本文主要闡述了地磅稱重傳感器技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀以及稱重傳感器彈性元件在 設(shè)計時應(yīng)注意的問題。根據(jù)應(yīng)力集中的原則，指出了彈性元件上電阻應(yīng)變計粘貼的合理位置。 分析了彈性元件的制造過程中各個環(huán)節(jié)對稱重傳感器性能的影響。對合理設(shè)計彈性元件的結(jié) 構(gòu)，提高稱重傳感器整體性能指標(biāo)和產(chǎn)品質(zhì)量有充分的參考依據(jù)。

一、前言

現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)是信息的采集、傳 輸和處理技術(shù)，即傳感技術(shù)、通信技術(shù)和計算機 技術(shù)，它們分別構(gòu)成了信息技術(shù)系統(tǒng)的“感官”、 “神經(jīng)”和“大腦”。信息采集系統(tǒng)的首要部件是 傳感器，且置于系統(tǒng)的最前端。在一個現(xiàn)代自動 檢測系統(tǒng)中，如果沒有傳感器，就無法監(jiān)測與控 制表征生產(chǎn)過程中各個環(huán)節(jié)的各種參量，也就無 法實現(xiàn)自動控制。在現(xiàn)代技術(shù)中，傳感器實際上 是現(xiàn)代測試技術(shù)和自動化技術(shù)的基礎(chǔ)。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，傳感器也得到了日益 廣泛的應(yīng)用。工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航空航天、軍事國防，從陸地到海洋，從天空到太空，從各種復(fù)雜的工 程系統(tǒng)到生活的衣食住行，幾乎每一個現(xiàn)代化項 目都離不開各種類型的傳感器。作為信息采集和信息傳遞的主要構(gòu)成要素，傳感器已經(jīng)成為現(xiàn)代 信息技術(shù)系統(tǒng)三大支柱之一。這也是許多工業(yè)發(fā) 達(dá)國家把傳感器技術(shù)作為未來科學(xué)研究與發(fā)展重 點的一個重要原因。

二、稱重傳感器的發(fā)展及現(xiàn)狀

自從1856年英國貴族Kelvin (開爾文）在鋪 設(shè)大西洋海底電纜時，發(fā)現(xiàn)并得出結(jié)論：金屬絲 在機械應(yīng)變作用下產(chǎn)生電阻變化，其應(yīng)變與電阻 變化存在函數(shù)關(guān)系，可用來電橋測量電阻變化.

這也是后來開展電阻應(yīng)變測量方法的基本原理。 1938年美國加利福尼亞理工學(xué)院教授E.Simmons 灑蒙斯和麻省理工學(xué)院教授A.Ruge (魯奇）分 別同時研制出紙基絲繞式電阻應(yīng)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(yīng)變式負(fù)荷傳感器奠 定了理論和物質(zhì)基礎(chǔ)。1940年美國BLH公司和 Revere公司總工程師A. Thurston (瑟斯頓）利用 SR- 4型電阻應(yīng)變計研制出圓柱結(jié)構(gòu)的應(yīng)變式負(fù)荷 傳感器，用于工程測力和稱重計量，成為應(yīng)變式 負(fù)荷傳感器的創(chuàng)始者。1942年在美國電阻應(yīng)變式 負(fù)荷傳感器已經(jīng)大量生產(chǎn)，至今已有70多年的歷 史。90年代，由于稱重傳感器的設(shè)計與計算等基 本技術(shù)趨于成熟，稱重傳感器的發(fā)展側(cè)重于工藝 研究和應(yīng)用研究，在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、工程 化設(shè)計和規(guī)?；a(chǎn)工藝等方面都有很大進(jìn)步。

由于電子稱重技術(shù)的迅速發(fā)展，負(fù)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(zhǔn)確度等級的電子衡器需要，急需與電子衡器 準(zhǔn)確度評定方法相適應(yīng)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(dǎo)秘書處 決定將用于質(zhì)量計量和力值測量的負(fù)荷傳感器徹 底分開，由美國負(fù)責(zé)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(zhǔn)，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(jìn)入國際市場的“通行證”。

在我國，盡管航空、航天工業(yè)部門早在20世 紀(jì)50年代末期就開始研究及應(yīng)用電阻應(yīng)變式負(fù)荷 傳感器，但并未向民用發(fā)展。就全國而言，負(fù)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)普通精度等級的電阻應(yīng)變式測力傳感器。 結(jié)構(gòu)單一，基本不進(jìn)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1億元人民幣，用匯1300萬 美元，從美、日等國引進(jìn)應(yīng)變式負(fù)荷傳感器制造 技術(shù)與工藝裝備，進(jìn)行學(xué)習(xí)、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，取得了相當(dāng)可觀的效益。稱重傳感器盡 管是國家強制管理的法制計量器具，應(yīng)當(dāng)比較難 進(jìn)入此行業(yè)，但由于種種原因?qū)е乱恍┢髽I(yè)和個 人很容易進(jìn)入，造成市場擁擠，加劇了市場競爭。 終于在90年代后期爆發(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，己 經(jīng)到了走火入魔的程度。價格大戰(zhàn)的惡果是技術(shù) 進(jìn)步緩慢，工藝水平下降，質(zhì)量問題嚴(yán)重，管理 監(jiān)督失控。帶著這些問題進(jìn)入21世紀(jì)，稱重傳感 器與工業(yè)發(fā)達(dá)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)果和終端客戶的反饋 就是很好的例證。

因此，如何提高我國傳感器的性能和質(zhì)量， 迫在眉睫。本文從稱重傳感器彈性元件的結(jié)構(gòu)設(shè) 計、制造方面的因素對稱重傳感器性能的影響， 進(jìn)了分析研究，試圖找到提高稱重傳感器設(shè)計和 制造質(zhì)量的方法，為提高我國稱重傳感器的競爭 力提供一些參考。

三、彈性元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

彈性元件的形式是根據(jù)稱重傳感器的量程的 大小來確定，一般常見的形式有：懸臂梁式、剪 切梁式、雙孔彎曲梁式、柱式、扭環(huán)式等。彈性 元件的設(shè)計基本屬于機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的范圍，但因 測力性能的需要，其在結(jié)構(gòu)上與普通的機械零件 和構(gòu)件有所不同。一般說來，普通的機械零件和 構(gòu)件只須滿足在足夠大的安全系數(shù)下的強度和剛 度即可，對在受力條件下零件或構(gòu)件上的應(yīng)力分 布情況不必嚴(yán)格要求。然而，對于彈性元件來說， 除了需要滿足機械強度和剛度要求以外，必須保 證彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變片部位的應(yīng)力（應(yīng)變> 與彈性元件承受的載荷（被測力）保持嚴(yán)格的對 應(yīng)關(guān)系撮好是線性關(guān)系）；同時，為了提高測力 傳感器測力的靈敏度，還應(yīng)使電阻應(yīng)變計貼片部 位達(dá)到較高應(yīng)力狀態(tài)，彈性元件的設(shè)計必須滿足 以下兩項要求：）貼片部位的應(yīng)力（應(yīng)變）應(yīng)與 被測力保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系；2貼片部位應(yīng)具有 較高的應(yīng)力（應(yīng)變） 水平。

為了滿足上述兩項要求，在測力傳感器的彈 性元件設(shè)計方面，應(yīng)用“應(yīng)力集中”的設(shè)計原則， 確保貼片部位的應(yīng)力（應(yīng)變）水平較高，并與被 測力保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，以提高所設(shè)計測力傳 感器的測力靈敏度和測力精度。

目前，稱重傳感器彈性元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，國 內(nèi)沒有成熟的理論計算方法。為了對稱重傳感器彈性元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計、應(yīng)力場的分布狀況和變形 狀態(tài)、貼片位置的合理性等情況有一個比較全面 的了解，目前的辦法是先用材料力學(xué)的公式進(jìn)行 初步計算、確定尺寸、再利用先進(jìn)的計算機輔助 設(shè)計手段一有限元分析法，或光彈性和電阻應(yīng) 變片試驗方法，對稱重傳感器工作應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行 全面的應(yīng)變分析。其目的在于：確定在載荷作用 下最大應(yīng)變的確切部位；了解在有偏心及其他載 荷作用時引起的輸出偏差；根據(jù)分析得出的應(yīng)變 場數(shù)據(jù)粘貼補償片進(jìn)行調(diào)整；計算出偏心、側(cè)向 附加力對電橋的影響，進(jìn)而確定相互干涉最小的 貼片方式；分析貼片誤差、彈性元件尺寸誤差等 對輸出造成的影響。

稱重傳感器的工作頻率由彈性元件及粘貼其 上的電阻應(yīng)變計決定，電阻應(yīng)變計的頻率響應(yīng)是 很高的，通常根據(jù)彈性元件確定工作頻率。在設(shè) 計動態(tài)下使用的稱重傳感器時，應(yīng)盡量提高它的 固有頻率。彈性元件固有頻率的計算公式為：

式中：K-單位位移需要的力值； m-彈性元件的相對質(zhì)量。

由上可見：

(1）彈性元件的固有頻率取決于彈性元件的形 式、某些尺寸及材料的彈性模量E與密度p。彈 性模量E越大，密度p越小，彈性元件的固有頻 率越高。

(2）彈性元件中的某些尺寸不影響固有頻率值， 如圓柱式彈性元件的橫切面尺寸、圓環(huán)式彈性元 件的寬度。由于這些尺寸決定了彈性元件上應(yīng)變 敏感元件處的應(yīng)變值，因此可以根據(jù)稱重傳感器 靈敏度的要求選擇這些尺寸，設(shè)計出既能滿足工 作頻率又具有較高靈敏度的稱重傳感器。

(3）固有頻率取決于彈性元件運動部分的質(zhì)量。 運動部分包括彈性元件及其連接件，在設(shè)計時也 必須盡量減少這部分附加部件的質(zhì)量。

四、彈性元件的制造加工因素對傳感器性能 的影響

在額定載荷作用下，彈性元件應(yīng)變區(qū)的應(yīng)變 程度，對稱重傳感器的線性、滯后、蠕變和疲勞壽命都有較大影響。實際上，保證應(yīng)變穩(wěn)定并與 載荷成較嚴(yán)格線性關(guān)系的應(yīng)變范圍，它與彈性元件所用的材料密切相關(guān)。

提高彈性元件應(yīng)變的穩(wěn)定性是提高傳感器的 整體穩(wěn)定性的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。因此彈性元件的材料 不僅是結(jié)構(gòu)材料而且是功能材料。一般來講，彈 性元件采用的金屬材料除了對化學(xué)成份和冶煉條 件嚴(yán)格要求外，還要有優(yōu)良的綜合性能，在保證 彈性和應(yīng)力的同時，盡量選用抗塑變形（彈性滯 后)能力高的材料，且材料的純度要高，成份的 均勻性要好。選擇彈性材料時，還應(yīng)特別注意材 料的彈性模量E以及材料的彈性后效（蠕變）和 熱彈性效應(yīng)對稱重傳感器性能的影響。因此材料 選擇及成份的確定是第一步；其次，熱處理工藝 和與應(yīng)變片的匹配成為關(guān)鍵點。

(一）彈性元件的材料性能、熱處理工藝對傳 感器性能的影響

稱重傳感器是技術(shù)、工藝密集型產(chǎn)品，性能 的一致性需要合理嚴(yán)格的工藝作保障，熱處理工 藝在稱重傳感器的生產(chǎn)中是十分重要的。以不銹 鋼稱重傳感器為例的熱處理工藝流程為：清洗— 固溶處理—深冷處理—時效處理。熱處理工藝的 冷卻介質(zhì)為水冷、油冷或強制惰性氣體冷卻，冷 卻速率有很大區(qū)別，同時要考慮彈性元件尺寸的 大小，降溫速率要有所不同，使冷卻速度達(dá)到相 應(yīng)要求，固溶時的冷卻介質(zhì)、冷卻速度對稱重傳 感器的指標(biāo)影響很大，工藝參數(shù)不合理對稱重傳 感器指標(biāo)是有害的。

目前，稱重傳感器的彈性元件材料主要分為 三類：鋁合金（LY12、合金鋼（40CrNiM)A、 不銹鋼（0Cr17Ni4Cu4NB)，前兩種材料應(yīng)用最為 普遍，加工工藝、熱處理工藝、制作工藝已十分 成熟。以不銹鋼作為彈性元件材料的稱重傳感器， 可以進(jìn)行金屬膜片焊接密封，具有防腐、防爆、 高可靠性、高穩(wěn)定性的特點，在腐蝕性場合、食 品、化工等行業(yè)，將成為合金鋼稱重傳感器的替 代品，市場容量逐漸擴大。但目前國內(nèi)不銹鋼稱 重傳感器的研究、生產(chǎn)處于初級階段，市場需求 量不大，還沒有形成大批量生產(chǎn)不銹鋼稱重傳感 器的市場規(guī)模，不銹鋼稱重傳感器準(zhǔn)確度低，達(dá) 到GB/T 7551-2008《稱重傳感器》國家標(biāo)準(zhǔn)和JJG669-2003《稱重傳感器》計量檢定規(guī)程中C3級的 比率低，只有部分形式及規(guī)格的不銹鋼稱重傳感 器可以做到高準(zhǔn)確度等級。其原因是不銹鋼稱重傳感器制造成本高，國內(nèi)廠家對不銹鋼稱重傳感 器的制造技術(shù)研究不夠，沒有完全掌握。

沉淀硬化型不銹鋼的特點之一是其彈性后效 (蠕變)大，尤其體現(xiàn)在小量程剪切梁稱重傳感器 上，若不采取其他措施使用普通應(yīng)變計貼片，稱 重傳感器的滯后指標(biāo)為± 0.030%F.S左右，若再加 上金屬膜片焊接后對滯后指標(biāo)影響± 0.01%F.S左 右。顯然，大于± 0.030%F.S的滯后指標(biāo)，稱重傳 感器的最大誤差不易達(dá)到GB/T 7551-2008《稱重 傳感器》國家標(biāo)準(zhǔn)和OIML R60國際建議中規(guī)定的 C3級要求。隨著量程的增加，相同量程的不銹鋼 與合金鋼稱重傳感器的滯后指標(biāo)區(qū)別不大。因此， 對于小量程不銹鋼稱重傳感器需對滯后指標(biāo)進(jìn)行 補償，通過專用應(yīng)變計進(jìn)行滯后補償成為一種特 殊的補償技術(shù)。該技術(shù)實現(xiàn)了不銹鋼稱重傳感器 滯后指標(biāo)的調(diào)整，使滯后補償可以像蠕變補償那 樣，通過選用不同補償量的應(yīng)變計進(jìn)行補償，經(jīng) 過匹配試驗，可保證產(chǎn)品的線性、滯后、蠕變性 能指標(biāo)控制在± 0.02%F.S以內(nèi)，并可以達(dá)到GB/T 7551-2008《稱重傳感器》國家標(biāo)準(zhǔn)和OIMLR60 國際建議中規(guī)定的C3級要求。

綜上所述，不銹鋼稱重傳感器彈性元件選擇 0Cr17Ni4Cu4Nb沉淀硬化型不銹鋼材料，應(yīng)控制 其材料成份和含量，通過嚴(yán)格合理的熱處理工藝 作保證，盡量降低鐵素體含量，使綜合機械性能 達(dá) 到 彈 性 元 件 要 求 。 彈 性 元 件 材 料 0Cr17Ni4Cu4Nb的熱處理工藝成為關(guān)鍵點。經(jīng)過 大量試驗證明，要獲得合格的均勻的金相組織， 達(dá)到要求的機械性能，不銹鋼稱重傳感器的彈性 元件采用真空固溶、深冷、真空時效效果最佳。

(二）彈性元件切削加工過程中的殘余應(yīng)力對傳感器性能的影響

彈性元件中殘余應(yīng)力，主要來自原材料在乳 制或拉制工藝成形過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力；在熱 處理過程中，由于冷卻溫度不均勻和相變而產(chǎn)生 的殘余應(yīng)力；在機械加工中，因切削力作用而產(chǎn) 生的殘余應(yīng)力。刨、銑、車、磨等機械加工，使 彈性元件表面變形不均勻，而產(chǎn)生較大的殘余應(yīng) 力，切削用量越大，表面的殘余應(yīng)力越大。車削 加工時不同進(jìn)刀量軸向和徑向的殘余應(yīng)力也不相 同，在彈性元件表面為最大殘余拉應(yīng)力，距表面 約40m?80m深處為最大殘余壓應(yīng)力。磨削加工 時產(chǎn)生的殘余應(yīng)力最大，磨削深度越大，產(chǎn)生的 殘余應(yīng)力就越大，其最大殘余應(yīng)力位于距表面約 20m?40m處。綜合刨、銑、車、磨四種機械加工 方法產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。彈性元件在切削加工過程 中產(chǎn)生的應(yīng)力特征主要表現(xiàn)為：（1）最大殘余應(yīng) 力位于彈性元件表面距深處約20u m?100u m 處。?殘余應(yīng)力衰減很快，在深度為200M m 處已很小。（3)切削用量越大，殘余應(yīng)力越大。（4 )彈性元件精加工為磨削加工時，殘余應(yīng)力最大， 其值可達(dá)到900N/mm2。為提高彈性元件的加工精 度，宜采用先進(jìn)的數(shù)控加工工藝提高加工質(zhì)量。 熱處理后彈性元件的精加工盡量不采用磨削加工。

彈性元件切削加工后在彈性元件表面形成變 質(zhì)層，使其組織處于不穩(wěn)定狀態(tài)，隨著時間的變 化內(nèi)應(yīng)力松弛，而導(dǎo)致尺寸變化，彈性和疲勞壽 命降低。彈性元件任何幾何形狀的改變，必然伴 隨出現(xiàn)一定程度的非線性影響，將造成稱重傳感 器的非線性誤差。

(三 )彈性元件的形位誤差對傳感器性能的影響

稱重傳感器一般設(shè)計成只受垂直方向的載荷， 而對側(cè)向載荷不敏感，或把力矩和側(cè)向載荷的影 響限制在規(guī)定的誤差范圍內(nèi)。這樣稱重傳感器的 輸出僅僅取決于沿主軸或與主軸平行的載荷的大 小，這就要求彈性元件具有較高的尺寸精度和形 位精度，同時保證應(yīng)變片粘貼位置的準(zhǔn)確性和對 稱性。實際上彈性元件的制造精度是有一定限度 的，總存在一定的尺寸、形位誤差。所以，稱重 傳感器對迭加在主分量上的力矩和側(cè)向載荷都是 敏感的，而側(cè)向靈敏度的大小和方向不能預(yù)先知 道，且結(jié)構(gòu)量程不同，靈敏度也不同。側(cè)向靈敏 度與彈性元件的形位誤差和應(yīng)變片粘貼位置有關(guān)。 有試驗證明，若有額定載荷5%側(cè)向載荷存在，對 高精度的稱重傳感器，側(cè)向靈敏度的影響會出現(xiàn) 滿量程± 0.1%的誤差；對于一般精度的稱重傳感 器，此誤差可達(dá)± 0.6%。因此，為降低稱重傳感 器的側(cè)向靈敏度，彈性元件的制造和應(yīng)變片粘貼 應(yīng)注意以下幾點：

(1)結(jié)構(gòu)設(shè)計時保證傳感器的輸出僅僅取決于 沿彈性元件主軸或與主軸平行的的載荷。

(2)軸對稱型的稱重傳感器的彈性元件，制造 時應(yīng)保證主軸與上下端面及下壓墊的垂直度精度要求，并且通過彈性元件的中心。

(3)保證彈性元件內(nèi)外圓的同軸度精度要求。

(4)機械加工時盡量保證彈性元件的形位誤差 在同一方向上的一致性。

(5)應(yīng)變片粘貼時保證位置和方向的定位精度 和對稱性，盡量不要偏離中心線。

(四)彈性元件的表面質(zhì)量和硬度對傳感器性 能的影響

通常稱重傳感器有兩個承受載荷的接觸面， 即引入載荷的接觸面和傳遞載荷的接觸面。對于 承受壓向載荷的稱重傳感器，兩個承受載荷的接 觸面為彈性元件的上平面（有時設(shè)計成球勵和 下底面。與稱重傳感器的上壓頭、下壓墊接觸的 面都影響載荷的引入與傳遞。一般要求上壓頭的 硬度小于彈性元件的硬度，但不能太低，因為壓 頭的硬度越低，彈性元件的表面粗糙度越大，在 較小的載荷下會產(chǎn)生較大的變形，會使合力的作 用點發(fā)生變化，從而引起稱重傳感器靈敏度的變 化。此外，英國物理實驗室測力研究室，用環(huán)氧 樹脂模型進(jìn)行接觸面粗糙度影響試驗得出：接觸 面表面粗糙度越小，載荷傳遞性能越好，輸出就 越大。

五、結(jié)論

根據(jù)上述對稱重傳感器彈性元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計 和制造精度對稱重傳感器性能的影響分析，在設(shè) 計和制造加工彈性元件時要做到：應(yīng)保證應(yīng)力場 分布使電阻應(yīng)變計貼片區(qū)處于最高應(yīng)力水平，提 高稱重傳感器的靈敏度；應(yīng)減小彈性元件的承載 接觸面積，利于降低稱重傳感器的滯后和非線性 誤差影響；應(yīng)變區(qū)域應(yīng)對稱，貼電阻應(yīng)變計時也 應(yīng)對稱，增加稱重傳感器輸出，提高靈敏度；彈 性元件制造選材要嚴(yán)格控制材料的化學(xué)成份、組 織結(jié)構(gòu)，采用合理的熱處理工藝，提高彈性元件 的綜合機械性能，彈性后效（蠕變）大的材料要 進(jìn)行貼片補償，減小稱重傳感器的滯后誤差；通 過嚴(yán)格的熱處理工藝，降低或消除內(nèi)應(yīng)力，減小 稱重傳感器的非線性誤差；確保較高的形位精度， 降低稱重傳感器的側(cè)向靈敏度，減小滿量程誤差; 降低彈性元件的表面粗糙度，提高彈性元件的傳 力效果，增加稱重傳感器的輸出量.