秤影響，應采取的有效措施；闡述了電子秤的各種抗沖擊、防高溫輻射、防鋼水燒損、防傾翻的措施；對高溫環(huán)境用電子秤的設計改造，具有一定的指導作用和參考價值。
關鍵詞：鋼包電子秤 高溫稱重傳感器 高溫輻射 秤體結(jié)構

一、概述

冶金企業(yè)為了提高鋼的質(zhì)量與合理控制制造成本，在鋼水精煉連鑄成型過程中，一般需安裝兩套電子稱量系統(tǒng)，以對在線計量。

1．車載鋼包電子秤用來檢測對鋼水包注入鋼水時的液位，并在精煉時控制合金材料的加入量，以提高冶煉質(zhì)量，同時對鋼包的鋼水重量進行稱量。
2．回轉(zhuǎn)臺鋼包電子秤用來監(jiān)控連鑄時鋼包內(nèi)不斷下降的鋼水液位情況，適時對流量進行控制，當鋼水液位接近鋼渣時，及時關閉出鋼口。

由上可知，連鑄工藝中鋼包電子秤的運行質(zhì)量，對鋼的質(zhì)量和提高工效方面起著十分重要的作用。

二、鋼包電子秤現(xiàn)場使用環(huán)境條件與分析

目前，國內(nèi)使用的鋼包電子秤，無論是國內(nèi)制造或從國外隨同連鑄設備引進，雖然其結(jié)構各不相同，但它們的安裝位置方式都基本相同，一般都是在鋼包支承座底下設計一臺特殊結(jié)構的電子秤，使鋼包左右兩只耳座支承在電子秤秤架上；一般都需具有耐高溫、防濺射、抗沖擊及抵御外界橫向水平?jīng)_擊的能力，以確保設備正常運轉(zhuǎn)，滿足連鑄工藝的需要。本文著重介紹利用國產(chǎn)高溫傳感器設計改造鋼包電子秤的結(jié)構設計特點。

1、車載鋼包電子秤的現(xiàn)場環(huán)境特點

鋼水運載過程中，必須有一特殊運載車進行運載，一般稱此運載車為鋼包車。此車根據(jù)鋼水包的大小，車體大小各有所不同。一般運載車的車體長約7米，寬約5米，高約2.6米，以鋼軌軌道作為運行路線。出鋼前，由行車吊運經(jīng)烘烤后的空鋼包，從高空放置到鋼包車的特定位置。鋼包在吊運前已進行長達幾小時的烘烤，表面溫度達到60℃～70℃，鋼包放置后，運載車開至出鋼爐爐口，出鋼溫度高達1600℃左右的鋼水或鐵水流入鋼包內(nèi)，現(xiàn)場環(huán)境較為惡劣。主要表現(xiàn)為：a、為了防止鋼水外濺及保溫，爐口周圍雖有隔熱板或防火墻保護，但運載車周圍的環(huán)境溫度仍可升至幾百度。b、出鋼過程中，爐子的傾角，隨出鋼量的變化而改變。為保證鋼包口與爐口的一致，出鋼車的位置作相應的改變，但在實際操作過程中，會出現(xiàn)不同步現(xiàn)象，經(jīng)常出現(xiàn)鋼水外溢。鋼包車表面都有較厚鋼渣。c、出鋼車從出鋼爐運行至精煉區(qū)精煉時，用大功率電極加溫冶煉 20～30分鐘，此時的鋼包壁溫已高達幾百度，鋼包耳座底下的溫度可高達250℃左右。d、鋼包車在運行時會產(chǎn)生橫向沖擊力。

2、回轉(zhuǎn)臺鋼包電子秤現(xiàn)場環(huán)境特點

對回轉(zhuǎn)臺鋼包電子秤的威脅，主要來自鋼水包的高溫輻射及吊運時對秤體的垂直沖擊力。主要表現(xiàn)為：a、連鑄設備的回轉(zhuǎn)臺壁與鋼包的間隔一般在1500mm左右，為防止高溫輻射，在設計時，一般采取加包蓋的防輻射措施。但在現(xiàn)場實際使用中，鋼包一般都沒有加蓋，電子秤安裝位置的溫度很高，可達200℃左右。b、在吊運過程中，由于行車操作室離地面較高，降落時憑經(jīng)驗操作，有時會造成較高落差，對秤體沖擊很大。c、行車吊運鋼包是高空作業(yè)，鋼包支承耳落入回轉(zhuǎn)臺壁的電子秤支承座內(nèi)的難度較大。

三、 鋼包電子秤的秤體結(jié)構

改造鋼包電子秤的安裝現(xiàn)場，存在鋼水外濺的威脅、高溫輻射的威脅、吊運過程中的垂直沖擊及運載車運行的水平?jīng)_擊、高空作業(yè)定位困難等難題。目前，國內(nèi)的鋼包電子秤一般都是在鋼包支承耳座的支承架上設計安裝結(jié)構特殊的秤體，左右各一臺，設置導向架，以便準確對位。下面介紹兩種秤體結(jié)構特點。

(一)采用雙剪切梁式耐高溫傳感器設計的鋼包電子秤的結(jié)構

采用雙剪切梁式傳感器作為稱重支點設計改造的鋼包電子秤，由耐高溫傳感器、承重梁、保護板、接近導向架、最終導向架等組成。(見圖一)

1、接近導向架2、耐高溫傳感器
3、高強度螺釘 4、承重梁
5、保護板 6、最終導向
圖一

鋼包電子秤使用的傳感器有大噸位國產(chǎn)化高溫傳感器、德國申克公司、西班牙UTL公司的傳感器等(國產(chǎn)TY型傳感器外形見圖二)。

圖二

上述高溫傳感器有一個共同特點：噸位量程大、外形尺寸寬、平面承載，承載面上都有4-6只M24緊固安裝螺孔，能保證承載梁與傳感器連接牢固，安全可靠。

鋼包電子秤改造設計中須解決以下難題：

1、高空吊運鋼包包耳導入秤體

行車龍門吊鉤吊著龐大的鋼包放置到秤體位置時，行車操作工人在幾十米外憑目測進行操作，如果秤體周圍不設置引導裝置，要使鋼包正常進入指定位置是難以做到的。為了保證安全作業(yè)，使鋼包順利進入秤體，在秤體左右設計安裝導向裝置(導向裝置結(jié)構外形見圖一)。導向架采用優(yōu)質(zhì)合金鋼焊接成整體結(jié)構，一高一矮固于秤體兩側(cè)，導向架的頂部制作成一定斜面，以給吊運操作工人一個明顯的參照標志。當包耳接近導向架時，左右斜面會帶動包耳順利進入秤體，提高操作安全性，同時又可保護秤體。

2、保證鋼包完全受力

為保證鋼包在計量時不受外力的影響，使包耳完全支承在秤體承重梁上，提高計量精度。在設計秤體時，必須在承重梁上加設接近導向架及限位架。

在鋼包支承耳進入稱量座時，要保證鋼包無摩擦、無分力地座落在稱量箱承重梁上是有困難的，因為當鋼包與導向裝置的一側(cè)緊靠時，其摩擦分力勢必影響稱量精度。為克服這一影響，應在承重梁上設置最終導向裝置，在裝置斜面的作用下，迫使鋼包向中心靠近，最后座落在承重梁上。由于最終導向裝置與承重梁為一整體，不會產(chǎn)生外力，也就不會影響稱重精度。由圖一可見，假若最終導向裝置的斜面頂端不在接近導向裝置豎面的內(nèi)側(cè)，則鋼包會卡擱在它的頂端，會使耳座產(chǎn)生傾斜；另外，最終導向裝置的斜面必須有足夠大的角度，以使鋼包接觸此斜面后產(chǎn)生的水平力足以把鋼包推向中心，因此，最終導向裝置必須設計足夠的高度。

3、克服水平?jīng)_擊力

鋼包包耳通過最終導向斜面導入秤體及車體作橫向運動時，會產(chǎn)生一個很大的水平?jīng)_擊力，這個巨大的沖擊力會使承重梁產(chǎn)生一定的水平位移。從現(xiàn)場使用情況了解到，正是由于這個原因，致使許多鋼包電子秤在使用中失敗。在改造設計時，要利用傳感器的特殊設計來承擔這個巨大的水平?jīng)_擊力，使其具有足夠的抗御能力，如采用高強度平面橋式傳感器，其最大允許側(cè)向負荷在20-150t之間就不會被損壞。安裝時，利用傳感器凸出的承載面承重大梁內(nèi)，與承重梁構成整體結(jié)構，當產(chǎn)生水平?jīng)_擊力時，由承載面來承擔水平方向的剪力，傳感器緊固螺釘不受剪力，使秤體得以正常使用。

4、克服垂直沖擊力

當成百噸的鋼包下落時，產(chǎn)生的垂直沖擊力的峰值是巨大的，其垂直沖擊力對傳感器有致命的影響。較佳辦法是在秤體下部安裝液壓裝置，由液壓裝置承受垂直沖擊力，然后再緩慢落至承重梁上。但是，此結(jié)構在實際使用現(xiàn)場是難以實現(xiàn)的，特別是設備改造難度大。因此，此類結(jié)構的電子秤在改造設計時，可利用傳感器本身的結(jié)構特點，在滿足儀表采樣信號要求的前提下，放大傳感器量程，以抵御垂直沖擊。由于此類電子秤一般都為工藝秤，對精度要求不高，在選擇傳感器時，可盡量采用大量程傳感器。例如：一臺150t鋼包秤，可用4只100t，靈敏度為2.OmV/V的傳感器。設橋壓為10V，分度值為100kg，通過計算，每一分度值仍有2.5：μV信號輸出，儀表足夠采樣。這樣可大大提高電子秤的總體抗沖擊能力，延長傳感器使用壽命。

5、防高溫及鋼水濺射保護措施

車載鋼包電子秤及回轉(zhuǎn)臺鋼包電子秤的高溫威脅，來自出鋼爐口的鋼水外濺及鋼包內(nèi)高溫鋼水約1600℃左右的高溫輻射，以及鋼包包壁的自身溫度對秤體的傳導?，F(xiàn)場檢測結(jié)果表明，秤體溫度可達200℃-250℃左右，針對這種情況，在改造設計時，應選用耐高溫200℃-250℃的稱重傳感器，在秤體周圍增設防鋼水濺射隔熱板，傳感器采用耐高溫橋式傳感器，其引線由秤體中間引入到線管內(nèi)，不從外部走線。外圍由下流板與內(nèi)襯板組成迷宮狀進行雙重保護，這樣即使出現(xiàn)鋼水溢出也不會燒壞傳感器。

(二)采用圓柱式耐高溫傳感器改造設計的電子秤

采用圓柱式傳感器作為稱重支點設計改造的鋼包電子秤，與采用橋式傳感器設計的電子秤結(jié)構，從外表看基本相同，兩者都有承重梁，接近導向架、最終導向架內(nèi)部設計結(jié)構則不同。(外形見圖三)

圖三

它由接近導向架、最終導向架 、承重梁導向柱、導向套、防起翹板、高溫傳感器、保護板等組成。

當鋼包進入秤體時，以接近導向架作參考目標，使包耳順著導向架斜面滑入接近導向架的內(nèi)側(cè)。進入秤體包耳，座落在承重梁時，由最終導向架進行限位，分為 XY軸兩個方向，保證包耳與包壁不受任何外力而影響稱量精度。當產(chǎn)生水平橫向力時，由三根導柱予以克服，傳感器不受影響。由于鋼包下落時包耳的某一點先落在承重梁上，會出現(xiàn)承重梁起翹現(xiàn)象，傾翻傳感器，秤體在設計時，內(nèi)部應設防翹裝置，使傳感器正常受力。在結(jié)構改造設計上，除前面的抗水平?jīng)_擊力和外圍保護外，主要考慮如下特點：

1、對承重梁的定位和水平?jīng)_擊力

當鋼包座落在秤體上運動時，由于慣性作用，會產(chǎn)生巨大的水平力，如果秤體沒有限位裝置，必然會使傳感器受到損傷，甚至會給生產(chǎn)帶來安全隱患。從圖中可見，秤體內(nèi)部加設三根導柱、導套來承擔水平?jīng)_擊力，同時又對承重梁保持水平狀態(tài)。為安裝方便，導柱導套之間留有1mm左右的間隙；為不影響稱重精度，襯套內(nèi)壓入耐高溫緩沖橡膠。這種結(jié)構設計，事實上是只允許承重梁作上下直線運動，限制水平位移。在此秤體結(jié)構中，傳感器不能采用上述秤體中采用的平面橋式傳感器，而應采用雙球面擺桿式傳感器。此類傳感器能夠提供一定量的水平位移，且對稱重傳感器不受影響。常用高溫傳感器有國產(chǎn)的TY2015G等國產(chǎn)化高溫傳感器。(外形見圖四)

圖四

2、承重梁防翹設計

鋼包從高空下降進入秤體，包耳支承座與承重梁不可能整個平面同時接觸，又由于導向柱與導向套有一定的間隙存在，這樣勢必使承重梁產(chǎn)生瞬間起翹及跳動現(xiàn)象；如不采取防翹限位裝置，勢必造成傳感器傾倒，嚴重時會造成承重梁傾斜，給安全生產(chǎn)帶來隱患。所以在改造設計時，在傳感器左右增設防翹裝置是十分必要的。設計時可在承重梁及秤體底板上各焊接2套防翹板，保持在同一中心線，在起翹板上加設限位孔，采用限位銷進行限位。設計時限位孔與限位銷保持一定間隙，一般最大限位間隙以不使傳感器傾倒為宜。

四、結(jié)束語

采用高溫傳感器設計改造鋼包電子秤，能克服高溫環(huán)境對電子秤的影響，在冶煉連鑄工藝中已得到廣泛應用，對控制冶煉成本和提高連鑄工藝質(zhì)量，具有十分重要的作用。國產(chǎn)耐高溫稱重傳感器的特性指標已能滿足高溫電子秤的適用環(huán)境，在多家鋼廠冶煉現(xiàn)場得到應用，已產(chǎn)生較好的應用效果。高溫傳感器的國產(chǎn)化和設計應用，為計量稱重技術進軍高溫領域打下了良好基礎。

電液伺服系統(tǒng)中傳感器有什么作用？

　　其實傳感器的作用是把一種能源轉(zhuǎn)換成另一種能源，比如將液壓能、機械能轉(zhuǎn)換成能。而電液伺服系統(tǒng)中傳感器有什么作用呢?下面就由小編我來給大家簡單的講解一下！

　　例如反饋傳感器用于對控制系統(tǒng)輸出量的測量或采樣，并產(chǎn)生一個正比于輸出的信號，把它饋送到系統(tǒng)的前面，和輸入信號(或指令信號)進行比較。如果指令信號和反饋信號之間有差值，系統(tǒng)就產(chǎn)生反應，自動地修正和調(diào)整輸出，使其和指令信號相配。傳感器作為伺服控制的反饋的同時，還可以用來測量系統(tǒng)中的各種參數(shù)?！　∷械膫鞲衅鳠o論是否用作反饋裝置都可以分為兩類：模擬式裝置：它的輸出與被測參數(shù)成正比。數(shù)字式裝置;它的輸出反映變量的狀態(tài)，但不需要與變量成比例。它可以是數(shù)字、一系列脈沖或二進制數(shù)字。按其在伺服系統(tǒng)中的作用，傳感器可更具體地分為：速度傳感器，位置傳感器，壓力傳感器，加速度傳感器以及流量傳感器?！　《x擇傳感器時必須考慮的主要問題是：分辨力：把輸出信號分辨成可讀值的能力。傳感器的分辨力可以是有級的或是無級的。準確度：通常用滿量程輸出的百分數(shù)來表示?？紤]的因素有線性、溫度效應、磁滯、加速度和大氣條件。精度：定義為在一組給定的使用條件下傳感器的重復性，通常用滿量程的百分數(shù)來表示。

標簽: 電液伺服

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