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应变式称重传感器技术现状及创新发展趋势


工业计量
DOI: 10. 13228 / j. boyuan. issn1002 - 1183. 20150086

称重计量

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应变 式称重传感器技术现状及 创 新发 展趋势 ( 待续)
刘九卿
( 中国运载 火箭技术 研究院第 702 研究所〃北京 100076)

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摘要: 根据近些年来国内外应变式称重传感器结 构 设计 与 计 算、制造工 艺 与工 艺 装 备、计 量性能 检测 等技 术进 步与 新产品和自主知识产权产品研发情况〃介绍 了国 际、国内 应变 式称重 传 感器技 术发 展 现 状。在分析国 际应 变式称 重传感器发展潮流和 战略前沿技术 的基 础 上〃介 绍 了 结 构 设计、制造工 艺、具体 应 用方面的 创 新 发 展概 况和面对 〃并提出了当前 预 。 新需求的转 型发 展趋 势 先研究、产 品开发 与扩 大应 用方面的研究课 题 : 称重传 关键 词 感器; 究课 题 : C 文献标 志码 0045 - 07 文章编 号: 1002 - 1183 ( 2015) 02 - ; 制造工艺 ; 工艺 ; 技术 结 构设 计 装备 现 状; ; 研 发 展趋 势

应变 式称重 传 感器技 术 涉及敏感、 传 感机理 研究与分析〃 结 构 设计 与 弹 性元件材料〃制造工 艺与工 艺 装 备〃 电 路 补偿 与 调 整〃防 护 密封与 稳 定性处理〃 计 量性能 检测 与 评 估等方面〃 约 有 余种技 术。其突出特 点 是: 20

种类 规 格与 市 场 占 有 率 方 面 处 于 国 际 电 子 衡 器 市 场 的引 导 者地位。美国 VISHAY ( 精密 测 量集 团 公 司) 〃德国 HBM 有 ( 霍丁格包尔文 电 子 测 量技 术

— —设 技 术 含 量 高—

计 和制造所涉及的技 术 与工 艺 内容离散大〃具有 多 样性、边缘性、 综 合性 和技 艺 性等特点〃是 多 个 学科、多种技 术 的交叉与融合; 工 艺难 度 大

— — — 是支持工 艺、基 础 工 艺、核 心 工 艺、特 殊 工 艺 的 科学运用和集成; — —国 际 管 理 要 求 严—

建 议 、国 家 标 准、国家 计 量 检 定 规 程 检 测项 目 多〃 质 量控 制与批量生 产 的 统计 制程管理要求 严 格。 进 入 21 世纪以来〃随着科学技 术 的 进 步和工 业 自

动 化水 平的提高〃在自 动 称重 计 量和在 线 称重 计 量所用 的电子称重系 统 和 电 子衡器 产 品需求量不 断增加 的强力牵 引下〃称重 传 感器技 术 与 产 品得 到 较 快 速的发 展。今后各称重 传 感器制造厂商〃 在国内 外电子衡器市 场 上比拼的重点将是增加称 重 传 感 器的技 术 含 量〃 提 高 准 确 度、 稳 定 性 和 可 靠 性〃 降低生产成本〃扩大应用范围。

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国际应变式称重传感器技术发展现状
美、德等工 业 发 达 国 家 的 著 名 制 造 公 司 在 应

变 式称重 传 感 器 结 构 设 计 与 制 造 工 艺 技 术 、生 产 工 艺 装 备 与 大 批 量 生 产 统 计 制 程 管 理 水 平、 产 品

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是典型的代表性企 业。美国 VISHAY

学 科 的 新 技 术 发 展 和 新 功 能〃 属 于 战 略前 沿 技 术 〃 值 得 处 于国 际电 子衡器市 场 挑 战者和追随者地位 的企 业 学 习 借 鉴 。当今国 际 市 场称重传 感器技 术 的 竞 争〃集中表 现 在 产 品的准 确度、稳 定性和可 、 靠性的 竞 争; 竞 争; 制造技 术 与制造 工艺的 竞 争;

2015 年第 25 卷第 2 期

公 司旗下有 专门 研究、 设计、制造 应变电 阻合金 箔 材、电 阻 应 变 计 和 静 动 态 应 变 电 测 设 备 的 MM、 BLH、JP 公司; 有研究、 设计、制造各

种 应 变 式 称重 与 测 力传 感 器 的 Sensortronics Tedea-Hunt- leigh 、 Celtron、Revere 、 BLH 公司; 有研究、 设 计、制造特种传感器的 Nobel 公司; 有研 发 称重系 统的 BLH 、Nobel、PM 公

应 用高新技 术 研 发 新 产 品和自主知 识产权产 品的 开拓新 领 域从 传统 型向无 线 网络、物联 ( 如无 线 型、微型化、 低功耗、

网需要的全新型 低成本 )

司。德国 HBM 公司有多 个技术 研 发 部 门〃主要 有 电 阻 应变计、 测 力与称 重传感器、测量 仪 表、 信号 调 整与数据采集系 统 、 分析与 标 定 软 件、 数 字 称 重 系 统、 扭 矩、 位 移、 压力传感器等。 处 于国 际电 子衡器市 场 引 导 者地 位企业的研究成 果和 创 新 产 品〃基本代表了当前 国际应变 式称重 传 感器技 术发 展潮流〃有些研究 课题引入了多个
作者简 介: 刘九卿 ( 1937 —) 〃男〃研究员 ;

转 型 发 展的 竞 争。各称重 传 感 器制造

企 业 都在努力培植自己的核心 竞 争技 术 和 打造核 心竞争产品。 1. 1 企业共同理念和实施方法 从近几年国 际 衡器工 业 展 览 会上展出的 产 品 和对多家 处 于国 际电 子衡器市 场 引 导 者地位企 业

收稿日期: 2014 - 08 - 20

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产品的分析〃可以得出 这 些企 业 研制 产 品的共同 特点是: 载 荷引入方式和 弹 性元件 结 构及附件 弹 性 元 件 材 质 更 精 良; 电阻应 程; 多参数测 量与 动态 称量; 构任

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集成化与模 块 化 结

设 计更合理;

用户选 购〃并 做 到 产 品的 内 在 与 外 观 质 量 并 重。 近几年外 观质 量的改 进 与提高十分明 显〃基本没

变 计、 补偿 元器件的技 术 要求和 环 境 应 力 筛选 更 严 格; 制造工艺 和性能 检测 更精 细; 调 整工 艺更完善; 电 路 补偿 与

外 观 质 量更完美。 这 些 企 业

研 发、生 产、管理的共同理念和实施方法如下: ( 1) 重 视 基 础 技 术 、基 础 工 艺 和共性关 键 技 术 的研究〃做 到 基 础 研 究 与 预 先 研 究、共 性 关 键 技 术 研究 与 应 用 技 术 研 究、典 型 产 品 开 发 与 产 品 工程化并行。保 证 基 础 技 术 与基 础 工 艺 ( 电 阻 应 变计、应变粘 结 剂、 补 偿 元 器 件、防 护 与 密 封 材 料和制造工 艺 的可重复性等 ) 一直 处 于世界 领 先 地位。 ( 2) 重 视 基 础设 施建 设 和制造技 术、制造工 艺 的研究 与 应 用。配 置 优 良 的 工 艺 装 备 和 检 测 仪 器〃特 别 是 智 能 化 工 艺 设 备〃 做 到 工 艺 装 备 最 先 进。 ( 3) 瞄准世界称重 传 感器技 术发 展潮流和 战 略前沿〃确 定 研 究 课 题 和 产 品 开 发 方 向。重 视 新 产 品和自 主 知 识 产 权 产 品 的 开 发 〃增 强 核 心 竞 争 力。其技 术 创 新 和 新 产 品 开 发 的 标 准 是 : 具 有 较 高的技术 先 导 性、工 艺 先 进 性、市 场 扩 散 性、 效 益增值 性〃始 终 保持称重 传 感器技 术 和 预 先研 究 课题的领先地位。 ( 4) 重 视 称重 传 感器的可靠性 设计、控制

与 管理〃严 格 设 计 符合 性 控 制 和 工 艺 可 靠 性 控 制〃 努力做到生产工 艺 的科学性、合理性和可重复 性〃 使工艺兑现率达到百分之百。 ( 5) 场响应 速度为 焦点〃以改 进 和 创 新 产 品 为 基 础〃 实 施 创 新竞争战略。 ( 6) 重 视 相关法 规 和 规 程的学 习〃全面理解 并 认 真 执 行〃保 证 生 产 的 每 一 个 产 品 都 符 合 国 际 建议和国家标准的要求。 正因为 如此〃 这 些企 业 的称重 传 感器品种繁 多〃规格 齐 全〃合 金 钢、 铝 合 金、不 锈 钢、 铍 青 铜制品应有尽有。水下与 钻 井下 测 量、耐 压 防爆、 抗辐射、耐 腐 蚀 的 特 种 产 品; 微小和超大量 重 视 市 场 竞 争〃 加 强 市 场 调 查 与 分 世 纪 的市 场竞 争是以市 析〃 快速响应市 场。21

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( 1) 3 钢 柱、4 柱高温称重传感器; 环

有喷 漆 产 品〃几 乎 全 部 是 亮 光 或 亚 光 化 学 镀 镍、 镀铬、烤 漆、 喷 塑〃 瓷 质 阳 极 化 和 不 锈 钢 产 品〃 个别产品的外形已融入人性化设计。 1. 2 题 称重传 感器的准确度、 稳 定性和可靠性是重 要的质 量指 标〃同 时 也是用 户 最关心的 问题。 对 此〃 处 于 国 际 电 子 衡 器 市 场 引 导 者 地 位 的 企 业〃 在结构 设计、制造工 艺、 电 路 补偿 与 调 整和 稳 定 性处理等方面 进 行了 许 多研究与 试验 工作〃 归纳 起来其研究方向和主要课题是: ( 1) 在 结 构 设计 与 计 算 过 程 中〃引 入 计 算 机 拟实技术进行动态 仿真〃 优 化 结 构确定尺寸参 数; 在工艺设计过 程中引入 计 算机虚 拟 技 术〃 对弹 性 元件生产 工 艺进 行模 拟 和 检验〃得出科学合理的 制造工艺。 ( 2) 近几年〃有的 企 业 在 称 重 传 感 器 研 发 过 程中采用 了 先 进 的 三 维 数 字 设计 与 制 造 技 术 〃 即 设计、开 发、制造 计 算 机 化 和 网 络 化〃利 用 最 新 的三维计 算机 软 硬件技 术 和 宽带 网 络环 境 实现 称 重传感器开 发 全 过 程。在网 络 和 计 算机 辅 助下通 过称重 传 感器数据模型〃全面模 拟产 品的 设计 分 析、装配、制造等过程。 ( 3) 在 弹 性 体 加 工 中〃 纳 入 先 进 制造 技 术〃 变刚性制造 为 柔性制造。普遍采用加工中心、柔 性制造 单 元和柔性制造系 统 。 ( 4) 在生 产 全 过 程 中〃 尽量 减少 手工 操 作、 人为控制〃增加半自 动 与自 动 控制、自 动检验 工 序〃并对大批量生 产 工 艺 流程 实 施 计 算机网 络 化 管理。 ( 5) 改 进 、 创 新 工 艺 装 备 〃 实 现 高 效 智 能 电 路 补偿 〃建 立 全 自 动 快 速 检 测 系 统 〃提 高 大 批量 生产产品的抽检合格率。 ( 6) 施 振动时效或共振 时 效 处 理新工 艺〃提高称重 传 感 器的工作可靠性和长期稳定性。 ( 7) 应 用高新技 术 开 发 新 产 品和自 主 知 识 产 权产品〃增强核心竞争力。 1. 3 果 处于国际电 子衡器市 场 引 导 者地位的企 业 都 有自己的核心 竞 争技 术、工 艺 和 产 品〃近几年的 研发成果主要有: 研发成 〃实 移植先 进 的稳 定处 理技 术 与装 备 研究方向和主要课

美 国 VISHAY 公 司:

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高准确度不锈

多种 规 格 马 鞍 环 与链

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引入 载 荷 的 双 剪 梁 型 称 重 传 感 器 ; 高 准 确 度 全 密 封中心 环 型 称 重 传 感 器 ; 低 外 形 弯 曲 环 型 称 重 传 感器 ; 自 动 定 心 复 位 的 圆 柱 式 数 字 称 重 传 感 器 ; 轴销 剪切 式 称 重 传 感 器 ; PUS 型 具 有 大 气 压 力 补 偿 功能的 拉 压 两 用 的 称 重 传 感 器 ; 组 件 化 设 计 的 “即插即用” 型新式称重模块等。 ( 2) 美国斯 凯 梅公司研制出新一代高准确 握

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国外 设计 技 术 与 制 造 工 艺 的 基 础 上〃 结 合 国 内 电 子衡器市 场 需求〃独立自主 设计、生 产 称重 传 感 器 ; 第三 阶 段 是 在 独 立 设 计 弹 性 元 件 结 构 与 制 造 工艺流程的基 础 上〃完善生 产 工 艺 装 备〃更新 检 测仪 表和 规 范 技 术 性 能 测 试 方 法〃 结 合 国 内 外 市 场的需求〃小、中批量生 产 各种 规 格的称重 传 感

F60X 系列 5 ~ 5 000 kg 全密封称重 传 度 不锈 钢 感器〃 准确度 环 境中。 ( 3) 美国 THI 公司研制出 1410 型 5 ~ 30 kg 〃可承受 铝 合金称重传 感器〃准确度等 级 优 于 C3 级 〃内装特制的黏性阻尼器〃保 证 离心力和机械振 动 〃一般低于 称量时 有较 快的稳 定时 间 ( 4) 德国 HBM 公 司: 50 ms。 6000 d 〃用于湿度大且腐蚀 性强的

采用正负 蠕变 电 桥

0 蠕变 ” 称重 传 的“ 感器; 无滞后 轴 对 称弯曲 环 和六 方 环 称重传 感 器; 自 动 复 位圆 柱式称重传 感 器; 整 体型和分离型数字式智能称重 传 感器; 多种 结 构动 态 称重 数 字 传 感 器; C2A 、 C16A 两种不同结 构的

1 ~ 100 t 具有 “耐 压 外壳” 保 护 的防爆称重 传 感器 等。 ( 5) 德国塞特内尔公司研制出以 铍 青 铜为

弹 性元件材料〃快 速 称 重 用 200 型 称 重 传 感 器〃准 确度可达 4 000 d 。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。 ( 6) 加拿大 Mass Load 公司: 剪切型称重板; 空心 闭 合 截 面 模 块 化 称 重 梁 ; 线 接 触 链 环 式 称 重 传感器组件; 车载秤称重传感器组件等。

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我国应变式称重传感器技术发展现状
我国 应变 式 称 重 传 感 器 技 术 发 展 大 体 经 历 了

四个阶段: 第一 阶 段是引 进、消 化、吸 收 国 外 称 重 传 感器 设计 与制造技 术 。当 时 全国有 20 企 业〃共投 资 8 000 万元人民 币 和 1 300 万美元〃 先 后引 进 美国、德国、日本等国 家的称重 传 感器 与 电子衡器技 术 和 样 机〃仿制生 产 有代表性的符 合 国内市 场 需求的 产 品; 第二 阶 段是在 领 会、掌 多个

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器; 第四 阶 段 是 设 计 力 量 较 强〃工 艺 装 备 、 检 测 手断完善〃建立多条 质 量控制 严 格、制程 稳 定 生 产线的少数企 业〃 为 国外企 业贴 牌加工或向国 外 批量出口各种 规 格的称重 传 感器。其中以中航 电 测仪器股份有限公司、宁波柯力 传 感科技股份 有 限公司、浙江南洋 传 感器制造有限公司等最具 有 代表性〃这 些企 业 有多个型号多种 规 格的称重 传 感器通 过 国 际 OIML 认证 、美国 NTEP 认证 、 欧洲 CE 认证。 进入 21 世纪以来〃我国称重 传 感器行 业 的 发 展特点是大、中、小企 业 并 举〃集 团 化、 专 业 化 生产与多品种、小 规 模生 产 并存。称重 传 感器研 究、 设计、制造企 业 已从 20 世 纪 80 年代的 30 多 家 发展到现今的 200 余家〃专营、兼营销售称重传 感 器的公司也有 100 多家。 结 构 设计 与 计 算技 术、 制造技术 与工 艺 技 术、自 动 流水生 产线 大批量生 产 工艺技术及统计 制程管理技 术 都取得很大 进 步。 根 据我国海关 统 计 的 2012 年 和 2013 年 家 用、商 业、工业电 子衡器出口数量推算〃 仅 出口 电 子衡 器 产品配套一 项〃家用秤用称重 传 感器年生 产 量 分别 达到 2. 77 亿和 2. 88 亿只; 电子计价秤用称重 工业电

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发展概况〃代表了我国称重 传 感器技 术发 展方向。 以 下结构设计、工 艺 装 备 与制造工 艺 技 术 的 进 步〃 新 产 品和 自 主 知 识 产 权 产 品 的 开 发 与 应 用〃基 本 反映出我国称重传感器技术发展现状。 2. 1 称重传感器产品开发与结构设计技术现状 进入 21 世纪以来〃国内大多数称重 传 感器制

传感器年产量分别为 609 万和 710 万只;

子 衡器 用 称 重 传 感 器 年 产 量 分 别 超 过 1 700 万和 1 990 万只。 如果按 国内 销 售 的称 重 传 感 器 数 量 与 电子衡器配套出口的称重 传 感器数量相当 进 行 统 计 〃家用秤用称重 传 感器年 产 量 约为 5. 8 亿 只 ; 电 子计价秤用称重传感器年 产 量 约为 1 400 万只; 工 业电 子衡器用称重 传 感器年 产 量 为 4 000 万 只 ( 中 国衡器协会 2013 年衡器行 业 生 产、 经营 情 况通 报 公布的称重传 感器 产 量 为 4 354 万只 ) 。上述数 据 说 明我国是名副其 实 的称 重 传 感器生 产 大 国〃但 不是研究、设 计、生 产 强 国。做称重 传 感器的 生 产 大国〃同 时 也是生 产 强国 应该 是我国 称重 传 感 器生产企业的奋斗目标。 我国 50 余家具有 规 模化生 产 能力的称重 传 感 器制造企 业 的 研 发、生 产、 销 售 情 况〃基 本 反 映 出我国称重 传 感器 设计、制造、 应 用技 术 水平

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造企业〃称重 传 感器的 结 构 设计 与 计 算〃完全 摆 脱了传统 的 以 理 论 计 算、 经 验 公 式、 图 表、 设 计 手册等 为 设 计 依 据 的半 理 论、 半 经 验 设 计 模 式。 逐步开展 计 算机 辅 助 设计〃建立 较为 复 杂 的 力学 模型〃采用有限元程序包 进 行 计 算和分析。 并在 传统的就 现 象 论现 象的分析方法中〃引入建 立数 学模型分析和推算称重 传 感器相关 误 差的新方 法〃 发现 并及 时处 理某些不可避免的缺陷甚至 错 误〃 保证弹 性元件 结 构 设计 的合理化、最 优 化〃 提高 了弹性元件与引入 载 荷的 压头、 压垫、底座 等 设 计的精确性、可靠性〃保 证 使用 过 程中称重 传 感 器性能波 动 最小。近年来〃称重 传 感器新 产 品与 自主知 识产 权 产 品的开 发 成果〃突出地反映 了我 国称重 传 感器 产 品 创 新与 结 构 设计 技 术 的 进 步〃 主要研发成果如下: ( 1) 90 年代中期以来〃国内多家称重 传 感器制造企 业 先 后开发出数字称重 传 感器〃并成功地 应 用在数字 化大型电 子汽车 衡 中。梅 特 勒 - 托 利 多 州) 精密仪器有限公司〃批量生 产 数字式称重 传 感器〃 突破了模 拟 式称重 传 感器准确度极限〃最大 检 定 分度数可达 10 000 分度〃在数字称重 传 感器全 自 动测试和数字补偿技术与工艺中均有重大突破。 ( 2) 程有 限公司〃分别攻克了 结 构 设计、高温材料及元器 件筛选、高温温度 补偿 装 备 与工 艺、高温密封材 料试验与灌装密封工 艺、高温性能 试验 与 测试 等 工艺难关〃研制出安全极限温度为 250 ℃ 〃工作 温 度为 200 ℃ 的多种 结 构和 规 格的高温称重 传 感器〃 满足了冶金行业需求。 ( 3) 有 多种系列 产 品 经 国家 仪 器 仪 表防爆安全 监 督 检验 站检验 合格〃取得防爆合格 证。中国航天科技集 团公司六院 11 所和上海大和衡器有限公司都研制 出隔爆 型 称 重 传 感 器〃 即 在 称 重 传 感 器 本 体 外〃 再安装一个隔爆防爆外壳〃使 带 有 电桥电 路的称 防爆称重 传 感器。国内 许 多称重 传 感 器 企业都能生 产 本 质 安全型防爆称重 传 感器〃并 高温称重 传 感器。20 世 纪 90 年代中 期〃 江苏申大衡器有限公司和余姚太平洋称重工 ( 常 数字化和数字式称重 传 感器。20 世 纪

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重传感器 处 于隔爆外壳的内腔中。外壳隔爆接合 面的长度和间隙应完全符合 GB 3836. 2 —2000 隔 爆 型电气设备国家标准要求。 ( 4) 新型 结 构的十字梁称重 传 感器。浙江南 洋传感器制造有限公司〃在分析了双剪梁型称重

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传感器并 联组 秤重心高〃 刚 度不 对 称〃 弹 性元件 与底座 为 分体 结 构等固有缺点后〃研究 设计 出新 型结构的十字梁型称重 传 感器。其十字梁 弹 性元 件采用模 锻 新工 艺〃将 40CrNiMoA 合金 钢 棒料 模 锻 成十字 梁 毛 坯〃使 十 字 应 变 梁 与 底 座 成 为 一 个 整体 结 构〃固 有 线 性 好〃 刚 度 对 称〃抗 偏 心、 侧 向 载 荷能 力 强〃 组 秤 重 心 低 稳 定 性 好。 采 用 活 动 式三滚珠 压 头 引 入 载 荷〃保 证 称 重 传 感 器 只 感 受 轴 向 载 荷〃不 传 递 侧 向 载 荷〃 特 别 适合 组 装大型 电子汽车衡和各种电子平台秤。 ( 5) 浙江南 洋传感器制造有限公司、宁波柯力 传 感科技股份 有限公司 为 代表的一些企 业〃分析了双剪梁型称 重传感器不是整体 结 构〃 组 合件制造和装配的不 一致性〃连 接件之 间 的摩擦和位移都可以引起非 线性和离散性; 碗 爬坡〃离 开 对 中 准 确 的 中 心 点 而 产 生 称 量 误 差〃 并影响承 载 器回零等缺点后〃研制出多种自 动 定 位、复位的新型 圆 柱式称重 传 感器〃成 为较 理想 的双剪梁型称重 传 感器替代品〃取得了 较 好的 应 用效果。 ( 6) 司〃 分别研发出低外形剪切型 轨垫 式系列称重 传 感器〃 为不断轨轨 道衡的更新 换 代 产 品〃并取得多 项 国 家专利。该系列称重 传 感器具有 线 性好、 刚 度大、 抗侧向力能力强、耐冲 击、抗振 动、响 应 速度快、 防水性能好、使用寿命 长 等 优 点。其主要 应 用特 点是取消 轨 道衡的承 载 器 结 构〃与 钢结 构 轨 枕和 连结件组 成一个 刚 性 结 构〃不切断原有 轨 道上的 钢轨〃从而使列 车 平 稳 通 过〃无 冲 击 现 象〃提 高 了被检车辆过衡速度和称量准确度。 ( 7) 感器研 制和 产 品 认 证 中 积 累 的 丰 富 经 验〃 在 弹 性 元 件、 电阻应变计、应变 胶粘 剂、制造工 艺、 电 路 补偿、 防护密封等方面 进 行了大量研究和攻关〃掌握了 制造高准确度 铝 合金称重 传 感器的关 键 技 术〃并 突破了几道瓶颈工序。批量生 产 出 C5 级铝 合金 高准确度称重 传 感器。中航 电测仪 器股 份有限公司充分利用多年来 铝 合金称重 传 新型 轨垫 式称重 传 感器。杭州 钱 江称 重 技术 有 限 公 司、 铁 道 科 学 研 究 院 北 京 路 通 公 顶 球式 传递载 荷平移和旋 转 自 由 度小〃承 载 器受 载 和温度 变 形 时〃使 钢 球沿球 新型自 动 定心 圆 柱式称重 传 感器。 近年 来〃国内以 东 莞市 华兰 海 电 子有限公司、

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重传感器〃改 变 了以往高准确度称重 传 感器只能 从大量常规产品中筛选的落后模式。

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( 8) 称量、数据 处 理、示 值 显 示一体化的 称 重传 感器。此类产 品属于功能集成的称重 传 感器〃 、传 它是指将重量信息采集、放大、 变 换 、 输

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境补偿与 预 防性 维护 等功能相 结 合〃可 实现 非常 简单的安装〃能真正防止物料 损 失〃控制不合格 批 次或停止生产过程。

处 理和显 示功能都集于称重 传 感器本体内或本体上。 宁波柯力传 感科技股份有限公司研 发 的 ILE -

XS 型数字一体化称重 传 感器〃就是此类功能集成化 称重传 感器的典型代表。它采用高抗干 扰 单 片微 处 理 器〃配合高精度△ - ∑ A/D 转 〃嵌入 称 换 技术

重传 感器内部〃显 示直观 方便。 ( 9) 网络化称重 传 感器。随着通信技 术、

嵌 入式 计算技术 和 传 感技 术 的 飞 速 发 展和日益成熟〃 无线传感器网 络 更是得到快速 发 展〃引起人 们 的 极大关注。日月科技 发 展集 团 蚌埠日月 仪 器研究 所有限公司研制出多种无 线 数字化 传 感器〃利用 无线传感器通信 终 端 组 建本地无 线测试 网 络 系 统。 即利用无 线 数字称重 传 感器〃通 过 本地无 线 数字 通信网络、无 线 数字化称重 传 感器通信 终 端与笔 记本电脑 相 连〃在无 线 称重 传 感器 测试软 件支持 下〃完成工 业现场 自 动 化 远 程 测试、控制重量信 息等任务。 该 公司研制的各种无 线 数字化 传 感器 已应用到石油工 业 数字化油井等多个系 统〃 实现 了工业现场自动化远程无线测试。 ( 10) 企 业来说〃超大量程和微小量程 测 力与称重 传 感器 的研制都是 较 困 难 的 课题。以浙江南洋 传 感器制 造有限公司 为 代表的几家企 业〃在 弹 性元件材料 选择和 热处 理工 艺、 结 构与 边 界条件 设计、非 线 性补偿、防护 密 封、 试验 测试 等 环节〃均 有 技 术 创 新和工艺 突破。先后研制出拉伸型 圆 筒 式、压 缩 型 3 000 台 取得非常好的应用效果。 ( 11) 新型称重模块。为 使称重模 块 尽快 应 用 于国内各 类 电 子 衡 器 和 电 子 称 重 系 统 〃国 内 许 多 称重传感器制造企 业 都研制出与多种称重 传 感器 配套的各种称重模 块〃供用 户组 装 电 子衡器 时选 用。其中梅特勒 - 托利多 ( 常州 ) 精密 仪 器 〃 有限 公司 的配 有完 全数 字 化称 重 传 感器 的称 重模 块 将料罐称重提升到新水平。数字称重 传 感器将 环 t 单 圆 筒式和三 圆 筒并 联 组 合式 测 力与称重 传 感器〃在 军 事工程和石油 钻 井平 1 000 t 超大量程、微小量程 测 力与称重 传 感 器 的研发与 应 用。 对 于世界各国称重 传 感器制造

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( 12) 清 华 大学研制成功一种基于石英 谐 振 每 30 min 或大于 优 于 ± 0. 制出 阶 梯 005% 3

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器 应变 敏感 效 应 的 数 字 式 力 与 称 重 传 感 器。研 究 了 敏感元件 的 力 敏 特 性、 谐 振 器 的 应 变 敏 感 效 应 与 谐 振 频 率、 谐 波 次 数 和 结 构 的 关 系〃保 证 了 良 好 的 频 率 稳 定 性。研 制 了 专 用 胶 粘 剂 〃 解 决 了 影 响 力与称重 传 感 器 蠕 变 和 滞 后 性 能 的 关 键 工 艺 〃提 高了力与 称 重 传 感 器 性 能 指 标 及 合 格 率。在 国 内 外首 创 开 发 了 系 列 化 的 下 游 应 — —各类石 英电子衡器。 用 产 品— 2. 2 称重传感器工艺装备技术发展现状 在自主 设计 制造称重 传 感器的 实 践中〃 许 多 称重传感器制造企 业 都取得了 设 置生 产 工序、 编 制生产工 艺 流程的 经验〃充分 认识 到工 艺 装 备 和 检测手段在称重 传 感器研制、生 产过 程中的决定 性作用〃真正体会到 “从工 艺 看水平〃从装 备 看 质量” 的深刻内涵。国家 质 量技 术监 督局 对 称 重 传感器研制生 产 企 业 的生 产规 模、生 产设 施 ( 如 弹性元 件 清 洗 设 备、粘 贴 电 阻 应 变 计 用 净 化 间、 零点温度测量与 补偿设备 等 ) 力 标准机及配套的高低温试验 箱、6 电 压表、绝缘电 阻 测 量 仪 等 ) 定〃并 在申请 制造 计 量器具 许 可 证时〃 对 生 产设 施、 检 测设备逐 项 核 对审查〃全部合格后才具 备 申 请 条 件。外因通 过 内因起作用〃 对 称重 传 感器制造企 业的客观 要求和其主 观认识 都集中到必 须 重 视 和 改善生 产 工 艺 装 备、提高制造工 艺 水平上。近些 年来〃在生产企业 与装 备 制造企 业 的共同努力下〃 一批质量好、功 能 全、叫 得 响、用得住的称重 传 感器生产 工 艺 装 备〃在各企 业 的生 产 工 艺 流程中 发挥着至关重要的作用〃主要工艺装备如下: 2. 2. 1 液压全自动叠加式力标准机 采用计算机控制的液 压 全自 动 叠加式力 标 准 机〃能采集分析称重 传 感器 检测 控制 过 程的所有 状态〃适时采集检测 数据并加以分析 处 理和打印〃 还能对异常状 态 迅速作出响 应〃具有多重保 护 功 能。为了检测 不需要 编 程研制 过 程中的称重 传 感 器〃还配 备 了手 动 功能〃它是自 动 功能的 备 份和 补充。液 压 全 自 动 叠 加 式 力 标 准 机 的 传 力 精 度 ± 0. 02% FS ( 实 测 精度) ; 加载 稳 定性: 采样 时 稳 定 0. 4 s〃稳 定精度 ± 0. 001% FS; 位半以上数字 都作了明确 规 和 检测设备 ( 如

30 min 〃稳 定精度 ± 0. 004% FS;

力值 分辨力

FS。按完成 预 加载 荷三次、 进 回程 次、打印出表格化 检 测 数据、 绘

测 试 加载

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称重计量

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公差带误 差曲 线、卸下全部 载 荷的工作程序 计 算 时间〃检测一只称重传感器只需要 15 min。 2. 2. 2 准机 众所周知〃数字式称重 传 感器 组 装数字 电 子 秤 是通过 灵敏度 物 体的重量〃它的最底 层 的溯源器不是 标 准砝 码 而 是标 准力源〃因 此 对 力标 准 机的 力 值 准 确 度 要 求 很高。 一般多采用 5 × 10
- 5

控制程序〃 实现对单 台静重式力 标 准机 单 独控制 和多台静重式力 标 准机同 时 控制。由于此种群控 静重式力 标 准机具有活 动 横梁〃在将砝 码 全部挂 上后〃通过动 横梁可 进 行一次性的快速加 载 或卸 载〃满足快速三次 预载试验 和蠕 变试验 加 载 要求〃 提高了检测效率。 2. 2. 4 统 20 世 纪 80 年代只有少数企 业 配 备 了自 动 测 试 零点温度 补偿 装 备 〃 现 在 绝 大多数企 业 或外 购 高效智能零点温度补偿测试系

新型静重式力标

( mV / V)

〃来测 的转 换 量被称

准确度等 级 的静重式力 标 准机。 50 t 标准

济 南金 钟 电 子衡器股份有限公司的

静重式力 标 准机最具代表性〃其特点是: 宽〃 有利于检测 多种 规 格的称重 传 感器; 可

砝 码单 独升 降 并可 以 自 由 组 合〃 量 程 适 用 范 围 每块砝码

单独加载〃也可几 块 砝 码 或全部砝 码组 合起来同 时加载〃既能够 满 足逐 级 加 载测试 要求〃又能 实 现蠕变测试时组 合砝 码 或全部砝 码 一同快速加 载〃 不需另外 设 置蠕 变 加 载 装置; 的 加载时间 与一 块 砝 码 的加 载时间 几乎一致〃加 载 时间短、 测试 工作效率高; 升 降的方式相比〃砝 码 升降运 动 同步性好〃砝 码摆 动小〃加 载 平 稳〃 检 测 精 度 高〃 且 所 用 电 机 少〃 工作可靠性高; 和 动横梁升降 电 机都采用了伺服 电 机〃运 动 速度控 制方便〃运 动 性能等均有 较 大改善〃 进 而提高了 整机性能。 2. 2. 3 系统 为 提高小、中量程模 拟 式或数字式称重 传 感 器 的生 产 效率〃梅特勒 - 托利多 仪 器有 限 公 司 等 企 业〃 在 其 生 产 线 上 分 别 设 置 了 50 kg 、 500 kg 、2 000 kg 群控静重式力 标 。 准机系 统 它由多台静重式力 标 准机、高低温 试 验 箱和控制 系统组成〃具 有 拉 伸、 压 缩 双向加 载 功能。 该 控 制系统按程序 对 砝 码 和 动 横梁通 过 光 电传 感器 进 行位置控制〃由 个 PLC 和 计 算机通 过软 件完成整 ( 常州 ) 精密 群控静重式力标准机 自 动 化程度高〃砝 码 升降 电 机 每 块 砝 码 用一台 电 机 驱动〃与国内外同类 设备 每 块 砝 码 用三台 电 机 满负 荷全部砝 码

工业计量
或自主研制〃均配 备 了 高 效 智 能 零 点 温 度 补 偿 测 试 系 统 〃大批量 生 产 的 企 业 已 配 备 了 十 多 套〃有 的公司 还 配 备 了多点 智 能 灵 敏 度 温 度 补 偿 测 试 系 统 。秦皇 岛 市 协 力科 技 开 发 有 限 公 司 研 制 生 产 的 WB - Ⅲ型 称 重 传 感 器 高 效 智 能 零 点 温 度 补 偿 测 试 系 统 的硬件由接口 单 元、高低温 试验 箱及箱 内 的接 线 单 元、 高 稳 定 度 激 励 电 源、 数 据 采 集 单 元、微机系 统 和打印机构成。称重 传 感器零 点和 灵敏度温度 补偿软 件〃可根据各自的温度 补 偿 工 艺 特点 选 用和自行 编 制。每套系 统 最多可使 用 7 组 数据采集 单 元与 7 组 激励 电 源、接 线 箱等 组 成 420 个零点温 度 补 偿 测 试 点。如 是 多 种 类 型 称 重 传 感器可以 设 置不 同的系 统编 号〃以便 归 档和数 据 查询 。 2. 2. 5 系统 进 入 21 世 纪 以来〃 对 大批量生 产 的称重 传 感 器〃特别是平行梁 结 构的称重 传 感器〃 为 提高生 产 - 托利 效率和 电 阻应 变 计 定位准确度〃梅特勒 多 ( 常州) 精密仪 器有限公司和宁波柯力 传 感 科 技股份有 限 公 司〃研 制 出 具 有 本 公 司 制 造 工 艺 特 点的自动 粘 贴电 阻 应变计 系 统。既提高了 电 阻 应 变计 定位 准 确 度 和 工 作 效 率〃又 减 轻 了 操 作 者 的 劳动强度。 2. 2. 6 烘道 5 000 ~ 6 000 只各种称重传 日产 感器的宁波柯 力传 感技 术 股份有限公司〃 为 确保工 艺 质 量〃提 高生 产 效 率〃研 制 出 粘 贴 电 阻 应 变 计 固 化、后 固 化工艺用的隧道式自 动 化加温控温烘道〃在多条 生 产线 上 使 用。隧 道 式 加 温 控 温 烘 道〃控 温 精 度 高〃工作段温 度 均 匀 性 好〃固 化、后 固 化 完 成 后 应变胶粘 剂 物理和机械性能的均一性好〃 为 提高 称重 传 感器 的 工 作 可 靠 性 和 长 期 稳 定 性 打 下 坚 实 基础。 2. 3 称重传感器制造工艺技术发展现状 称重 传 感 器 技 术 及 其 产 业 是 以 制 造 工 艺 为 基 础 〃并依 赖 于 制 造 工 艺 而 发 展 起 来 的。制 造 工 艺 不 仅 是基 础 的 工 艺 技 术 〃而 且 是 称 重 传 感 器 生 产 过 程中起 核 心 作 用 的 专 业 技 术 〃称 重 传 感 器 的 质 量和成本 都 与 制 造 技 术 和 工 艺 过 程 密 切 相 关。称 固化、后固化工艺的隧道式加温控温 全自动与辅助粘贴电阻应变计

称重计量

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重 传 感器制 造 工 艺 与 工 艺 装 备 是 相 辅 相 成 的 促 进 与 带动 关 系〃科 学 合 理 可 重 复 的 制 造 工 艺 必 须 有 与其 对应 功 能 的 测 量 准 确 的 工 艺 装 备 做 支 撑 ; 反 之〃高效智能的工 艺 装 备 又能促使制造技 术 与制

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造工 艺摆 脱 传 统 方 法 束 缚 〃形 成 现 代 制 造 技 术 与 传统 制造 工 艺 相 结 合〃技 术 与 管 理 相 结 合 的 新 型 现 代制造 工 艺 系 统 。近 些 年 来〃 我 国 称 重 传 感 器 核心制造 工 艺 的 进 步〃明 显 地 提 高 了 称 重 传 感 器 的 总 体 质 量 水 平。更 可 喜 的 是 在 提 高 核 心 制 造 工 艺 的 过 程 中〃改 变 了 一 些 从 业 者 “称 重 传 感 器 制 造工 艺 必 然 存 在 手 工 作 坊 痕 迹 ” 的 错 误 认 识 。近 年来〃称重 传 感 器 核 心 制 造 工 艺 的 进 步 较 大 地 提 升了我国 称 重 传 感 器 的 总 体 质 量 水 平〃主 要 体 现 在以下几个方面: 2. 3. 1 普 遍 重 视 电 阻 应 变 计 和 数 字 模 块 的 安 装 环境 在 弹 性元 件 应 变 区 粘 贴 电 阻 应 变 计 是 核 心 制 造工 艺 中 的 要 害 工 序〃其 工 作 环 境、 粘 贴 质 量 直 接影响称 重 传 感 器 的 计 量 特 性。 经 过 认 证 、取 证 和国 际 交 流〃各 企 业 普 遍 认 识 到 粘 贴 电 阻 应 变 计 工作 环 境 对 粘 贴 质 量 的 影 响〃或 购 置 标 准 规 格 的 净 化 间 、 净 化 工作 台〃或自 建 温 度、湿 度、洁 净 度、照明和 防 静 电 措 施 都 符 合 要 求 的 净 化 间 〃保 证 了模 拟 和 数 字 称 重 传 感 器 电 阻 应 变 计 粘 贴 、 数 字模块安装质量。 2. 3. 2 采用弹性元件贴片组桥后整体清洗工艺 称 重传感器的故障 80% 是工 艺问题〃而在工 艺问题中的一部分是 电 阻 应变计焊 点引出 线、内 外引线的 焊 接和清洗 问题。国 际 著名称重 传 感器 制造企业〃普遍采用 弹 性元件 贴 片 焊线组桥 后整 然后涂防 护 面胶确保在生 产过 程中不受潮。国内 一些企业 已 经认识 到 这 一 问题〃宁波柯力 传 感技 术股份有限公司在出口 产 品生 产线 上添置了 焊线 组桥后〃 弹 性元件自 动 化整体清洗 设备〃取得了 很好的工艺效果。 2. 3. 3 改进电阻应变计保护面胶涂覆工艺 在焊线组 桥后经过 整体清洗的 弹 性元件表面〃 对电阻应变计 涂覆保 护 面胶〃是称重 传 感器生 产 工艺流程中的重要工序〃通常称之 为 第一次防 护 密封处理。其目的是保 护电 阻 应变计 在生 产 作 业 过程中不遭受 伤 害、不受潮〃并 为 最后防 护 密封 打下优良基 础。 过 去涂覆面胶工 艺规 定覆盖住 电 阻应变计 即可〃其周 围 的 焊 点和打磨 过 的金属表 面并不在 防 护 之 列〃 埋 下 稳 定 性、 可 靠 性 隐 患。 改 进 后的 涂 覆 面 胶 新 工 艺 〃要 求 覆 盖 面 积 大〃 不

仅需要覆盖住 电 阻 应变计 表面〃 还 必 须 覆盖住所 有焊点和打磨过的弹性元件表面。 2. 3. 4 高效智能零点温度补偿新工艺 称重传感器的 电 路 补偿 与 调 整是生 产 工 艺 流 程 中的关 键环节〃是生 产 工 艺 先 进 性、合理性的 主要 考核条件。目前〃 绝 大多数称重 传 感器制造 企业都 采用了高效智能温度 补偿 系 统 〃可同 时进 行多型号、 多品种零点温度 补偿 和零点 输 出 调 整。 企业在用的 高效智能零点温度 补偿测试 系 统〃有 美国、德国、 日本 进 口 设 备〃有国内 相关企 业 研 制设备、有生 产 企 业 自己研制 设备〃 其零点温度 补偿和零点 输 出 调 整 测试补偿软 件〃均根据本企 业生产工 艺 特点自 行 编 制〃在生 产 工 艺 流程中 发 挥了重要作用。 2. 3. 5 生产工艺流程网络化管理 称重 传 感 器 的 工 作 原 理 和 制 造 工 艺 决 定 了 有 些工序是 人 工 操 作、手 动 控 制〃 人 为 因 素 对 产 品 质 量影响 较 大。 为 提 高 大 批 量 生 产 称 重 传 感 器 的 质 量〃最大 限 度 地 排 除 人 为 因 素 对 产 品 质 量 的 影 响。进入 21 世纪 以来〃美国威世精密集 团 北京特 迪 亚 公司、中 航 电 测 仪 器 股 份 有 限 公 司、宁 波 柯 力 传 感技 术 股 份 有 限 公 司 等〃都 将 网 络 信 息 化 技 术应 用于 称 重 传 感 器 生 产 工 艺 流 程 中〃 基 本 实 现 了工 艺 流 程 的 网 络 化。即 通 过 通 信 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。 美国威世精密集 团 北京特迪 亚 公司和宁波柯 力 传感技 术 股份有限公司大批量生 产 的重任〃促 使他 们利用 统计 学原理〃 对 生 产 工 艺 全 过 程中的 产品质 量 进 行控制和管理〃以达到尽可能第一次 就使产品 符合国家 标 准要求的目的。大批量生 产 的统计制程 管理即利用 统计 学原理 对产 品 进 行科 学、合理 的 抽 样 试 验 与 测 试〃把 生 产 工 艺 流 程、 产品质 量控制、 工 艺 装 备 利用 联 系在一起〃提高 生产过 程控制能力〃 快速分析制程出 现 的 问题 并 迅速采取措施保 证 制程 稳 定〃最大限度地减小 产 品的不合格率。 统计 制程 管理既保 证 了生 产 工 艺 流程的科学性、合理性和可 重复性〃又体 现 出高 效性和经济性。
( 待续)

体清洗 工 艺〃清 除 焊 点 及 其 周 围 的 焊 剂 和 污 物〃 2. 3. 6 大批量生产的统计制程管理


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