应变式称重传感器技术现状与发展趋势

2017/09/11 点击量：

目前的研发热点是： 数字式智能称重传感器的数字补偿技术与补偿工艺，及其应用技术； 快速、低速动态、动态称重传感器的研制及阻尼技术； 高温称重传感器制造工艺，高温稳定性及应用技术； 耐压、防爆型称重传感器及耐压外壳设计与试验技术； 组件化设计的“即插即用”的新式称重模块； 利用钡和铌代替镍制作灵敏度温度补偿电阻的研究。 三、我国称重传感器技术现状及主要差距 尽管我国航空、航天工业部门早在20世纪50年代末期就开始研究应用应变式负荷传感器，但并未向民用发展。就全国而言，负荷传感器的研制与生产起步较晚，60年代只有几个厂家生产普通精度等级的应变式测力传感器。结构单一，只有圆柱、圆环两种结构，基本不进行电路补偿与调整，有的产品甚至用外部平衡箱调整零点。 80年代初，全国有20余个企业用资一亿元人民币，用汇1300万美元，从美、日等国引进应变式负荷传感器制造技术与工艺装备，进行学习、消化、吸收。经过仿制和试生产后，开始多品种小批量生产，推向市场后，取得相当可观的效益。当时人们对此产品的总结是：多品种、小批量、低成本、高收益、投资少、见效快。引起不少行业的个人和企业的关注，纷纷进入此行业，生产厂家从70年代的20多个迅速增加到100多个，年产量与日本相当，达到100多万只。 随着国民经济的发展，各行业对电子衡器的需求不断增加，极大的促进了称重传感器技术的发展。80年代中期到90年代中期，是我国称重传感器技术稳步发展，品种和规格迅速增加，产品质量不断提高的十年。不少厂家都改进或增加工艺装备、检测仪表，购置智能温度补偿装置和灵敏度温度补偿设备，实现了规模化生产。90年代中期称重传感器生产企业增加到160多个，年产量200多万只。除满足国内市场需求外，十余个企业开始小批量出口，呈现出较好的发展势头。 尽管称重传感器是国家强制管理的法制计量器具，应当比较难进入此行业，但由于种种原因导至一些企业和个人很容易进入，造成市场拥挤，加剧了市场竞争。终于在90年代中期爆发了价格大战，谁的价格低，谁就是大赢家，而且逐年升级越演越烈，已经到了走火入魔的程度。价格大战的恶果是技术进步缓慢，工艺水平下降，质量问题严重，管理监督失控。最初的受害者是广大用户，最终的受害者是企业自己，是整个称重传感器行业。带着这些问题进入21世纪，称重传感器与工业发达国家的差距非但未缩小，反而加大了。近几年国家监督抽查结果就是例证。 2002年国家监督抽查7省市，16个企业，共48只称重传感器，合格18只，合格率37.5%。30只不合格产品来自10个企业，不合格原因全部是温度性能超差。更为严重的是在16个企业中，只有一个企业严格执行国家标准。如果变抽查为全面检查，合格率会更低。国家监督抽查结果真实的反应了我国称重传感器总体技术、工艺和管理水平 。合格率低的主要原因是：质量意识差，不依法组织生产；对R60国际建议和国家标准不理解、不执行，错误的把0.02级与C3级等同起来；在利益驱使下改材料、换元件、减工艺，只求勉强合格或人为合格。 我国称重传感器与工业发达国家处于市场引导地位企业产品的主要差距是： （1）结构类型偏少，品种规格不全，特种用途产品奇缺； （2）准确度等级较低，C3级成功率不高； （3）稳定性和可靠性较差，返修率高，工作寿命低； （4）产品标准化、工程化水平和企业产业化程度较低，产品技术指标的均一性差； （5）外观质量虽有提高，但仍有较大差距； （6）工艺装备、检测手段不够先进且不配套，生产工艺中手工操作、人为控制成份大，“作坊手艺”痕迹较深，人为因素对产品质量影响较大； （7）创新产品和自主知识产权产品少，低水平重复产品多，贴牌加工、直接出口产品少； （8）企业没有核心竞争技术和产品，市场调查不够，市场响应速度太慢，造成无法与国际市场融合。 总之，制造工艺差距最大，通常将制造工艺分为： 支持工艺一一弹性体锻造、机械加工、热处理和表面处理等； 基础工艺一一电阻应变计、应变粘结剂、电路补偿元器件和防护密封材料等； 核心工艺一一电阻应变计粘贴与固化、零点与灵敏度智能温度补偿和防护与密封等； 特殊工艺一一热处理法时效工艺和机械法稳定处理工艺等。 其中基础工艺和特殊工艺差距最大。 家用电子秤（人体秤、健康秤、脂肪秤、厨房秤、营养秤、珍宝秤、口袋秤和手提秤等）用称重传感器及其电阻应变计，90年代中期以来，其研发与生产由世界各国逐渐移向中国，主要在广东、在深圳。近些年来在设计技术、制造工艺和产品产量上都取得了令人震惊的飞速发展。生产企业有三种类型：其一设计、生产、组装各种家用电子秤；其二为家用电子秤生产厂配套生产各种称重传感器（或自己生产电阻应变计，或外购电阻应变计）；其三只生产家用电子秤称重传感器用电阻应变计。目前这三种类型的生产厂家已达60多个。据国家海关统计2003年家用电子秤出口量3860多万台，出口值1.47亿美元，并以每年30％的速度增长。当时预计2004年家用电子秤出口量5000多万台，出口值2亿多美元。以此出口量计算，2004年共生产家用电子秤称重传感器共1.2亿只，与其配套的电阻应变计（以单轴片计算）约4.8亿片。 经过多年的研究与生产实践，解决了称重传感器量程小、弹性体小、电阻应变计敏感栅尺寸小等制造工艺上的难题。由于家用电子秤称重传感器的准确度为普通等级，不进行电路补偿，必需大批量生产，一般中型以上的生产厂日产电阻应变计12万片以上，称重传感器3万多只。他们用高质量的温度和模量自补偿电阻应变计较好的解决了这一难题，为大批量生产家用电子秤称重传感器创造了条件。 四、近年来称重传感器技术发展动向 国际上主要有两种发展途径：以美国为代表的先军工后民用，先提高后普及的途径和以日本为代表的实用化商品化，先普及后提高的途径。我国应属于后者，尽管军工部门研究应用较早，但并未转为民用，快速发展和普及还是在近20年。近几年是关键时期，急需提高我国称重传感器的总体技术、工艺和质量水平。 国际称重传感器技术的发展动向是，把称重传感器的准确度、稳定性和可靠性作为极其重要的质量指标，把制造技术和制造工艺作为核心竞争力，紧紧抓住称重传感器的特性问题、生产问题和应用问题进行基础研究、工艺研究和应用研究，其研究方向和特点是： （1）在产品结构设计与制造工艺中，吸取了工程化产品设计中的计算机拟实技术和虚拟技术，加快开发速度，减少开发风险； （2）在弹性体加工中，从单元加工技术发展到集成化加工技术；从刚性制造发展到柔性制造；从简单化经验判断发展到智能化定量分析。普遍采用柔性制造单元和柔性制造系统； （3）生产工艺已不是传统关念中的“作坊手艺”，而是技术与管理相结合的一项系统工程。为适应多品种、大批量生产，保证产品技术性能的均一性，生产工艺必须向尽量减少手工操作、人为控制，增加半自动化和自动化工序方向发展。例如：采用计算机控制，人机一体化工艺系统和测试技术网络化信息系统等； （4）与稳定性和可靠性有关的稳定处理工艺在高温处理，低温深冷，脉动疲劳，超载静压等方法的基础上，又研究出振动时效、共振时效新工艺，共振10分钟，可消除绝大部分残余应力。 在上述设计与制造技术支持下，称重传感器的品种和结构又有创新，技术功能和应用范围不断扩大，主要成果有： （1）美国Revere公司研制出PUS型具有大气压力补偿功能的拉压两用的称重传感器，用于高准确度检验平台，称重平台，准确度可达5000d； （2）德国HBM公司研制成功C2A、C16A两种不同结构的1一100t具有“耐压外壳”保护的防爆称重传感器，其防爆性能符合欧洲EN50014和EN50018“d”级标准； （3）美国斯凯梅公司研制出新一代高准确度不锈钢F60X系列5一5000kg称重传感器，准确度6000d。用于湿度大，腐蚀性强的环境中，而且防水； （4）德国塞特内尔公司研制出以铍青铜为弹性体材料，快速称重用200型称重传感器。其特点是线性好，固有频率高，动态响应快。独创油阻尼装置与过载保护装置一体化，保证称量时速度快，工作寿命长。组装3一30kg电子平台秤，准确度可达4000d； （5）美国THI公司研制的1410型5一30kg铝合金称重传感器，准确度等级优于C3级，可承受离心力和机械振动，内装特制的粘性阻尼器，保证称量时有较快的稳定时间，一般低于50ms； （6）美国VT一BLH公司开发出新式称重模块，具有合理的组件化功能和极高的称重效率，出厂后“即插即用”，可自动调节位置，不受搅拌，偏心和振动影响。 仅以上几例，足以代表了新产品的开发方向，体现了技术的先导性，工艺的先进性。就技术含量而言，有高准确度（4000d一6000d）称重传感器制造技术；大气压力补偿技术；用于快速、动态测量称重传感器的粘性阻尼器快速稳定技术；隔爆型耐压外壳的设计与制造技术；组件化新式模块设计技术等。 五、称重传感器技术的发展趋势 应变式称重传感器的发展趋势，可用“四化”来概括，即设计技术虚拟化，制造技术柔性化，生产工艺网络化，企业管理信息化。 设计技术虚拟化：包括弹性体结构设计的拟实技术和工艺设计的虚拟技术。结构设计的拟实技术：是指面向弹性体的结构和性能分析技术，包括动态仿真、动力学分析、强度和刚度有限单元法计算、敏感区应变大小与分布等，以达到优化设计的目的。 工艺设计的虚拟技术：是指面向弹性体生产过程的模拟和试验，检验弹性体的可加工性，加工方法和工艺的合理性，保证制造工艺最佳化。 设计技术虚拟化的核心是有限单元计算和计算机动态仿真。通过仿真软件来模拟真实受载情况，发现并及时处理设计和工艺缺陷或错误，以确保结构设计和生产工艺的合理性。 制造技术柔性化：是指在多品种、大批量生产的弹性体加工中，纳入先进的制造技术：柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统。它是计算机技术、信息技术、自动控制技术等与传统的制造技术相结合形成的全新的制造系统。 生产工艺网络化：是指在生产工艺全过程中，通过通讯线路和设备把各生产工序具有独立操作和控制功能的计算机系统相互连接起来，在网络软件管理下，实现信息的收集、存储和处理。与传统的“作坊手艺”生产工艺相比，大大的减少了手工操作，最大限度的排除了人为因素对产品质量的影响。 企业管理信息化：是指按计算机处理的要求，依据结构化系统分析和设计方法，建立企业信息系统，实现企业管理全面现代化。包括CAD、CAM系统，生产管理系统，商务决策系统和经营管理系统等。 为适应电子称重技术从静态称重向动态称重发展；计量方法从模拟测量向数字测量发展；测量特点从单参数测量向多参数测量发展，以及电子衡器对称重传感器的新要求，以下课题将是今后一个时期的研发重点： 快速、低速动态和动态称重传感器及其阻尼技术； 多功能、多分量称重传感器及其测试方法； 微小和超大量程称重传感器； 防爆、耐压、耐腐蚀等称重传感器； 偏心载荷测量及车载秤用称重传感器； 大阻值低功耗高精度电阻应变计研制等。 分析近年来电子衡器对称重传感器的新要求，不难得出小型化，集成化，多功能化和智能化将是称重传感器的重要特点和发展趋势。 小型化：是指称重传感器总体结构体积小、高度低、重量轻，即小、薄、轻。例如：30t、60t弯曲环式结构，其外形尺寸分别为外径120mm和150mm，高度只有50mm和60mm。 集成化：有结构集成和功能集成两种形式。结构集成是指弹性体与秤体合二为一的新型结构，例如：称重板、称重轨、称重钩、称重环等。功能集成是指将重量信息采集、放大、变换、传输、处理和显示都集于一体的称重传感器，例如：将敏感元件（弹性体）、转换元件（电阻应变计）、信号处理电路和称重显示控制都集于一体的轮辐式称重传感器，其数字显示位置就在传统轮辐式称重传感器的接线盒处，通常称为轮辐式称重仪。 多功能化：是指称重传感器本身除具有检测重量信息的功能外，还能同时检测其它信息。例如：电子吊秤用称重传感器在检测重量信息的同时还可检测加速度信息；汽车检测平台用称重传感器，可同时检测垂直方向的重量信息和水平方向的侧向载荷，即多分力测量。 智能化：是由于模拟式称重传感器输出信号小，抗干扰能力差，传输距离短，称重显示控制仪复杂，组秤调试周期长，根本不适应数字式智能电子衡器的发展。称重传感器的智能化就是研制新型数字式智能称重传感器。有两种结构：整体型一一在称重传感器内部增加放大、滤波、A/D转换器、微处理器、温度传感器等数字处理电路，利用数字补偿技术与工艺实现各项补偿。分离型一--将整体型数字式智能称重传感器内的数字电路置于外部接线盒内，称为数字模盒。将普通模拟式称重传感器接入数字模盒，就可变模拟输出为数字输出，通常将其称为分离型数字称重传感器系统。 数字式智能称重传感器具有如下特点： （1）输出信号大，抗干扰能力强，传输距离远，信噪比高； （2）通过数字补偿电路和数字补偿工艺，可进行线性、滞后、蠕变等补偿，改善了性能； （3）输出信号规格化； （4）内装温度传感器，通过补偿软件可进行实时温度补偿，稳定性好； （5）各数字式智能称重传感器的地址可调，便于应用与互换。 什么是智能传感器，在各国相关杂志上讨论多年，20世纪90年代中期才有比较一致的看法：把凡具有一种或多种敏感功能，能够完成信号探测和处理、逻辑判断、双向通讯、自检、自校、自补偿、自诊断和计算等全部或部分功能的器件叫做智能传感器。它可以是集成的，也可以是分离件组装的。数字式智能称重传感器完全符合此定义。今后一个时期，智能化数字补偿技术和工艺还需进一步完善和提高。 最后希望我国称重传感器行业，尽快结束疯狂的价格大战 ，实施“质量竞争战略”和21世纪的“创新竞争战略”，以制造技术和制造工艺为突破口，迅速提高我国称重传感器的总体质量水平和信誉度，培养叫得响，用得好，站得住的名牌产品，尽快融入国际市场，参与国际竞争。