電阻應(yīng)變式測(cè)力與稱重傳感器技術(shù)的回顧
       ——紀(jì)念電阻應(yīng)變式測(cè)力與稱重傳感器誕生70周年
          中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院第七○二研究所 尹福炎
【摘 要】 上世紀(jì)40年代以前，在工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中外載荷或力的測(cè)量組件是各種機(jī)械式測(cè)力計(jì)。在電阻應(yīng)變片出現(xiàn)以后，人們開(kāi)始研制各種用于工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的測(cè)力傳感器，通常也稱載荷傳感器或負(fù)荷傳感器。在此同時(shí)，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(fù)荷傳感器的測(cè)量精度有了大幅度的提高，負(fù)荷傳感器在稱量系統(tǒng)的應(yīng)用比原先測(cè)力范圍更為廣泛。測(cè)力與稱重傳感器的分立，稱重傳感器補(bǔ)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(jì)，進(jìn)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(cè)量精度也有大幅度提高，在衡器和自動(dòng)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(chǎng)。本文，將就測(cè)力與稱重傳感器的發(fā)展過(guò)程作一簡(jiǎn)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(jī)械式測(cè)力計(jì)；測(cè)力與稱重傳感器；電阻應(yīng)變片；衡器；自動(dòng)稱量系統(tǒng)；數(shù)字式智能稱重傳感器
一、前言
現(xiàn)代測(cè)力與稱重技術(shù)的發(fā)展，離不開(kāi)獲取和轉(zhuǎn)換力值與質(zhì)量信號(hào)的傳感器?？偹苤?，至今為止，測(cè)力與稱重傳感器的發(fā)展大體已經(jīng)歷了三代。*代是機(jī)械式測(cè)力計(jì)。上世紀(jì)四十年代以前，在電阻應(yīng)變片出現(xiàn)之前，人們測(cè)量工程結(jié)構(gòu)部件的應(yīng)變，一般采用機(jī)械式應(yīng)變計(jì)，也稱機(jī)械引伸計(jì)或光學(xué)引伸計(jì)等；而測(cè)量工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)載荷的則是各種機(jī)械式測(cè)力計(jì)。第二代是電阻應(yīng)變式測(cè)力與稱重傳感器。電阻應(yīng)變片問(wèn)世后，于上世紀(jì)四、五十年代，人們根據(jù)工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究的需要而利用電阻應(yīng)變片來(lái)開(kāi)發(fā)各種傳感器。當(dāng)時(shí)，美國(guó)的航空工業(yè)部門，迫切需要各種用于測(cè)量工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的載荷（力）、扭矩及流體壓力傳感器，為了測(cè)量飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜態(tài)試驗(yàn)的載荷而開(kāi)發(fā)了負(fù)荷傳感器；為了測(cè)量飛機(jī)在風(fēng)洞中的作用力，開(kāi)發(fā)了多分量力傳感器等。在工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中測(cè)量外載荷或力的測(cè)量組件是各種機(jī)械式測(cè)力計(jì)。在電阻應(yīng)變片出現(xiàn)以后，人們開(kāi)始研制各種用于工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的測(cè)力傳感器，通常也稱載荷傳感器或負(fù)荷傳感器。在此同時(shí)，人們也試圖開(kāi)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(cè)力傳感器的測(cè)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(cè)力范圍更為廣泛。第三代是數(shù)字化、智能型測(cè)力與稱重傳感器。隨著測(cè)力與稱重傳感器的分立，傳感器補(bǔ)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(jì)，進(jìn)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(cè)量精度也有大幅度提高，在衡器和自動(dòng)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(chǎng)。對(duì)于電阻應(yīng)變式測(cè)力與稱重傳感器的國(guó)內(nèi)外的
發(fā)展情況，很多專家、學(xué)者都已做過(guò)詳細(xì)的介紹分析，本文在此主要就應(yīng)變片、測(cè)力與稱重傳感器誕生70周年之際，就測(cè)力與稱重傳感器的發(fā)展過(guò)程作一簡(jiǎn)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(jī)械式測(cè)力計(jì)與電阻應(yīng)變式測(cè)力傳感器
從所周知，測(cè)力與稱重傳感器與其它的力學(xué)量傳感器顯著的不同，它是直接安裝在整個(gè)載荷測(cè)量鏈中（圖1），所以傳感器的強(qiáng)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(cè)量精度。為此，通常測(cè)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(cè)力傳感器出現(xiàn)以前，在工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)和材料試驗(yàn)機(jī)的測(cè)力計(jì)機(jī)構(gòu)中，都是采用各種機(jī)械式測(cè)力計(jì)（如圖2、3）。當(dāng)電阻絲式應(yīng)變片發(fā)明以后，當(dāng)時(shí)的負(fù)荷傳感器的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)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(guó)西部地區(qū)應(yīng)變計(jì)委員會(huì)（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(cè)力與稱重傳感器的軸是根據(jù)右手正交坐標(biāo)系進(jìn)行定義。符號(hào)“＋”表明在力方向上可產(chǎn)生一個(gè)“＋”信號(hào)電壓，通常定義為張力。根據(jù)圖6坐標(biāo)系的定義，測(cè)力與稱重傳感器的主旋轉(zhuǎn)軸或徑對(duì)稱軸為Z軸。
圖1 傳統(tǒng)的測(cè)力系統(tǒng) 圖2 鋼板拉力計(jì) 圖3 杠桿式三等標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力
當(dāng)時(shí)的測(cè)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(cè)力環(huán)或測(cè)力棒（如圖7所示）。載荷的測(cè)量?jī)x器一般采用靜態(tài)電阻應(yīng)變儀（如圖8所示）。因而，當(dāng)時(shí)的載荷測(cè)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(biāo)準(zhǔn)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(cè)力計(jì) （b）柱式測(cè)力計(jì)
圖7 粘貼式應(yīng)變片制成的測(cè)力環(huán)和測(cè)力棒 圖8 環(huán)狀測(cè)力計(jì)與載荷測(cè)量?jī)x
（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(fù)荷傳感器的測(cè)量精度有了明顯的提高，基于當(dāng)時(shí)的條件，一般精度在0.1%左右。在此期間，人們也逐漸開(kāi)始探索把電阻應(yīng)變式負(fù)荷傳感器用于衡器與自動(dòng)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(cè)試件應(yīng)變的變化量轉(zhuǎn)換成電阻變化量的檢測(cè)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(cè)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(cè)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）?；撞牧鲜侵蚊舾袞?，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(gè) 整體；覆蓋層是保護(hù)敏感柵免受外界的機(jī)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(cè)量?jī)x器，把應(yīng)變片的電信號(hào)送到測(cè)量?jī)x器內(nèi)。應(yīng)變片的各個(gè)組成組件的性能都將直接影響應(yīng)變片的各項(xiàng)工作特性。
電阻應(yīng)變式測(cè)力與稱重傳感器，它是由彈性體、應(yīng)變片、膠粘劑、防護(hù)涂層、補(bǔ)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(hù)涂層，構(gòu)成一個(gè)有別于應(yīng)變片本身的更復(fù)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(fù)雜，其中反映了物理學(xué)、力學(xué)、電學(xué)及化學(xué)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(xiàng)性能。在研究和討論應(yīng)變片裝置及應(yīng)變傳遞問(wèn)題時(shí)，既要注意各個(gè)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(jiǎn)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(cè)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(jìn)步，使負(fù)荷傳感器的精度有了進(jìn)一步的提高，在美國(guó)出現(xiàn)了具有0.1%稱重準(zhǔn)確度的電子秤，在七十年代中對(duì)70%的機(jī)械秤進(jìn)行了機(jī)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(cè)力與稱重傳感器發(fā)明、生產(chǎn)以來(lái)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(cè)量過(guò)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(zhǎng)期使用正應(yīng)力型傳感器的實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)其彈性組件的結(jié)構(gòu)作了進(jìn)一步的分析研究，找到了其固有的缺點(diǎn)。其主要缺點(diǎn)歸納起來(lái)有：加力點(diǎn)的變化會(huì)引起靈敏度的較大變化；進(jìn)行拉、壓循環(huán)加載時(shí)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?，故體積大；不能進(jìn)行小載荷的測(cè)量等。這些問(wèn)題影響了測(cè)力與稱重傳感器主要技術(shù)指標(biāo)的提高。
為了克服正應(yīng)力式測(cè)力與稱重傳感器的固有缺點(diǎn)，從六十年代中期，人們就開(kāi)始從分析、研究彈性組件力學(xué)模型的基本原理入手，對(duì)彈性組件進(jìn)行改進(jìn)。研究表明，應(yīng)變梁中的剪應(yīng)力τ與梁的彎矩M無(wú)關(guān)，僅是剪力Q的函數(shù)。鑒于剪應(yīng)力本身是不能測(cè)量的，但它能產(chǎn)生于中性軸呈45°方向的互相垂直的兩個(gè)大小相等而且拉、壓成雙的主應(yīng)力。因此，可以通過(guò)對(duì)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(cè)量，以達(dá)到測(cè)力與稱重的目的。美國(guó)學(xué)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?zé)o關(guān)的切應(yīng)力原理來(lái)設(shè)計(jì)稱重傳感器彈性體的理論，并設(shè)計(jì)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(jì)的重大突破，進(jìn)一步提高了測(cè)量準(zhǔn)確度，有力地推動(dòng)了稱重傳感器的發(fā)展和應(yīng)用范圍的擴(kuò)大。
隨著數(shù)值計(jì)算方法和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，1974年，美國(guó)學(xué)者斯坦因（Stein）和德國(guó)學(xué)者埃多姆（Edom）分別提出建立彈性體力學(xué)模型，利用有限元計(jì)算方法，分析彈性體的強(qiáng)度、剛度、應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)，以取得彈性體結(jié)構(gòu)的*設(shè)計(jì)，為新型傳感器設(shè)計(jì)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(guó)的衡器制造商，為了開(kāi)發(fā)商業(yè)用電子計(jì)價(jià)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(dāng)時(shí)無(wú)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(shí)現(xiàn)此量程范圍內(nèi)的測(cè)量。為此美、日等國(guó)研制出測(cè)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(jì)出鋁合金小量程的平行梁型稱重傳感器。
美國(guó)學(xué)者查特斯（K.Chatters）根據(jù)十七世紀(jì)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(huì)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(jìn)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(jì)算方法，使傳感器彈性體的結(jié)構(gòu)更趨合理。
（2）溫度自補(bǔ)償箔式應(yīng)變片、傳感器應(yīng)變片以及多功能自補(bǔ)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(bǔ)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(jìn)和廣泛應(yīng)用。
（6）傳感器生產(chǎn)工藝的自動(dòng)化程度不斷提高，質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)逐漸完善。
5、測(cè)力、稱重傳感器的分立
長(zhǎng)期以來(lái)電子衡器（無(wú)論是自動(dòng)衡器還是非自動(dòng)衡器）及自動(dòng)稱量系統(tǒng)中應(yīng)用的是各種電阻應(yīng)變式負(fù)荷傳感器，為了確保衡器的產(chǎn)品質(zhì)量，法制計(jì)量組織（OIML）制定了“非自動(dòng)衡器計(jì)量規(guī)程”國(guó)家建議NO.3，并于1968年10月第三屆法制計(jì)量大會(huì)通過(guò)。但是在衡器精度評(píng)定等方面長(zhǎng)期與傳感器不相同。
由于測(cè)力和稱重所用的傳感器，其原理、結(jié)構(gòu)、材料、工藝以及計(jì)量都相同。因而兩者一直沒(méi)有加以區(qū)別，在國(guó)內(nèi)統(tǒng)稱為“負(fù)荷傳感器”、“力傳感器”。隨著衡器與自動(dòng)稱量技術(shù)的發(fā)展，以及測(cè)力、稱重兩大技術(shù)領(lǐng)域?qū)?zhǔn)確度要求等的不同，使人們逐漸認(rèn)識(shí)到把用于質(zhì)量測(cè)量的傳感器和用于測(cè)力的傳感器，在定義上、評(píng)價(jià)上、計(jì)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(cè)力傳感器”，文獻(xiàn)中一般都用“Load cell”表示。為此，法制計(jì)量組織（OIML）Sr-8秘書處負(fù)責(zé)起草《稱重傳感器計(jì)量規(guī)程》，在1984年10月第7屆法制計(jì)量大會(huì)討論通過(guò)，并于1985年以O(shè)IML R60建議頒布，正式確定了測(cè)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(diǎn)重力加速度和空氣浮力影響的，通過(guò)把被測(cè)量（質(zhì)量）轉(zhuǎn)換為另一種被測(cè)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(píng)定試驗(yàn)報(bào)告格式”等。目前各國(guó)執(zhí)行的R60 2000年版。由于這種變遷，過(guò)去對(duì)負(fù)荷傳感器的等級(jí)劃分、技術(shù)性能、誤差評(píng)定等都不適用了，而必須參照“稱重傳感器計(jì)量
規(guī)程”建議R60，其基本思想與“非自動(dòng)衡器計(jì)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(cè)力或稱重傳感器都是用“strain gage based load cell”表示?，F(xiàn)今若沒(méi)有特別的說(shuō)明，文獻(xiàn)中“load cell”一般都是指電阻應(yīng)變式傳感器。只是在測(cè)力場(chǎng)合，可稱為測(cè)力傳感器；而在稱重場(chǎng)合，則可稱為稱重傳感器。
根據(jù)長(zhǎng)期的實(shí)踐表明，測(cè)力和稱重傳感器的主要區(qū)別在于：
（1）使用場(chǎng)合不同。稱重傳感器是用于需要考慮使用地點(diǎn)重力加速度和空氣浮力的場(chǎng)合。它廣泛用于各種衡器和自動(dòng)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(cè)量；測(cè)力傳感器主要用于工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)和材料性能試驗(yàn)中力值（載荷）測(cè)量以及力值比較、傳遞。還可以用于測(cè)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(chǎng)或環(huán)境較差的場(chǎng)合，而測(cè)力傳感器通常應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。
（2）采用的單位不同。由于力和質(zhì)量是兩個(gè)不同的物理量，稱重傳感器和測(cè)力傳感器的測(cè)量對(duì)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(biāo)準(zhǔn)重力加速度時(shí)，1kg≈9.80665N；1N≈0.10197162kg。
（3）評(píng)價(jià)方法不同。稱重傳感器是以分辨率（即標(biāo)尺間隔或分度值d）的多少來(lái)評(píng)價(jià)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(cè)力傳感器是以不確定度（即相對(duì)不準(zhǔn)確度或相對(duì)準(zhǔn)確度）來(lái)評(píng)定其性能的。通常測(cè)力傳感器的不確定度可以在5×10-3～2×10-5之間。準(zhǔn)確度級(jí)別為2×10-5的測(cè)力傳感器，通常適用于各國(guó)計(jì)量研究機(jī)構(gòu)之間的力值比對(duì)或傳遞。
（4）技術(shù)要求和測(cè)量結(jié)果的處理方法不同。對(duì)于稱重傳感器，要求其所有偏差之和應(yīng)處于某一個(gè)允差帶之內(nèi)；而測(cè)力傳感器則要求其各單項(xiàng)指標(biāo)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(jì)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(shí)可能產(chǎn)生的誤差已經(jīng)在檢定衡器時(shí)作了校正（如衡器的四角誤差等）；而測(cè)力傳感器則會(huì)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(gè)易損部件，無(wú)論用于衡器中還是各種自動(dòng)稱重系統(tǒng)中，都希望在使用期間具有很好的長(zhǎng)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(duì)應(yīng)變片和傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性影響zui為明顯，為此，引起人們的嚴(yán)重關(guān)注。為了解決這方面的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)人士從上世紀(jì)六十年代至今，一直在這方面進(jìn)行著各種努力。根據(jù)國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)，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(qiáng)的環(huán)氧-酚醛基底或玻璃纖維增強(qiáng)的聚酰亞胺基底的全密封溫度自補(bǔ)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(hù)，而且使基底-敏感柵絲-覆蓋層之間形成一個(gè)堅(jiān)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(duì)于長(zhǎng)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(jiàn)，為了
防護(hù)涂料的返潮問(wèn)題，在中間涂層間加置一鋁箔層。一方面可避免加強(qiáng)效應(yīng)，另一方面可阻斷外層潮氣得進(jìn)入和內(nèi)層涂層的返潮。對(duì)于有防護(hù)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(jìn)行焊接密封，并在內(nèi)中進(jìn)行充氮保護(hù)等，以保證傳感器在使用環(huán)境條件下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
圖11 全密封應(yīng)變片（M-M） 圖12 應(yīng)變片防護(hù)涂層截面（M-M） 圖13 全密封稱重傳感器剖視圖
7、溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片與橋路補(bǔ)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(jì)五十年代初期，人們通過(guò)對(duì)合金絲材的合金成分的調(diào)整及控制熱處理溫度和時(shí)間等方法，制取了適用于各種試件材料上的溫度自補(bǔ)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(bǔ)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(shí)際需要。從六十年代至七十年代中期，人們逐漸完成對(duì)應(yīng)變電橋線路的改造和完善。實(shí)現(xiàn)了①零點(diǎn)平衡調(diào)整；②零點(diǎn)溫漂補(bǔ)償；③傳感器靈敏度調(diào)整；④靈敏度溫漂補(bǔ)償；⑤輸出一致性調(diào)整；⑥補(bǔ)償電阻非線性補(bǔ)償?shù)龋ㄈ鐖D14），從而使稱重傳感器的測(cè)量精度有了明顯的提高，極大地滿足了衡器和自動(dòng)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(jiǎn)化
隨著對(duì)應(yīng)變片和稱重傳感器的深入研究，人們除了繼續(xù)改進(jìn)和提高各種溫度自補(bǔ)償性能外，還逐漸研制成功了彈性模量自補(bǔ)償應(yīng)變片、蠕變自補(bǔ)償應(yīng)變片。在此基礎(chǔ)上，還有可能制成具有溫度自補(bǔ)償和蠕變自補(bǔ)償或溫度自補(bǔ)償和彈性模量自補(bǔ)償?shù)碾p重功能的自補(bǔ)償應(yīng)變片，以及同時(shí)具有溫度-蠕變-彈性模量自補(bǔ)償三重功能自補(bǔ)償應(yīng)變片。若使用多功能自補(bǔ)償應(yīng)變片，將使傳感器橋路大大簡(jiǎn)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(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)圖 圖15 傳感器橋路的簡(jiǎn)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(dòng)稱量技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，在我國(guó)鋼鐵等冶金部門對(duì)高溫稱重傳感器的需求量越來(lái)越大。高溫稱重傳感器過(guò)去長(zhǎng)期需要國(guó)外進(jìn)口，為了*，國(guó)內(nèi)有關(guān)單位在上世紀(jì)九十年代，采用玻璃纖維增強(qiáng)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(dòng)稱量。
10、稱重傳感器與秤體一體化、模塊化、集成化
長(zhǎng)期以來(lái)，傳統(tǒng)的電子衡器都是由秤體、稱重傳感器、秤臺(tái)、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(shí)間長(zhǎng)、活動(dòng)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(wèn)題。二十世紀(jì)九十年代以來(lái)，隨著科技的進(jìn)步，工業(yè)自動(dòng)化水平的提高，各行業(yè)對(duì)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(jì)思路出發(fā)，經(jīng)過(guò)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(dòng)態(tài)電子軌道衡、集成化稱重板動(dòng)態(tài)公路車輛軸重秤等。在上述設(shè)計(jì)思想指導(dǎo)下，在電子吊鉤秤領(lǐng)域開(kāi)發(fā)出集成化稱重鉤、稱重環(huán)型電子吊秤；電子平臺(tái)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(tái)秤、支承與稱重傳感器一體化的電子軸重秤、可折疊和臺(tái)面可翻轉(zhuǎn)的電子平臺(tái)秤、薄型和超薄型滾動(dòng)紙捆計(jì)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(jì)九十年代以來(lái)，隨著數(shù)字技術(shù)和信息技術(shù)的高速發(fā)展，也促進(jìn)了電子衡器的數(shù)字化和智能化的進(jìn)程。早在1983年美國(guó)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(bǔ)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(kāi)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(huì)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(hào)大、抗干擾能力強(qiáng)、信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)、易實(shí)現(xiàn)智能控制等特點(diǎn)，成為數(shù)字式電子
衡器和自動(dòng)稱重計(jì)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(zhǎng)期以來(lái)，人們的研究重點(diǎn)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(jìn)制造工藝、采用應(yīng)變片和相應(yīng)的粘貼工藝、完善橋路補(bǔ)償和調(diào)整技術(shù)、實(shí)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(hào)小、抗干擾能力差、傳輸距離短、稱重顯示儀表復(fù)雜以及組秤調(diào)試時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)，如何改善或克服這些缺點(diǎn)，始終是人們關(guān)心的問(wèn)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(guó)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(hào)檢測(cè)和處理、邏輯判斷、雙向通訊、自檢、自校、自補(bǔ)償、自診斷和計(jì)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(diǎn)是：（1）輸出信號(hào)大、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、信噪比高；（2）通過(guò)數(shù)字補(bǔ)償電路和數(shù)字補(bǔ)償工藝，可以進(jìn)行非線性、滯后、蠕變等補(bǔ)償，有利于提高傳感器性能；（3）輸出信號(hào)規(guī)格化；（4）可內(nèi)置溫度傳感器，并通過(guò)補(bǔ)償軟件可進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)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(gè)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(hào)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(bǔ)償技術(shù)和工藝實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)自補(bǔ)償、自校、自診斷、數(shù)據(jù)檢測(cè)及數(shù)據(jù)處理等功能等。
目前，市場(chǎng)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(jìn)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(dòng)力。
三、結(jié)語(yǔ)
前面簡(jiǎn)要地回顧了電阻應(yīng)變式測(cè)力與稱重傳感器的發(fā)展歷程，介紹了各個(gè)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(qǐng)批評(píng)指正。
圖16 數(shù)字型智能稱重傳感器
參考文獻(xiàn)
1．Perry.C.C.etc. The strain gage primer，1955。
2．J.E.Starr,etc. 50 years of the bonded resistance strain gage—an American retrospective, Proceeding of the Western regional strain gage committee June 6-10 1988。
3．劉九卿，應(yīng)變式稱重傳感器技術(shù)動(dòng)向和發(fā)展趨勢(shì) 《第五屆全國(guó)稱重技術(shù)研討會(huì)論文集》，2006。
4．鄔顯義，談測(cè)力傳感器與稱重傳感器的差別 《傳感器應(yīng)用技術(shù)》7-3，1989.9。
5．施漢謙、宋文敏，電子秤技術(shù) 北京，中國(guó)計(jì)量出版社，1991.9。
6．劉九卿，電子衡器結(jié)構(gòu)的新發(fā)展 《衡器》32-5，2003.9。
7．張延溫等，淺淡數(shù)字稱重傳感器的技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 《衡器》33-1，2004.1。
8．劉九卿，數(shù)字智能稱重傳感器的發(fā)展與應(yīng)用 《衡器》33-5，2004.9。
9．陳日興，數(shù)字式稱重傳感器的智能化功能演變與發(fā)展綜述 《第六屆稱重技術(shù)研討會(huì)論文集》，2007.4。
作者
通信地址：北京市豐臺(tái)區(qū)東高地萬(wàn)源東里87棟1單元3號(hào)
郵政編碼：100076 ：