稱重傳感器技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

目前的研發(fā)熱點是：

數(shù)字式智能稱重傳感器的數(shù)字補償技術(shù)與補償工藝，及其應(yīng)用技術(shù)；

快速、低速動態(tài)、動態(tài)稱重傳感器的研制及阻尼技術(shù)；

高溫稱重傳感器制造工藝，高溫穩(wěn)定性及應(yīng)用技術(shù)；

耐壓、防爆型稱重傳感器及耐壓外殼設(shè)計與試驗技術(shù)；

組件化設(shè)計的“即插即用”的新式稱重模塊；

利用鋇和鈮代替鎳制作靈敏度溫度補償電阻的研究。

三、我國稱重傳感器技術(shù)現(xiàn)狀及主要差距

盡管我國航空、航天工業(yè)部門早在20世紀50年代末期就開始研究應(yīng)用應(yīng)變式負荷傳感器，但并未向民用發(fā)展。就全國而言，負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)普通精度等級的應(yīng)變式測力傳感器。結(jié)構(gòu)單一，只有圓柱、圓環(huán)兩種結(jié)構(gòu)，基本不進行電路補償與調(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)用資一億元人民幣，用匯1300萬美元，從美、日等國引進應(yīng)變式負荷傳感器制造技術(shù)與工藝裝備，進行學(xué)習、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，取得相當可觀的效益。當時人們對此產(chǎn)品的總結(jié)是：多品種、小批量、低成本、高收益、投資少、見效快。引起不少行業(yè)的個人和企業(yè)的關(guān)注，紛紛進入此行業(yè)，生產(chǎn)廠家從70年代的20多個迅速增加到100多個，年產(chǎn)量與日本相當，達到100多萬只。

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，各行業(yè)對電子衡器的需求不斷增加，極大的促進了稱重傳感器技術(shù)的發(fā)展。80年代中期到90年代中期，是我國稱重傳感器技術(shù)穩(wěn)步發(fā)展，品種和規(guī)格迅速增加，產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高的十年。不少廠家都改進或增加工藝裝備、檢測儀表，購置智能溫度補償裝置和靈敏度溫度補償設(shè)備，實現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)。90年代中期稱重傳感器生產(chǎn)企業(yè)增加到160多個，年產(chǎn)量200多萬只。除滿足國內(nèi)市場需求外，十余個企業(yè)開始小批量出口，呈現(xiàn)出較好的發(fā)展勢頭。

盡管稱重傳感器是國家強制管理的法制計量器具，應(yīng)當比較難進入此行業(yè)，但由于種種原因?qū)е烈恍┢髽I(yè)和個人很容易進入，造成市場擁擠，加劇了市場競爭。終于在90年代中期爆發(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，已經(jīng)到了走火入魔的程度。價格大戰(zhàn)的惡果是技術(shù)進步緩慢，工藝水平下降，質(zhì)量問題嚴重，管理監(jiān)督失控。zui初的受害者是廣大用戶，zui終的受害者是企業(yè)自己，是整個稱重傳感器行業(yè)。帶著這些問題進入21世紀，稱重傳感器與工業(yè)發(fā)達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)果就是例證。

2002年國家監(jiān)督抽查7省市，16個企業(yè)，共48只稱重傳感器，合格18只，合格率37.5%。30只不合格產(chǎn)品來自10個企業(yè)，不合格原因全部是溫度性能超差。更為嚴重的是在16個企業(yè)中，只有一個企業(yè)嚴格執(zhí)行國家標準。如果變抽查為全面檢查，合格率會更低。國家監(jiān)督抽查結(jié)果真實的反應(yīng)了我國稱重傳感器總體技術(shù)、工藝和管理水平

。合格率低的主要原因是：質(zhì)量意識差，不依法組織生產(chǎn)；對R60建議和國家標準不理解、不執(zhí)行，錯誤的把0.02級與C3級等同起來；在利益驅(qū)使下改材料、換元件、減工藝，只求勉強合格或人為合格。

我國稱重傳感器與工業(yè)發(fā)達國家處于市場引導(dǎo)地位企業(yè)產(chǎn)品的主要差距是：

（1）結(jié)構(gòu)類型偏少，品種規(guī)格不全，特種用途產(chǎn)品奇缺；

（2）準確度等級較低，C3級成功率不高；

（3）穩(wěn)定性和可靠性較差，返修率高，工作壽命低；

（4）產(chǎn)品標準化、工程化水平和企業(yè)產(chǎn)業(yè)化程度較低，產(chǎn)品技術(shù)指標的均一性差；

（5）外觀質(zhì)量雖有提高，但仍有較大差距；

（6）工藝裝備、檢測手段不夠*且不配套，生產(chǎn)工藝中手工操作、人為控制成份大，“作坊手藝”痕跡較深，人為因素對產(chǎn)品質(zhì)量影響較大；

（7）創(chuàng)新產(chǎn)品和自主知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品少，低水平重復(fù)產(chǎn)品多，貼牌加工、直接出口產(chǎn)品少；

（8）企業(yè)沒有核心競爭技術(shù)和產(chǎn)品，市場調(diào)查不夠，市場響應(yīng)速度太慢，造成無法與市場融合。

總之，制造工藝差距zui大，通常將制造工藝分為：

支持工藝一一彈性體鍛造、機械加工、熱處理和表面處理等；

基礎(chǔ)工藝一一電阻應(yīng)變計、應(yīng)變粘結(jié)劑、電路補償元器件和防護密封材料等；

核心工藝一一電阻應(yīng)變計粘貼與固化、零點與靈敏度智能溫度補償和防護與密封等；

特殊工藝一一熱處理法時效工藝和機械法穩(wěn)定處理工藝等。

其中基礎(chǔ)工藝和特殊工藝差距zui大。

家用電子秤（人體秤、健康秤、脂肪秤、廚房秤、營養(yǎng)秤、珍寶秤、口袋秤和手提秤等）用稱重傳感器及其電阻應(yīng)變計，90年代中期以來，其研發(fā)與生產(chǎn)由世界各國逐漸移向中國，主要在廣東、在深圳。近些年來在設(shè)計技術(shù)、制造工藝和產(chǎn)品產(chǎn)量上都取得了令人震驚的飛速發(fā)展。生產(chǎn)企業(yè)有三種類型：其一設(shè)計、生產(chǎn)、組裝各種家用電子秤；其二為家用電子秤生產(chǎn)廠配套生產(chǎn)各種稱重傳感器（或自己生產(chǎn)電阻應(yīng)變計，或外購電阻應(yīng)變計）；其三只生產(chǎn)家用電子秤稱重傳感器用電阻應(yīng)變計。目前這三種類型的生產(chǎn)廠家已達60多個。據(jù)國家海關(guān)統(tǒng)計2003年家用電子秤出口量3860多萬臺，出口值1.47億美元，并以每年30％的速度增長。當時預(yù)計2004年家用電子秤出口量5000多萬臺，出口值2億多美元。以此出口量計算，2004年共生產(chǎn)家用電子秤稱重傳感器共1.2億只，與其配套的電阻應(yīng)變計（以單軸片計算）約4.8億片。

經(jīng)過多年的研究與生產(chǎn)實踐，解決了稱重傳感器量程小、彈性體小、電阻應(yīng)變計敏感柵尺寸小等制造工藝上的難題。由于家用電子秤稱重傳感器的準確度為普通等級，不進行電路補償，必需大批量生產(chǎn)，一般中型以上的生產(chǎn)廠日產(chǎn)電阻應(yīng)變計12萬片以上，稱重傳感器3萬多只。他們用高質(zhì)量的溫度和模量自補償電阻應(yīng)變計較好的解決了這一難題，為大批量生產(chǎn)家用電子秤稱重傳感器創(chuàng)造了條件。

四、近年來稱重傳感器技術(shù)發(fā)展動向

上主要有兩種發(fā)展途徑：以美國為代表的先后民用，先提高后普及的途徑和以日本為代表的實用化商品化，先普及后提高的途徑。我國應(yīng)屬于后者，盡管部門研究應(yīng)用較早，但并未轉(zhuǎn)為民用，快速發(fā)展和普及還是在近20年。近幾年是關(guān)鍵時期，急需提高我國稱重傳感器的總體技術(shù)、工藝和質(zhì)量水平。

稱重傳感器技術(shù)的發(fā)展動向是，把稱重傳感器的準確度、穩(wěn)定性和可靠性作為極其重要的質(zhì)量指標，把制造技術(shù)和制造工藝作為核心競爭力，緊緊抓住稱重傳感器的特性問題、生產(chǎn)問題和應(yīng)用問題進行基礎(chǔ)研究、工藝研究和應(yīng)用研究，其研究方向和特點是：

（1）在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造工藝中，吸取了工程化產(chǎn)品設(shè)計中的計算機擬實技術(shù)和虛擬技術(shù)，加快開發(fā)速度，減少開發(fā)風險；

（2）在彈性體加工中，從單元加工技術(shù)發(fā)展到集成化加工技術(shù)；從剛性制造發(fā)展到柔性制造；從簡單化經(jīng)驗判斷發(fā)展到智能化定量分析。普遍采用柔性制造單元和柔性制造系統(tǒng)；

（3）生產(chǎn)工藝已不是傳統(tǒng)關(guān)念中的“作坊手藝”，而是技術(shù)與管理相結(jié)合的一項系統(tǒng)工程。為適應(yīng)多品種、大批量生產(chǎn)，保證產(chǎn)品技術(shù)性能的均一性，生產(chǎn)工藝必須向盡量減少手工操作、人為控制，增加半自動化和自動化工序方向發(fā)展。例如：采用計算機控制，人機一體化工藝系統(tǒng)和測試技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化信息系統(tǒng)等；

（4）與穩(wěn)定性和可靠性有關(guān)的穩(wěn)定處理工藝在高溫處理，低溫深冷，脈動疲勞，超載靜壓等方法的基礎(chǔ)上，又研究出振動時效、共振時效新工藝，共振10分鐘，可消除絕大部分殘余應(yīng)力。

在上述設(shè)計與制造下，稱重傳感器的品種和結(jié)構(gòu)又有創(chuàng)新，技術(shù)功能和應(yīng)用范圍不斷擴大，主要成果有：

（1）美國Revere公司研制出PUS型具有大氣壓力補償功能的拉壓兩用的稱重傳感器，用于高準確度檢驗平臺，稱重平臺，準確度可達5000d；

（2）德國HBM公司研制成功C2A、C16A兩種不同結(jié)構(gòu)的1一100t具有“耐壓外殼”保護的防爆稱重傳感器，其防爆性能符合歐洲EN50014和EN50018“d”級標準；

（3）美國斯凱梅公司研制出新一代高準確度不銹鋼F60X系列5一5000kg稱重傳感器，準確度6000d。用于濕度大，腐蝕性強的環(huán)境中，而且防水；

（4）德國塞特內(nèi)爾公司研制出以鈹青銅為彈性體材料，快速稱重用200型稱重傳感器。其特點是線性好，固有頻率高，動態(tài)響應(yīng)快。油阻尼裝置與過載保護裝置一體化，保證稱量時速度快，工作壽命長。組裝3一30kg電子平臺秤，準確度可達4000d；

（5）美國THI公司研制的1410型5一30kg鋁合金稱重傳感器，準確度等級優(yōu)于C3級，可承受離心力和機械振動，內(nèi)裝特制的粘性阻尼器，保證稱量時有較快的穩(wěn)定時間，一般低于50ms；

（6）美國VT一BLH公司開發(fā)出新式稱重模塊，具有合理的組件化功能和*的稱重效率，出廠后“即插即用”，可自動調(diào)節(jié)位置，不受攪拌，偏心和振動影響。

僅以上幾例，足以代表了新產(chǎn)品的開發(fā)方向，體現(xiàn)了技術(shù)的先導(dǎo)性，工藝的*性。就技術(shù)含量而言，有高準確度（4000d一6000d）稱重傳感器制造技術(shù)；大氣壓力補償技術(shù)；用于快速、動態(tài)測量稱重傳感器的粘性阻尼器快速穩(wěn)定技術(shù)；隔爆型耐壓外殼的設(shè)計與制造技術(shù)；組件化新式模塊設(shè)計技術(shù)等。

五、稱重傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢

應(yīng)變式稱重傳感器的發(fā)展趨勢，可用“四化”來概括，即設(shè)計技術(shù)虛擬化，制造技術(shù)柔性化，生產(chǎn)工藝網(wǎng)絡(luò)化，企業(yè)管理信息化。

設(shè)計技術(shù)虛擬化：包括彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計的擬實技術(shù)和工藝設(shè)計的虛擬技術(shù)。結(jié)構(gòu)設(shè)計的擬實技術(shù)：是指面向彈性體的結(jié)構(gòu)和性能分析技術(shù)，包括動態(tài)仿真、動力學(xué)分析、強度和剛度有限單元法計算、敏感區(qū)應(yīng)變大小與分布等，以達到優(yōu)化設(shè)計的目的。

工藝設(shè)計的虛擬技術(shù)：是指面向彈性體生產(chǎn)過程的模擬和試驗，檢驗彈性體的可加工性，加工方法和工藝的合理性，保證制造工藝*化。

設(shè)計技術(shù)虛擬化的核心是有限單元計算和計算機動態(tài)仿真。通過仿真軟件來模擬真實受載情況，發(fā)現(xiàn)并及時處理設(shè)計和工藝缺陷或錯誤，以確保結(jié)構(gòu)設(shè)計和生產(chǎn)工藝的合理性。

制造技術(shù)柔性化：是指在多品種、大批量生產(chǎn)的彈性體加工中，納入*的制造技術(shù)：柔性制造單元（FMC）、柔性制造系統(tǒng)（FMS）和計算機集成制造系統(tǒng)。它是計算機技術(shù)、信息技術(shù)、自動控制技術(shù)等與傳統(tǒng)的制造技術(shù)相結(jié)合形成的全新的制造系統(tǒng)。

生產(chǎn)工藝網(wǎng)絡(luò)化：是指在生產(chǎn)工藝全過程中，通過通訊線路和設(shè)備把各生產(chǎn)工序具有獨立操作和控制功能的計算機系統(tǒng)相互連接起來，在網(wǎng)絡(luò)軟件管理下，實現(xiàn)信息的收集、存儲和處理。與傳統(tǒng)的“作坊手藝”生產(chǎn)工藝相比，大大的減少了手工操作，zui大限度的排除了人為因素對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。

企業(yè)管理信息化：是指按計算機處理的要求，依據(jù)結(jié)構(gòu)化系統(tǒng)分析和設(shè)計方法，建立企業(yè)信息系統(tǒng)，實現(xiàn)企業(yè)管理全面現(xiàn)代化。包括CAD、CAM系統(tǒng)，生產(chǎn)管理系統(tǒng)，商務(wù)決策系統(tǒng)和經(jīng)營管理系統(tǒng)等。

為適應(yīng)電子稱重技術(shù)從靜態(tài)稱重向動態(tài)稱重發(fā)展；計量方法從模擬測量向數(shù)字測量發(fā)展；測量特點從單參數(shù)測量向多參數(shù)測量發(fā)展，以及電子衡器對稱重傳感器的新要求，以下課題將是今后一個時期的研發(fā)重點：

快速、低速動態(tài)和動態(tài)稱重傳感器及其阻尼技術(shù)；

多功能、多分量稱重傳感器及其測試方法；

微小和超大量程稱重傳感器；

防爆、耐壓、耐腐蝕等稱重傳感器；

偏心載荷測量及車載秤用稱重傳感器；

大阻值低功耗高精度電阻應(yīng)變計研制等。

分析近年來電子衡器對稱重傳感器的新要求，不難得出小型化，集成化，多功能化和智能化將是稱重傳感器的重要特點和發(fā)展趨勢。

小型化：是指稱重傳感器總體結(jié)構(gòu)體積小、高度低、重量輕，即小、薄、輕。例如：30t、60t彎曲環(huán)式結(jié)構(gòu)，其外形尺寸分別為外徑120mm和150mm，高度只有50mm和60mm。

集成化：有結(jié)構(gòu)集成和功能集成兩種形式。結(jié)構(gòu)集成是指彈性體與秤體合二為一的新型結(jié)構(gòu)，例如：稱重板、稱重軌、稱重鉤、稱重環(huán)等。功能集成是指將重量信息采集、放大、變換、傳輸、處理和顯示都集于一體的稱重傳感器，例如：將敏感元件（彈性體）、轉(zhuǎn)換元件（電阻應(yīng)變計）、信號處理電路和稱重顯示控制都集于一體的輪輻式稱重傳感器，其數(shù)字顯示位置就在傳統(tǒng)輪輻式稱重傳感器的接線盒處，通常稱為輪輻式稱重儀。

多功能化：是指稱重傳感器本身除具有檢測重量信息的功能外，還能同時檢測其它信息。例如：電子吊秤用稱重傳感器在檢測重量信息的同時還可檢測加速度信息；汽車檢測平臺用稱重傳感器，可同時檢測垂直方向的重量信息和水平方向的側(cè)向載荷，即多分力測量。

智能化：是由于模擬式稱重傳感器輸出信號小，抗*力差，傳輸距離短，稱重顯示控制儀復(fù)雜，組秤調(diào)試周期長，根本不適應(yīng)數(shù)字式智能電子衡器的發(fā)展。稱重傳感器的智能化就是研制新型數(shù)字式智能稱重傳感器。有兩種結(jié)構(gòu)：整體型一一在稱重傳感器內(nèi)部增加放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器、溫度傳感器等數(shù)字處理電路，利用數(shù)字補償技術(shù)與工藝實現(xiàn)各項補償。分離型一--將整體型數(shù)字式智能稱重傳感器內(nèi)的數(shù)字電路置于外部接線盒內(nèi)，稱為數(shù)字模盒。將普通模擬式稱重傳感器接入數(shù)字模盒，就可變模擬輸出為數(shù)字輸出，通常將其稱為分離型數(shù)字稱重傳感器系統(tǒng)。

數(shù)字式智能稱重傳感器具有如下特點：

（1）輸出信號大，抗*力強，傳輸距離遠，信噪比高；

（2）通過數(shù)字補償電路和數(shù)字補償工藝，可進行線性、滯后、蠕變等補償，改善了性能；

（3）輸出信號規(guī)格化；

（4）內(nèi)裝溫度傳感器，通過補償軟件可進行實時溫度補償，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)用與互換。

什么是智能傳感器，在各國相關(guān)雜志上討論多年，20世紀90年代中期才有比較一致的看法：把凡具有一種或多種敏感功能，能夠完成信號探測和處理、邏輯判斷、雙向通訊、自檢、自校、自補償、自診斷和計算等全部或部分功能的器件叫做智能傳感器。它可以是集成的，也可以是分離件組裝的。數(shù)字式智能稱重傳感器*符合此定義。今后一個時期，智能化數(shù)字補償技術(shù)和工藝還需進一步完善和提高。

zui后希望我國稱重傳感器行業(yè)，盡快結(jié)束*的價格大戰(zhàn)

，實施“質(zhì)量競爭戰(zhàn)略”和21世紀的“創(chuàng)新競爭戰(zhàn)略”，以制造技術(shù)和制造工藝為突破口，迅速提高我國稱重傳感器的總體質(zhì)量水平和信譽度，培養(yǎng)叫得響，用得好，站得住的產(chǎn)品，盡快融入市場，參與競爭。