電阻應(yīng)變式測力與稱重傳感器技術(shù)的回顧
       ——紀念電阻應(yīng)變式測力與稱重傳感器誕生70周年
          中國運載火箭技術(shù)研究院第七○二研究所 尹福炎
【摘 要】 上世紀40年代以前，在工程結(jié)構(gòu)試驗中外載荷或力的測量組件是各種機械式測力計。在電阻應(yīng)變片出現(xiàn)以后，人們開始研制各種用于工程結(jié)構(gòu)試驗的測力傳感器，通常也稱載荷傳感器或負荷傳感器。在此同時，人們也試圖把其用于衡器和稱量系統(tǒng)。箔式應(yīng)變片發(fā)明和發(fā)展，使負荷傳感器的測量精度有了大幅度的提高，負荷傳感器在稱量系統(tǒng)的應(yīng)用比原先測力范圍更為廣泛。測力與稱重傳感器的分立，稱重傳感器補償電路的不斷完善，及其結(jié)構(gòu)從單純的正應(yīng)力設(shè)計，進而利用剪應(yīng)力原理，不僅使傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸大大減小，而且使稱重傳感器得測量精度也有大幅度提高，在衡器和自動稱量系統(tǒng)獲得了的發(fā)展，取得了極大的成功。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，稱重傳感器也從模擬式發(fā)展到數(shù)字智能化，極大地豐富了稱重傳感器市場。本文，將就測力與稱重傳感器的發(fā)展過程作一簡要的回顧，以供從事應(yīng)變片和稱重傳感器研制的同仁們參考。
【關(guān)鍵詞】 機械式測力計；測力與稱重傳感器；電阻應(yīng)變片；衡器；自動稱量系統(tǒng)；數(shù)字式智能稱重傳感器
一、前言
現(xiàn)代測力與稱重技術(shù)的發(fā)展，離不開獲取和轉(zhuǎn)換力值與質(zhì)量信號的傳感器。總所周知，至今為止，測力與稱重傳感器的發(fā)展大體已經(jīng)歷了三代。*代是機械式測力計。上世紀四十年代以前，在電阻應(yīng)變片出現(xiàn)之前，人們測量工程結(jié)構(gòu)部件的應(yīng)變，一般采用機械式應(yīng)變計，也稱機械引伸計或光學引伸計等；而測量工程結(jié)構(gòu)試驗載荷的則是各種機械式測力計。第二代是電阻應(yīng)變式測力與稱重傳感器。電阻應(yīng)變片問世后，于上世紀四、五十年代，人們根據(jù)工程結(jié)構(gòu)試驗研究的需要而利用電阻應(yīng)變片來開發(fā)各種傳感器。當時，美國的航空工業(yè)部門，迫切需要各種用于測量工程結(jié)構(gòu)試驗的載荷（力）、扭矩及流體壓力傳感器，為了測量飛機結(jié)構(gòu)靜態(tài)試驗的載荷而開發(fā)了負荷傳感器；為了測量飛機在風洞中的作用力，開發(fā)了多分量力傳感器等。在工程結(jié)構(gòu)試驗中測量外載荷或力的測量組件是各種機械式測力計。在電阻應(yīng)變片出現(xiàn)以后，人們開始研制各種用于工程結(jié)構(gòu)試驗的測力傳感器，通常也稱載荷傳感器或負荷傳感器。在此同時，人們也試圖開始把其用于衡器和稱量系統(tǒng)。箔式應(yīng)變片發(fā)明和發(fā)展，使測力傳感器的測量精度有了大幅度的提高，傳感器在稱量系統(tǒng)的應(yīng)用比原先測力范圍更為廣泛。第三代是數(shù)字化、智能型測力與稱重傳感器。隨著測力與稱重傳感器的分立，傳感器補償電路的不斷完善，傳感器結(jié)構(gòu)從單純的正應(yīng)力設(shè)計，進而利用剪應(yīng)力原理，不僅使傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸大大減小，而且使傳感器得測量精度也有大幅度提高，在衡器和自動稱量系統(tǒng)獲得了的發(fā)展，取得了極大的成功。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，稱重傳感器也從模擬式發(fā)展到數(shù)字智能化，極大地豐富了稱重傳感器市場。對于電阻應(yīng)變式測力與稱重傳感器的國內(nèi)外的
發(fā)展情況，很多專家、學者都已做過詳細的介紹分析，本文在此主要就應(yīng)變片、測力與稱重傳感器誕生70周年之際，就測力與稱重傳感器的發(fā)展過程作一簡要的回顧，以供從事應(yīng)變片和稱重傳感器研制的同仁們參考。
二、歷史的回顧
1、機械式測力計與電阻應(yīng)變式測力傳感器
從所周知，測力與稱重傳感器與其它的力學量傳感器顯著的不同，它是直接安裝在整個載荷測量鏈中（圖1），所以傳感器的強度和剛度必須滿足系統(tǒng)的整體要求，才能保證系統(tǒng)的安全和測量精度。為此，通常測量力或重量的傳感器與其它類型的傳感器相比，其體積和重量都比較大。在電阻應(yīng)變式測力傳感器出現(xiàn)以前，在工程結(jié)構(gòu)試驗和材料試驗機的測力計機構(gòu)中，都是采用各種機械式測力計（如圖2、3）。當電阻絲式應(yīng)變片發(fā)明以后，當時的負荷傳感器的結(jié)構(gòu)比較簡單，常用的圓環(huán)式或圓棒式，在其變形比較大的部位粘貼4片（或8片）應(yīng)變片，組成惠斯頓電橋（圖4），傳感器的連線遵循了美國西部地區(qū)應(yīng)變計委員會（Western regional strain gage committee）確定的布線規(guī)則（于1960年5月修訂），該連線規(guī)則如圖5所示。測力與稱重傳感器的軸是根據(jù)右手正交坐標系進行定義。符號“＋”表明在力方向上可產(chǎn)生一個“＋”信號電壓，通常定義為張力。根據(jù)圖6坐標系的定義，測力與稱重傳感器的主旋轉(zhuǎn)軸或徑對稱軸為Z軸。
圖1 傳統(tǒng)的測力系統(tǒng) 圖2 鋼板拉力計 圖3 杠桿式三等標準測力
當時的測力傳感器一般采用石蠟或蜂蠟涂封防潮，人們常把其稱為測力環(huán)或測力棒（如圖7所示）。載荷的測量儀器一般采用靜態(tài)電阻應(yīng)變儀（如圖8所示）。因而，當時的載荷測量精度比較低，一般在5%-10%以內(nèi)。
圖4 典型的惠斯頓電橋結(jié)構(gòu) 圖5 標準的電氣連接顏色規(guī)則 圖6 稱重傳感器軸的定義
（a）環(huán)式測力計 （b）柱式測力計
圖7 粘貼式應(yīng)變片制成的測力環(huán)和測力棒 圖8 環(huán)狀測力計與載荷測量儀
（靜態(tài)電阻應(yīng)變儀）
五十年代中期箔式應(yīng)變片的出現(xiàn)，應(yīng)用箔式應(yīng)變片的負荷傳感器的測量精度有了明顯的提高，基于當時的條件，一般精度在0.1%左右。在此期間，人們也逐漸開始探索把電阻應(yīng)變式負荷傳感器用于衡器與自動稱量領(lǐng)域。
2、應(yīng)變片與應(yīng)變片裝置
*，電阻應(yīng)變片是一種能將被測試件應(yīng)變的變化量轉(zhuǎn)換成電阻變化量的檢測組件。各種電阻應(yīng)變式傳感器（Strain gauge based transducer/sensor），其中包括電阻應(yīng)變式測力與稱重傳感器（Strain gauge based load cell）,它們都是借助于各種應(yīng)變膠粘劑把應(yīng)變片粘貼在彈性組件（或稱彈性體）上，從而把彈性組件在外載荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)變傳遞到應(yīng)變片的柵絲上，使其發(fā)生電阻變化。根據(jù)其電阻變化，可測知彈性體承受的外載荷的大小。由前述可知，應(yīng)變片主要由基底、箔柵（敏感柵）、膠粘劑、引出線及覆蓋層等部分組成（圖9）。基底材料是支撐敏感柵，使它保持一定的幾何形狀，并使敏感柵與被粘試件之間具有良好的電絕緣性；敏感柵是把彈性體應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化；膠粘劑是把敏感柵與基底粘合在一起，形成一個 整體；覆蓋層是保護敏感柵免受外界的機械損傷，并防止環(huán)境溫度、濕度及塵埃等的侵蝕；引出線則是連接敏感柵與測量儀器，把應(yīng)變片的電信號送到測量儀器內(nèi)。應(yīng)變片的各個組成組件的性能都將直接影響應(yīng)變片的各項工作特性。
電阻應(yīng)變式測力與稱重傳感器，它是由彈性體、應(yīng)變片、膠粘劑、防護涂層、補償線路等部分組成的，其應(yīng)變傳遞路徑是：彈性體→膠粘劑→應(yīng)變片敏感柵→覆蓋層→防護涂層，構(gòu)成一個有別于應(yīng)變片本身的更復雜的系統(tǒng)。若把粘貼于彈性體上的應(yīng)變片暫稱為應(yīng)變片裝置（strain gage installation），其典型結(jié)構(gòu)如圖10所示。其應(yīng)變傳遞關(guān)系將更為復雜，其中反映了物理學、力學、電學及化學等基本原理，各組成單元的功能以及相互間的影響都將直接影響傳感器的各項性能。在研究和討論應(yīng)變片裝置及應(yīng)變傳遞問題時，既要注意各個組成組件的本身特性，又要關(guān)注其相互間的內(nèi)在，稱重傳感器的性能是應(yīng)變片裝置各組成組件性能的綜合表現(xiàn)。
圖9 箔式應(yīng)變片結(jié)構(gòu)簡圖 圖10 典型的應(yīng)變片裝置的剖面圖
3、正應(yīng)力傳感器與剪應(yīng)力傳感器
六十年代測力與稱重傳感器的彈性組件（俗稱彈性體），已發(fā)展成柱式、筒式、環(huán)式及梁式等多種結(jié)構(gòu)。隨著箔式應(yīng)變片本身工藝技術(shù)及應(yīng)用技術(shù)和電子技術(shù)的進步，使負荷傳感器的精度有了進一步的提高，在美國出現(xiàn)了具有0.1%稱重準確度的電子秤，在七十年代中對70%的機械秤進行了機電結(jié)合式的電子化改造，使稱重傳感器作為稱重傳感組件，引起了人們的極大關(guān)注。
在電阻應(yīng)變式測力與稱重傳感器發(fā)明、生產(chǎn)以來的二、三十年中，傳感器的彈性體組件都是采用圓柱、圓筒、圓環(huán)、板環(huán)和各種梁式結(jié)構(gòu)。在測量過程中都是利用拉伸、壓縮和彎曲應(yīng)力，即正應(yīng)力的原理，因此統(tǒng)稱這類傳感器為正應(yīng)力傳感器。人們根據(jù)在長期使用正應(yīng)力型傳感器的實踐中發(fā)現(xiàn)的問題，對其彈性組件的結(jié)構(gòu)作了進一步的分析研究，找到了其固有的缺點。其主要缺點歸納起來有：加力點的變化會引起靈敏度的較大變化；進行拉、壓循環(huán)加載時靈敏度的偏差比較大；抗偏心載荷和側(cè)向載荷的能力差；需要較大的高度或?qū)挾龋鼠w積大；不能進行小載荷的測量等。這些問題影響了測力與稱重傳感器主要技術(shù)指標的提高。
為了克服正應(yīng)力式測力與稱重傳感器的固有缺點，從六十年代中期，人們就開始從分析、研究彈性組件力學模型的基本原理入手，對彈性組件進行改進。研究表明，應(yīng)變梁中的剪應(yīng)力τ與梁的彎矩M無關(guān)，僅是剪力Q的函數(shù)。鑒于剪應(yīng)力本身是不能測量的，但它能產(chǎn)生于中性軸呈45°方向的互相垂直的兩個大小相等而且拉、壓成雙的主應(yīng)力。因此，可以通過對平面應(yīng)力狀態(tài)下主應(yīng)力平面上的主拉伸應(yīng)力和主壓縮應(yīng)力分別產(chǎn)生的拉伸和壓縮的測量，以達到測力與稱重的目的。美國學者霍利斯特姆（Hollistem）于1973年提出了不利用彈性組件的正應(yīng)力，而利用與彎矩無關(guān)的切應(yīng)力原理來設(shè)計稱重傳感器彈性體的理論，并設(shè)計出圓截工字形截面懸臂剪切梁型傳感器，這是稱重傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計的重大突破，進一步提高了測量準確度，有力地推動了稱重傳感器的發(fā)展和應(yīng)用范圍的擴大。
隨著數(shù)值計算方法和電子計算機技術(shù)的進步，1974年，美國學者斯坦因（Stein）和德國學者埃多姆（Edom）分別提出建立彈性體力學模型，利用有限元計算方法，分析彈性體的強度、剛度、應(yīng)力場和位移場，以取得彈性體結(jié)構(gòu)的*設(shè)計，為新型傳感器設(shè)計提供了可靠的技術(shù)保證。
4、鋼合金與鋁合金彈性體
七十年代初，歐、美、日等國的衡器制造商，為了開發(fā)商業(yè)用電子計價秤，迫切需要量程在幾公斤至幾十公斤范圍的各種稱重傳感器。但當時無論是正應(yīng)力原理的傳感器，還是剪應(yīng)力原理的傳感器，彈性體通常都是由合金鋼或不銹鋼制成的，因而不能實現(xiàn)此量程范圍內(nèi)的測量。為此美、日等國研制出測量彎曲應(yīng)力的平行梁結(jié)構(gòu)稱重傳感器，并用低彈性模量的鋁合金作彈性體，采用多梁結(jié)構(gòu)解決靈敏度和剛度之間的矛盾，設(shè)計出鋁合金小量程的平行梁型稱重傳感器。
美國學者查特斯（K.Chatters）根據(jù)十七世紀出現(xiàn)的羅伯威爾（Roberval）秤的原理，基于平行梁不變彎矩原理，利用平行梁表示彎曲應(yīng)力的正應(yīng)力結(jié)構(gòu)，并于1980年坦普科傳感器會議上發(fā)表了“高精度、低容量、不變彎矩原理稱重傳感器的展望、性能及應(yīng)用”的論文，為平行梁稱重傳感器的發(fā)展提供了理論依據(jù)。
從六十年代末至八十年代初的十多年中，由于下述若干方面與傳感器性能密切相關(guān)的技術(shù)所取得的突破性的進展，使電阻應(yīng)變式稱重傳感器獲得了的高速發(fā)展。
（1）采用有限元數(shù)值計算方法，使傳感器彈性體的結(jié)構(gòu)更趨合理。
（2）溫度自補償箔式應(yīng)變片、傳感器應(yīng)變片以及多功能自補償應(yīng)變片品種的不斷完善，產(chǎn)品性能不斷提高。
（3）傳感器電橋電路補償、調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，提高了穩(wěn)定性。
（4）適用于傳感器用的各種高性能新型材料不斷出現(xiàn)，如高性能的應(yīng)變膠粘劑、新型的彈性體材料，為傳感器發(fā)展提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。
（5）傳感器的密封材料及密封技術(shù)得到了不斷改進和廣泛應(yīng)用。
（6）傳感器生產(chǎn)工藝的自動化程度不斷提高，質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)逐漸完善。
5、測力、稱重傳感器的分立
長期以來電子衡器（無論是自動衡器還是非自動衡器）及自動稱量系統(tǒng)中應(yīng)用的是各種電阻應(yīng)變式負荷傳感器，為了確保衡器的產(chǎn)品質(zhì)量，法制計量組織（OIML）制定了“非自動衡器計量規(guī)程”國家建議NO.3，并于1968年10月第三屆法制計量大會通過。但是在衡器精度評定等方面長期與傳感器不相同。
由于測力和稱重所用的傳感器，其原理、結(jié)構(gòu)、材料、工藝以及計量都相同。因而兩者一直沒有加以區(qū)別，在國內(nèi)統(tǒng)稱為“負荷傳感器”、“力傳感器”。隨著衡器與自動稱量技術(shù)的發(fā)展，以及測力、稱重兩大技術(shù)領(lǐng)域?qū)蚀_度要求等的不同，使人們逐漸認識到把用于質(zhì)量測量的傳感器和用于測力的傳感器，在定義上、評價上、計量性能要求以及稱謂上加以區(qū)分得必要性。并逐漸把前者稱為稱重傳感器；后者稱為“測力傳感器”，文獻中一般都用“Load cell”表示。為此，法制計量組織（OIML）Sr-8秘書處負責起草《稱重傳感器計量規(guī)程》，在1984年10月第7屆法制計量大會討論通過，并于1985年以O(shè)IML R60建議頒布，正式確定了測力傳感器和稱重傳感器的分立。并把稱重傳感器定義為：一種考慮到使用地點重力加速度和空氣浮力影響的，通過把被測量（質(zhì)量）轉(zhuǎn)換為另一種被測量的力傳感器。規(guī)程在多年執(zhí)行中又做了一些修改，發(fā)表了1991年版、1993年版R60附錄A型“型式評定試驗報告格式”等。目前各國執(zhí)行的R60 2000年版。由于這種變遷，過去對負荷傳感器的等級劃分、技術(shù)性能、誤差評定等都不適用了，而必須參照“稱重傳感器計量
規(guī)程”建議R60，其基本思想與“非自動衡器計量規(guī)程”協(xié)調(diào)一致。
由應(yīng)變片制成的電阻應(yīng)變式測力或稱重傳感器都是用“strain gage based load cell”表示。現(xiàn)今若沒有特別的說明，文獻中“load cell”一般都是指電阻應(yīng)變式傳感器。只是在測力場合，可稱為測力傳感器；而在稱重場合，則可稱為稱重傳感器。
根據(jù)長期的實踐表明，測力和稱重傳感器的主要區(qū)別在于：
（1）使用場合不同。稱重傳感器是用于需要考慮使用地點重力加速度和空氣浮力的場合。它廣泛用于各種衡器和自動稱量技術(shù)中，也可用于確定作為質(zhì)量的函數(shù)和其它參數(shù)的測量；測力傳感器主要用于工程結(jié)構(gòu)試驗和材料性能試驗中力值（載荷）測量以及力值比較、傳遞。還可以用于測量多分量的力和力矩。此外，稱重傳感器通常使用在較惡劣的工業(yè)現(xiàn)場或環(huán)境較差的場合，而測力傳感器通常應(yīng)用于實驗室環(huán)境。
（2）采用的單位不同。由于力和質(zhì)量是兩個不同的物理量，稱重傳感器和測力傳感器的測量對象分別是質(zhì)量和力，質(zhì)量的單位為千克（kg）或其倍量、分量；力的單位為牛（N）或其倍量、分量。根據(jù)牛頓第二定律F=mg，在重力加速度相同的情況下，kg和N在數(shù)值上是可以互為轉(zhuǎn)換的，即在標準重力加速度時，1kg≈9.80665N；1N≈0.10197162kg。
（3）評價方法不同。稱重傳感器是以分辨率（即標尺間隔或分度值d）的多少來評價其性能的，通常稱重傳感器的分辨率可以在500d～6000d之間，分辨率越高，其性能越好；測力傳感器是以不確定度（即相對不準確度或相對準確度）來評定其性能的。通常測力傳感器的不確定度可以在5×10-3～2×10-5之間。準確度級別為2×10-5的測力傳感器，通常適用于各國計量研究機構(gòu)之間的力值比對或傳遞。
（4）技術(shù)要求和測量結(jié)果的處理方法不同。對于稱重傳感器，要求其所有偏差之和應(yīng)處于某一個允差帶之內(nèi)；而測力傳感器則要求其各單項指標的數(shù)據(jù)保持在規(guī)定的偏差之內(nèi)。稱重傳感器的總誤差應(yīng)根據(jù)法制計量組織的R60建議規(guī)定。
（5）加載方式不同。稱重傳感器固定地安裝在衡器上，力總是以相同方式引入，力引入時可能產(chǎn)生的誤差已經(jīng)在檢定衡器時作了校正（如衡器的四角誤差等）；而測力傳感器則會受到與安裝狀態(tài)有關(guān)的不正確加載，從而受到側(cè)向力與彎矩等的作用。
6、全密封應(yīng)變片與全密封稱重傳感器
稱重傳感器決不是一個易損部件，無論用于衡器中還是各種自動稱重系統(tǒng)中，都希望在使用期間具有很好的長期穩(wěn)定性，使用期應(yīng)該在幾年，甚至5年、10年。*，環(huán)境條件的溫度和濕度對應(yīng)變片和傳感器的長期穩(wěn)定性影響zui為明顯，為此，引起人們的嚴重關(guān)注。為了解決這方面的問題，國內(nèi)人士從上世紀六十年代至今，一直在這方面進行著各種努力。根據(jù)國外的經(jīng)驗，著重在選擇應(yīng)變片、膠粘劑、貼片工藝及工藝環(huán)境的控制、涂料及涂層工藝和傳感器的整體的密封等。
稱重傳感器用應(yīng)變片一般應(yīng)選用玻璃纖維增強的環(huán)氧-酚醛基底或玻璃纖維增強的聚酰亞胺基底的全密封溫度自補償應(yīng)變片，典型的全密封應(yīng)變片如圖11所示。應(yīng)變片的敏感柵絲*由覆蓋層覆蓋，又經(jīng)加壓固化處理，不僅使敏感柵絲得到很好的保護，而且使基底-敏感柵絲-覆蓋層之間形成一個堅固的整體。應(yīng)變片端頭的鍍銅，可有效地提高引出線與端頭的焊接效果。
對于長期使用的應(yīng)變片防潮，一般采用多種涂料分層涂覆的方法（如圖12）。由圖可見，為了
防護涂料的返潮問題，在中間涂層間加置一鋁箔層。一方面可避免加強效應(yīng)，另一方面可阻斷外層潮氣得進入和內(nèi)層涂層的返潮。對于有防護外殼的傳感器，如柱式傳感器等（圖13），除了在彈性體上的應(yīng)變片，采用上述的措施外，在安裝殼體后，可采用相應(yīng)的焊接方法進行焊接密封，并在內(nèi)中進行充氮保護等，以保證傳感器在使用環(huán)境條件下的長期穩(wěn)定性。
圖11 全密封應(yīng)變片（M-M） 圖12 應(yīng)變片防護涂層截面（M-M） 圖13 全密封稱重傳感器剖視圖
7、溫度自補償應(yīng)變片與橋路補償網(wǎng)絡(luò)
自從應(yīng)變片誕生以后，人們一直致力于如何減小應(yīng)變片的溫度影響，盡管應(yīng)變式傳感器電橋電路（如圖4）具有固有的和差特性，上世紀五十年代初期，人們通過對合金絲材的合金成分的調(diào)整及控制熱處理溫度和時間等方法，制取了適用于各種試件材料上的溫度自補償應(yīng)變片（self temperature compesation strain gauge, STC strain gauge）。箔式應(yīng)變片誕生與發(fā)展，箔式自補償應(yīng)變片的發(fā)展，以及應(yīng)變電橋的固有和差特性都仍不能滿足稱重傳感器的實際需要。從六十年代至七十年代中期，人們逐漸完成對應(yīng)變電橋線路的改造和完善。實現(xiàn)了①零點平衡調(diào)整；②零點溫漂補償；③傳感器靈敏度調(diào)整；④靈敏度溫漂補償；⑤輸出一致性調(diào)整；⑥補償電阻非線性補償?shù)龋ㄈ鐖D14），從而使稱重傳感器的測量精度有了明顯的提高，極大地滿足了衡器和自動稱量技術(shù)發(fā)展的需要。
8、多功能應(yīng)變片與橋路網(wǎng)絡(luò)的簡化
隨著對應(yīng)變片和稱重傳感器的深入研究，人們除了繼續(xù)改進和提高各種溫度自補償性能外，還逐漸研制成功了彈性模量自補償應(yīng)變片、蠕變自補償應(yīng)變片。在此基礎(chǔ)上，還有可能制成具有溫度自補償和蠕變自補償或溫度自補償和彈性模量自補償?shù)碾p重功能的自補償應(yīng)變片，以及同時具有溫度-蠕變-彈性模量自補償三重功能自補償應(yīng)變片。若使用多功能自補償應(yīng)變片，將使傳感器橋路大大簡化（如圖15），這樣不僅可以提高生產(chǎn)效率，而且也有利于提高傳感器精度。
圖14 稱重傳感器橋路補償網(wǎng)絡(luò)圖 圖15 傳感器橋路的簡化
9、高溫應(yīng)變片與高溫稱重傳感器
隨著電子衡器和自動稱量技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，在我國鋼鐵等冶金部門對高溫稱重傳感器的需求量越來越大。高溫稱重傳感器過去長期需要國外進口，為了*，國內(nèi)有關(guān)單位在上世紀九十年代，采用玻璃纖維增強基底應(yīng)變片研制成功了可用于200℃和250℃的高溫稱重傳感器，并成功地用于鋼鐵冶金企業(yè)的高溫環(huán)境下的自動稱量。
10、稱重傳感器與秤體一體化、模塊化、集成化
長期以來，傳統(tǒng)的電子衡器都是由秤體、稱重傳感器、秤臺、承力傳力構(gòu)件、定位限位裝置等組裝而成。由于由這些零部件組裝式秤體結(jié)構(gòu)，通常都比較高大笨重、零部件多、安裝調(diào)試時間長、活動環(huán)節(jié)多、穩(wěn)定性可靠性差、生產(chǎn)效率低、成本較高等問題。二十世紀九十年代以來，隨著科技的進步，工業(yè)自動化水平的提高，各行業(yè)對所用的電子衡器的功能、性能、結(jié)構(gòu)等都提出了許多新的要求，其中zui主要的要求之一是小型化，即體積小、高度低、重量輕。人們從改變傳統(tǒng)由零部件組裝式秤體結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路出發(fā)，經(jīng)過多年的研究，研制出各種模塊化、集成化或部分集成化的結(jié)構(gòu)。先后出現(xiàn)了模塊化汽車衡、集成化稱重軌動態(tài)電子軌道衡、集成化稱重板動態(tài)公路車輛軸重秤等。在上述設(shè)計思想指導下，在電子吊鉤秤領(lǐng)域開發(fā)出集成化稱重鉤、稱重環(huán)型電子吊秤；電子平臺秤領(lǐng)域出現(xiàn)了部分集成化的閉合截面薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的輕便型電子平臺秤、支承與稱重傳感器一體化的電子軸重秤、可折疊和臺面可翻轉(zhuǎn)的電子平臺秤、薄型和超薄型滾動紙捆計量秤、碼垛秤等。與此為新型結(jié)構(gòu)衡器配套的稱重傳感器和稱重模塊等也都有了很大的發(fā)展。
11、模擬式稱重傳感器與數(shù)字型智能稱重傳感器
二十世紀九十年代以來，隨著數(shù)字技術(shù)和信息技術(shù)的高速發(fā)展，也促進了電子衡器的數(shù)字化和智能化的進程。早在1983年美國TOLEDO公司引入“數(shù)字化”概念，并致力于研究采用微處理器技術(shù)、數(shù)字補償技術(shù)與傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變式稱重傳感器相結(jié)合，研究開發(fā)出搖柱型數(shù)字智能稱重傳感器。STS公司也在1988年全美衡器展覽會上，推出整體型數(shù)字式智能稱重傳感器。數(shù)字式智能稱重傳感器，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)的重要部件。
傳統(tǒng)的稱重傳感器都是模擬式稱重傳感器，長期以來，人們的研究重點一直都集中在傳感器的硬件方面，例如，研發(fā)彈性體結(jié)構(gòu)、選取彈性體材料、改進制造工藝、采用應(yīng)變片和相應(yīng)的粘貼工藝、完善橋路補償和調(diào)整技術(shù)、實施防潮密封技術(shù)等。九十年代，稱重傳感器技術(shù)日臻完善。但是，由于模擬式傳感器具有輸出信號小、抗干擾能力差、傳輸距離短、稱重顯示儀表復雜以及組秤調(diào)試時間長等缺點，如何改善或克服這些缺點，始終是人們關(guān)心的問題。隨著數(shù)字技術(shù)和集成電路技術(shù)的發(fā)展，美、德等國的衡器公司，先后研制出數(shù)字型智能稱重傳感器。所謂智能傳感器，就是指能把具有一種或多種敏感功能，能夠完成信號檢測和處理、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。數(shù)字型智能稱重傳感器的主要特點是：（1）輸出信號大、抗干擾能力強、傳輸距離遠、信噪比高；（2）通過數(shù)字補償電路和數(shù)字補償工藝，可以進行非線性、滯后、蠕變等補償，有利于提高傳感器性能；（3）輸出信號規(guī)格化；（4）可內(nèi)置溫度傳感器，并通過補償軟件可進行實時溫度補償，穩(wěn)定性好；（5）各數(shù)字式智能稱重傳感器的地址可調(diào)，便于應(yīng)用和互換。
目前，數(shù)字型智能稱重傳感器有兩種結(jié)構(gòu)形式：一種是所謂分離型；另一種是整體型。分離型數(shù)字稱重傳感器，是指將內(nèi)置于整體型數(shù)字式稱重傳感器內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換等數(shù)字電路，移置于一個外部的接線盒內(nèi)，此接線盒通常稱為數(shù)字接線盒。于是，只要把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。而整體型數(shù)字型稱重傳感器（如圖16所示）就是在稱重傳感器內(nèi)，內(nèi)置放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器、溫度傳感器等敏感組件和數(shù)字處理電路，利用數(shù)字補償技術(shù)和工藝實現(xiàn)各項自補償、自校、自診斷、數(shù)據(jù)檢測及數(shù)據(jù)處理等功能等。
目前，市場上出現(xiàn)的各種數(shù)字型智能稱重傳感器，這是傳感器技術(shù)進步的象征，但是業(yè)內(nèi)專家們也提醒我們，有些產(chǎn)品與真正意義上的數(shù)字型智能稱重傳感器的功能還有較大差距，這也是我們今后必須努力的動力。
三、結(jié)語
前面簡要地回顧了電阻應(yīng)變式測力與稱重傳感器的發(fā)展歷程，介紹了各個不同階段的突出成就，隨著現(xiàn)代科技的日益發(fā)展，電阻應(yīng)變式稱重傳感器的應(yīng)用必將仍有廣闊的前程。
由于接觸的資料和了解情況比較少，以上有謬誤之處，敬請批評指正。
圖16 數(shù)字型智能稱重傳感器
參考文獻
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