称重传感器的发展历史

美国加利福尼亚理工学院教授E.Simmons和麻省理工学院教授A.Ruge分别同时研制出纸基丝绕式电阻应变计，命名为SR-4型，由美国BLH公司专利生产，同时也使BLH公司成为利用SR-4型电阻应变计制造传感器的创始者。1940年美国军事工程部门和Revere公司总工程师A.Thurston分别把电阻应变计技术应用于军事工程的电子测力和称重计量领域，研制出应变式负荷传感器。1942年在美国应变式负荷传感器已经大量生产，至今已有60多年历史。这期间经过种种改进和发展，负荷传感器的准确度从研制初期的百分之几量级提高到千分之几、万分之几量级，并以其结构简单、使用方便、准确度高、频率响应快、稳定性好、工作寿命长、几乎不用维修等特点，广泛应用于各种测力装置和电子称重系统。经过60多年的变迁，尽管负荷传感器的弹性体结构、几何形状和尺寸发生了不小变化，原材料、元器件，制造技术与工艺都有较大改进和提高，应用研究也取得了许多成就，但其基本构思、基本原理和基本工艺仍然证明是合理的可靠的。负荷传感器技术的几个发展时期和起决定性作用的技术创新是值得认真研究和总结的，它对未来称重传感器技术的发展和确立技术研究课题都有指导作用。称重传感器1952年英国学者杰克逊首先研制出金属箔式电阻应变计，为负荷传感器提供较理想的转换元件。并创造了用热固胶粘贴电阻应变计的新工艺，提高了负荷传感器的准确度和稳定性，促进了负荷传感器技术的发展。1973年美国学者霍格斯特姆为克服利用拉伸、压缩和弯曲应力的正应力负荷传感器的诸多缺点，提出了不利用弹性体正应力，而利用切应力的理论，设计出圆截工字型截面悬臂剪切梁式负荷传感器，打破了传统的柱、筒、环、梁结构正应力负荷传感器的一统天下。剪切式负荷传感器以其灵敏度对加力点变化不敏感、拉向和压向灵敏度对称性好、抗偏心和横向负荷能力强、结构简单紧凑、尺寸小等特点形成了一个新的发展潮流，极大的推动了负荷传感器技术的发展。1974年日本学者大井光四郎利用平面问题的有限单元法分析电阻应变计的应变传递，优化结构设计。德国学者埃多姆和美国学者斯坦因分别利用建立弹性体力学模型，采用有限单元计算分析弹性体的应力场、位移场，求得最佳化设计，为利用现代化科技手段设计与计算负荷传感器开辟了新途径。1975年前后，为满足低容量电子计价秤发展的需要，美、日等国研制出铝合金不变弯矩原理的平行梁结构负荷传感器。虽然它利用的是平行梁表面的弯曲应力，应属于正应力类型，但因其不变弯矩原理使灵敏度对加力点变化不敏感，拉向和压向灵敏度对称，它又具备了切应力负荷传感器的特点。并且量程小，刚度大，便于调整四角误差，很快就形成了负荷传感器的又一个发展潮流。蠕变是高精度电阻应变计和负荷传感器经常遇到和必须解决的关键问题。70年代末，前苏联学者H.科洛考娃通过对一维力学模型和应变传递系数的分析，提出控制应变计敏感栅的栅头宽度与栅丝宽度的比例，可以制出不同蠕变值电阻应变计的理论，并成功的研制出系列蠕变补偿电阻应变计。对低容量铝合金负荷传感器减小蠕变误差，提高准确度等级起到了至关重要的作用，使商用和家用电子秤的负荷传感器多品种、大批量生产成为可能。由于电子称重技术和工业、商业电子衡器的迅速发展，负荷传感器的性能指标和评定方法，已不能满足采用阶梯公差带评定准确度等级的电子衡器的需要，急需准确度评定比较统一的计量规程。80年代初，国际法制计量组织（OIML）质量测量指导秘书处为适应电子衡器的误差评定方法，决定将用于电子称重的称重传感器与测力传感器彻底分开，由美国负责的第8报告秘书处起草《称重传感器计量规程》。经过OIML成员国书面表决后，在1984年10月第7届法制计量大会上正式批准，并于1985年以OIML，R60国际建议颁布，下发到各成员国。目前各国正在执行的是R60的2000年版。由于新计量规程把计量性能与温度性能综合考虑，增加了研究开发与大批量生产的难度，逼迫企业完善工艺准备，改进制造工艺，使称重传感器的综合性能和长期稳定性均有较大提高，保证了电子秤的质量。80年代中期，随着数字技术和信息技术的发展，为满足电子衡器数字化、智能化的要求和用数字称重系统突破模拟称重系统局限性的构想，美国TOLEDO、STS和CARDINAL公司，德国HBM公司等先后研制出整体型和分离型数字式智能称重传感器，并以其输出信号大，抗干扰能力强，信号传输距离远，易实现智能控制等特点成为数字式电子衡器和自动称重计量与控制系统的必选产品，并形成了一个开发热点。从上述技术创新和技术发展的几个重要阶段不难看出，电子称重技术的进步促进了称重传感器技术的发展，而现代科学技术的发展又为称重传感器的研发提供了技术和物质基础。