影響應(yīng)變式稱重傳感器性能的設(shè)計(jì)與工藝問(wèn)題

1、PPT講義 影響應(yīng)變式稱重傳感器性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造工藝問(wèn)題 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 劉九卿,貴公司要求講解四個(gè)問(wèn)題： 1.關(guān)于影響稱重傳感器性能的一些設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)重點(diǎn) 分析講解 2.關(guān)于焊接密封和相關(guān)邊界條件影響的分析講解 3.稱重傳感器可能的新結(jié)構(gòu)、新工藝知識(shí)講解 4.高溫稱重傳感器工藝穩(wěn)定性知識(shí)講解 本次培訓(xùn)講解四個(gè)問(wèn)題： 一、應(yīng)變式稱重傳感器技術(shù)與工藝的新發(fā)展 二、影響稱重傳感器性能的一些設(shè)計(jì)與工藝技術(shù)問(wèn)題 三、稱重傳感器的焊接密封技術(shù)與膜片邊界條件影響 四、高溫稱重傳感器制造工藝特點(diǎn)及工藝穩(wěn)定性,一、應(yīng)變式稱重傳感器技術(shù)與工藝的新發(fā)展 1.概述 傳感器技術(shù)是一項(xiàng)令人矚目、迅猛發(fā)展的高

2、新技 術(shù)，是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要標(biāo)志，它與計(jì)算 機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)構(gòu)成信息產(chǎn)業(yè)三大支柱。 隨著微處理器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息處理技術(shù)的高 速發(fā)展，傳感器的重要性已變得越來(lái)越明顯。 傳感器是信息采集系統(tǒng)的前端單元，傳感器技術(shù)是現(xiàn) 代科技的前沿技術(shù)，傳感器產(chǎn)業(yè)是頗具潛力的高技術(shù)產(chǎn) 業(yè)。專家預(yù)言：人類征服了傳感器技術(shù)就幾乎等于征服 了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)。, 傳感器以其技術(shù)含量高、經(jīng)濟(jì)效益好、滲透能力強(qiáng)、 市場(chǎng)前景廣等特點(diǎn)為世界各國(guó)所重視。 目前世界上有40多個(gè)國(guó)家的5000多個(gè)企業(yè)研制生產(chǎn) 傳感器，產(chǎn)品20000多種。 我國(guó)研制生產(chǎn)的傳感器共10大類，42小類，6000 多個(gè)品種，稱重傳感器是機(jī)械量傳

3、感器中的一種。 傳感器技術(shù)可以說(shuō)無(wú)處不用，其應(yīng)用比例如下： 工業(yè)測(cè)量與控制 18.1%；家用電器 13.7%； 科學(xué)儀器 11.7%； 醫(yī)療保健 11.0%； 環(huán)境保護(hù) 10.0%； 信息處理 8.0%； 汽車 7.3%； 能源 5.3%； 宇宙開發(fā) 2.7%； 其它（如交通運(yùn)輸、海洋開發(fā)等）12.2%。, 在工業(yè)測(cè)量與控制領(lǐng)域，各種傳感器所占比例如下： 壓力 39%； 溫度 25%； 測(cè)力與稱重 14%； 位移 13%； 其它 9%。 在測(cè)力與稱重領(lǐng)域中，用于電子衡器和各種電子稱 重系統(tǒng)的稱重傳感器約占90%以上。 在一個(gè)電子稱重系統(tǒng)中，首先要檢測(cè)到重量信息， 才能去進(jìn)行自動(dòng)控制，因此稱重傳

4、感器是電子稱重 系統(tǒng)中的核心部件。, 如果稱重傳感器獲得的重量信息不確切，那么要顯 示這些信息并對(duì)其進(jìn)行處理就十分困難，甚至沒有 意義，可見稱重傳感器在電子衡器中的地位與作用。 在世界各國(guó)電子衡器產(chǎn)品所用的稱重傳感器中，電 阻應(yīng)變式占90%以上，我國(guó)約占98%以上。 在現(xiàn)代信息技術(shù)領(lǐng)域，信息處理能力有余，信息獲 取能力不足，即“大腦發(fā)達(dá)，五官遲鈍”。在電子稱重 技術(shù)領(lǐng)域，稱重傳感器技術(shù)相對(duì)落后少一些，但穩(wěn) 定性和可靠性有待進(jìn)一步提高。,2. 稱重傳感器技術(shù)特點(diǎn)及新概念、新動(dòng)向 2.1 技術(shù)特點(diǎn) 高技術(shù)性技術(shù)密集程度高，邊緣學(xué)科色彩濃，是 多種學(xué)科相互交叉、相互滲透的結(jié)晶。 高技巧性工藝復(fù)雜，是

5、支持工藝、基礎(chǔ)工藝、核 心工藝、特殊工藝的科學(xué)運(yùn)用和集成。 高綜合性所涉及內(nèi)容多、離散大，必須運(yùn)用綜合技 術(shù)分析方法，解決故障及制程出現(xiàn)的問(wèn)題。 高滲透性功能多樣，性能極好，產(chǎn)品系列、種類 繁多，向其它領(lǐng)域滲透能力強(qiáng)?！凹訌?qiáng)基 礎(chǔ)，擴(kuò)大應(yīng)用”是高滲透性的最好體現(xiàn)。,2.2 稱重傳感器技術(shù)范疇 對(duì)于稱重傳感器技術(shù)，過(guò)去狹義理解僅包括稱重傳 感器本身的制造與測(cè)試技術(shù)。 現(xiàn)在廣義理解既包括稱重傳感器本身的制造與測(cè)試 技術(shù)，又包括制造與測(cè)試時(shí)所需要的相關(guān)技術(shù)、相 關(guān)工藝，以及應(yīng)用技術(shù)。 稱重傳感器技術(shù)屬于高技術(shù)范疇，又是一項(xiàng)綜合型 技術(shù)，所涉及的技術(shù)領(lǐng)域較多，均有一定難度。 微處理器技術(shù)、數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)

6、與傳統(tǒng)的稱重傳感器 技術(shù)相結(jié)合，研制的數(shù)字智能稱重傳感器，擴(kuò)大了 稱重傳感器的技術(shù)范疇和應(yīng)用領(lǐng)域。,2.3 稱重傳感器的特性 一般傳感器的特性，包括其總特性和工作特性。 與測(cè)量系統(tǒng)的匹配性：指與后接儀器組成測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)能滿足輸入、輸出的匹配性。 機(jī)械特性：運(yùn)輸和安裝時(shí)，防止震動(dòng)沖擊的性能。 工作特性：可分為靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性、環(huán)境特性。 可靠性：指?jìng)鞲衅鞯臒o(wú)故障工作時(shí)間，即可靠壽命。 稱重傳感器的特性，是指靜態(tài)計(jì)量性能。 因主要用于質(zhì)量測(cè)量，所以稱重傳感器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 和檢定規(guī)程規(guī)定主要是靜態(tài)計(jì)量性能和靜態(tài)評(píng)定方法。 用允許的誤差包絡(luò)線表征稱重傳感器的特征，能夠平 衡對(duì)整個(gè)測(cè)量誤差有貢獻(xiàn)的每個(gè)因

7、素。,2.4 稱重傳感器發(fā)展概況 20世紀(jì)90年代以來(lái)，在電子稱重技術(shù)與電子衡器產(chǎn)品快速發(fā)展的強(qiáng)力牽引下，應(yīng)變式稱重傳感器進(jìn)入了大發(fā)展時(shí)期，設(shè)計(jì)與制造技術(shù)取得了令世人矚目的進(jìn)步。 應(yīng)變式稱重傳感器的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，產(chǎn)品的種類 和市場(chǎng)占有率，美、德等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的著名制造 公司處于國(guó)際市場(chǎng)引導(dǎo)者的領(lǐng)先地位。 我國(guó)具有一定規(guī)模的稱重傳感器制造公司處于國(guó)際 市場(chǎng)挑戰(zhàn)者地位，一些產(chǎn)品已達(dá)到國(guó)際水平。 我國(guó)大多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)是處于國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)追隨者地位。 家庭電子秤用稱重傳感器的研發(fā)和生產(chǎn)中心在中 國(guó)，制造技術(shù)、工藝水平、產(chǎn)品質(zhì)量逐年提高。,2.5 稱重傳感器技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn) 當(dāng)今國(guó)際市場(chǎng)稱重傳感器技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)，集

8、中表現(xiàn)在 產(chǎn)品的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性和可靠性的競(jìng)爭(zhēng)；制造技術(shù) 與制造工藝的競(jìng)爭(zhēng)；應(yīng)用高新技術(shù)研發(fā)新產(chǎn)品和自 主知識(shí)產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)。 各稱重傳感器制造企業(yè)都在努力培植自己的核心競(jìng) 爭(zhēng)技術(shù)和打造核心競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品。例如正負(fù)蠕變電橋的 “零蠕變”稱重傳感器；鈹青銅動(dòng)態(tài)稱重傳感器；高準(zhǔn) 確度電子天平用數(shù)字稱重傳感器；組件化設(shè)計(jì)的“即 插即用”型新式稱重模塊等。,處于國(guó)際市場(chǎng)引導(dǎo)者地位制造商的 共同追求是： 彈性元件結(jié)構(gòu)與附件設(shè)計(jì)所考慮的因素更全面； 彈性元件材質(zhì)更精良； 電阻應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)更合理、電阻值調(diào)整更精確； 補(bǔ)償元器件的技術(shù)要求和環(huán)境應(yīng)力篩選更嚴(yán)格； 制造工藝流程和電路補(bǔ)償與調(diào)整更科學(xué)、更合理； 性能試驗(yàn)與測(cè)

9、試方法更規(guī)范、更高效； 穩(wěn)定性處理工藝更完善、更有效； 外觀質(zhì)量更完美。,2.6 結(jié)構(gòu)材料向功能材料方向發(fā)展 稱重傳感器技術(shù)發(fā)展的需要，促使彈性元件用的結(jié)構(gòu)材料向功能材料方向發(fā)展，即具有力功 能材料的特點(diǎn)。其特點(diǎn)是： 在性能上，對(duì)稱重傳感器的特性起舉足輕重的作用。 在應(yīng)用上，制成彈性元件后，實(shí)際上是材料與敏感元件一體化。 在對(duì)材料的評(píng)價(jià)上，是以彈性元件形式對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，稱重傳感器性能直接體現(xiàn)材料的優(yōu)劣。 在制造上，對(duì)成分、冶煉、鍛造、淬火、回火工藝要求嚴(yán)格，并盡量少產(chǎn)生殘余應(yīng)力。,2.7 物性型稱重傳感器將進(jìn)入電子稱重領(lǐng)域 當(dāng)今在用的應(yīng)變式稱重傳感器屬于結(jié)構(gòu)型，即利 用彈性元件的變形來(lái)檢測(cè)

10、被稱物體的重量。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展物性型稱重傳感器，如半導(dǎo)體 類、陶瓷類、光纖類、納米類等新型稱重傳感器將 部分進(jìn)入電子稱重技術(shù)領(lǐng)域。 物性型稱重傳感器基本特性和構(gòu)成，與其敏感元件 的核心材料的性能不可分割，即利用材料固有特性 來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)物體重量信息的檢測(cè)。 例如：利用Z-半導(dǎo)體傳感技術(shù)研制的Z-元件稱重傳感器，以及應(yīng)用納米技術(shù)開發(fā)的納米稱重傳感器。,2.8 數(shù)字智能傳感器的接口問(wèn)題 美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所和IEEE儀器與測(cè)量協(xié) 會(huì)的傳感技術(shù)委員會(huì)，針對(duì)變送器各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域的需 求，建立5個(gè)工作組于19932001年制訂IEEE1451 智能變送器接口標(biāo)準(zhǔn)。 IEEE1451.1網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用處理器信

11、息模型。 IEEE1451.2變送器與微處理器通信協(xié)議。 IEEE1451.3分布式多點(diǎn)系統(tǒng)數(shù)字通信。 IEEE1451.4建議標(biāo)準(zhǔn)，即混合模式通信協(xié)議。 IEEE1451.5建議標(biāo)準(zhǔn)，即無(wú)線通信協(xié)議。旨在現(xiàn) 有的IEEE1451框架下，構(gòu)筑一個(gè)開放的標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線 傳感器接口，以適應(yīng)工業(yè)自動(dòng)化等不同應(yīng)用領(lǐng)域的 需求。,3.電阻應(yīng)變計(jì)制造工藝新成果 3.1采用三維有限單元方法設(shè)計(jì)電阻應(yīng)變計(jì) 處于國(guó)際市場(chǎng)引導(dǎo)地位的企業(yè)普遍采用二維和三維有限單元法，建立相應(yīng)的力學(xué)模型，分析電阻應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變 傳遞系數(shù)，提出敏感柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則。 美國(guó)VMM公司建立三維有限單元六面體力學(xué)模型取 一萬(wàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn)，在大容量電子計(jì)算

12、機(jī)上進(jìn)行計(jì)算，其目的是研究電阻應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)，解決敏感柵結(jié)構(gòu)的力學(xué)效應(yīng)，覆蓋層的力學(xué)效果，基底、敏感柵、覆蓋層厚度對(duì)機(jī)械滯后的影響，敏感柵結(jié)構(gòu)與蠕變自補(bǔ)償問(wèn)題。保證電阻應(yīng)變計(jì)敏感柵的結(jié)構(gòu)形狀、幾何尺寸、基底與覆蓋層厚度最合理。,敏感柵 基底 膠粘劑層 彈性元件,剪 應(yīng) 力 拉應(yīng)力,L,X,a a, 由于彈性元件、 基底、膠粘劑都是 面接觸，故變形 能有效傳遞。其變 形以剪切的形式依 次傳遞到基底、敏 感柵上，基底兩端 的位移最大，所以 剪應(yīng)力最大；中間 截面處位移為零， 故剪應(yīng)力符號(hào)相反。, 分析應(yīng)變傳遞得出： （1）彈性元件的變形，以剪切的形式依次傳遞到敏感 柵，由于基底兩端的位移最大，故剪應(yīng)力

13、最大，并呈指 數(shù)曲線上升至最大值，稱為剪應(yīng)力傳遞區(qū)。 （2） 敏感柵正中截面位移為零，故剪應(yīng)力為零， 大部 分區(qū)域是單向應(yīng)力狀態(tài)，傳遞的應(yīng)變基本等于彈性元件 應(yīng)變，故稱為應(yīng)變正常傳遞區(qū)。 （3） 但對(duì)應(yīng)于剪應(yīng)力傳遞區(qū)的敏感柵部分a，應(yīng)變隨 x 增大而減少，端部為零，應(yīng)變傳遞在此區(qū)域滯后。 為了減少端部效應(yīng)影響，應(yīng)合理設(shè)計(jì)端頭尺寸，特 別是基底邊緣至端頭要有足夠距離。 選擇柵、絲時(shí)應(yīng)越薄、越細(xì)越好；基底膠層越薄越 好，膠粘劑彈性模量和剪切彈性模量越大越好，有利 減小滯后和蠕變誤差。,3.2在學(xué)術(shù)領(lǐng)域形成了應(yīng)變電阻合金學(xué)術(shù)分科 研制滿足各種類型電阻應(yīng)變計(jì)工作特性要求的應(yīng) 變電阻合金材料，并從合金熔

14、煉、鍛造，箔材軋制、 碾壓、熱處理開始控制電阻應(yīng)變計(jì)的質(zhì)量。 箔材粗軋工藝：合金的熔煉、電渣重熔保證合金 成份不變，鍛造、冷軋、碾壓等工藝為精軋作準(zhǔn)備。 箔材精軋工藝： 在潔凈度較高的環(huán)境條件下，利 用高速軋機(jī)進(jìn)行冷軋，采用軋機(jī)自動(dòng)厚度控制系統(tǒng)控 制帶材厚度，保證均勻一致。 碾壓精度要求：厚度為0.00010.0002英寸 （2.55m）的帶材，厚度變化小于0.00001英寸 （0.25m）。,3.3 應(yīng)變電阻合金箔材智能真空熱處理設(shè)備 箔材在多次軋制、碾壓過(guò)程中，晶格產(chǎn)生位錯(cuò)、 滑移、空位、破裂等缺陷，其附近的原子處于熱力學(xué) 上的不穩(wěn)定狀態(tài)，是電學(xué)性能不穩(wěn)定的重要原因。因 此必須進(jìn)行穩(wěn)定性處

15、理，即退火處理，在達(dá)到退火溫 度時(shí)這些原子吸收熱能產(chǎn)生擴(kuò)散，使晶格缺陷遷移和 消失，電阻率和電阻溫度系數(shù)趨于穩(wěn)定。 智能真空熱處理爐，能在極高的真空條件下，精 確的按照設(shè)定的熱處理工藝曲線，對(duì)應(yīng)變電阻合金箔 材進(jìn)行熱處理，并采用正壓氫氣體保護(hù)技術(shù)，保證金 屬箔材不被氧化和化學(xué)成分不變，在此前提下調(diào)整其 熱輸出性能。,3.4 超薄應(yīng)變電阻合金箔材 為研制大阻值，低功耗電阻應(yīng)變計(jì)，美國(guó)V-MM 公司研究軋制出0.000060.00008英寸（1.5 2m）厚的應(yīng)變電阻合金箔材。 3.5 采用帶基底的箔材制造電阻應(yīng)變計(jì) 在專用的加壓加溫設(shè)備上，將熱處理后清洗干凈 的箔材，與已制成12.525m膠膜的

16、基底材料，通 過(guò)膠粘劑粘貼、固化使兩者成為一個(gè)整體，供制造電 阻應(yīng)變計(jì)使用。 其特點(diǎn)是：將箔材處理、清洗、涂基底膠、固化 成膜等工序合并為一體，即簡(jiǎn)化了工藝流程，又提高 了電阻應(yīng)變計(jì)的均一性和穩(wěn)定性。,3.6 電子計(jì)算機(jī)控制的智能化蝕刻工藝裝備 智能蝕刻機(jī)為全密封結(jié)構(gòu)，保證蝕刻液成分不 變，采用扇形擺動(dòng)噴淋面與垂直方式承片臺(tái)動(dòng)態(tài)配 合，有效的控制每版應(yīng)變計(jì)電阻值的誤差。 3.7 圖形識(shí)別蝕刻質(zhì)量檢查系統(tǒng) 電子計(jì)算機(jī)控制圖形識(shí)別蝕刻質(zhì)量檢查系統(tǒng)， 檢查嚴(yán)格、科學(xué)、合理，應(yīng)變計(jì)合格率只有60左 右，特別適合用于稱重傳感器。 3.8 新型全密封覆蓋層技術(shù)與工藝 敏感柵與端頭焊點(diǎn)全覆蓋，通過(guò)電火花加工

17、裸 露出焊點(diǎn)，為真正的全密封型電阻應(yīng)變計(jì)。,3.9 智能電化學(xué)調(diào)阻工藝 是利用金屬在電解液中受到電化學(xué)陽(yáng)極溶解使 其尺寸改變的原理，對(duì)細(xì)腐蝕后的電阻應(yīng)變計(jì)，通 過(guò)耐腐蝕材料制成的陰極和它噴射出的電解液，逐片 對(duì)敏感柵進(jìn)行電解加工調(diào)整電阻值。在調(diào)阻時(shí)工作陰 極和敏感柵表面互不接觸，敏感柵表面無(wú)變形層不產(chǎn) 生殘余應(yīng)力。整個(gè)調(diào)阻過(guò)程采用了PC操作系統(tǒng)控 制，自動(dòng)進(jìn)行，調(diào)阻精度和效率高、阻值分散和溫度 系數(shù)小、穩(wěn)定性好。 但需要專用工藝設(shè)備。,3.10 智能光化學(xué)調(diào)阻工藝 近年來(lái)工藝研究的新成果。對(duì)細(xì)蝕刻后的整版 電阻應(yīng)變計(jì)均勻涂上一層蝕刻液，以一定波長(zhǎng)的激 光束掃過(guò)敏感柵上的蝕刻液，蝕刻液只有在光束

18、照 射下才能發(fā)揮蝕刻作用，進(jìn)行光化學(xué)調(diào)阻，直到自 動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)發(fā)出電阻值達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)為止。不產(chǎn)生予 應(yīng)力和溫度特性變差，電阻標(biāo)稱值精度高，阻值分 散度小，溫度系數(shù)小，穩(wěn)定性好，特別適合作高準(zhǔn) 確度的稱重傳感器。 德國(guó)已研制出智能光化學(xué)調(diào)阻裝備。,3.11 激光自動(dòng)剪片新工藝 效率高，基底尺寸一致性好，從敏感柵中心 線到其邊緣公差均為0.005英寸（0.13mm）， 可利用基底外形作為貼片定位基準(zhǔn)。我國(guó)已研制 出智能激光自動(dòng)剪片設(shè)備。 3.12 應(yīng)變計(jì)自動(dòng)性能檢測(cè)與靈敏系數(shù)測(cè)定裝備 主要是標(biāo)準(zhǔn)梁自動(dòng)加載和檢測(cè)系統(tǒng)，即通過(guò) 多路自動(dòng)掃描測(cè)量?jī)x及電子計(jì)算機(jī)控制與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。,3.13 新成果 高溫電阻

19、應(yīng)變計(jì)兼有靈敏度溫度自補(bǔ)償功能。 電阻應(yīng)變計(jì)的疲勞壽命有較大提高，從過(guò)去承受 1000時(shí)的107108次，提高到現(xiàn)在承受1500時(shí)的107108次。 3.14 新課題 近年來(lái)，加強(qiáng)了用Balco（巴爾科）合金代替鎳電阻 的研究，Ni 的電阻溫度系數(shù)在1065時(shí)為 0.59 /， Balco合金為0.43/，且電阻率高，比較容易獲得高電阻值。 Ni和Balco的缺點(diǎn)是電阻值相對(duì)溫度變化不是線性函數(shù)。為此，德國(guó)學(xué)者在研究用鋇或鈮代替鎳作為靈敏度溫度補(bǔ)償電阻。,4. 稱重傳感器技術(shù)的新發(fā)展 4.1 設(shè)計(jì)技術(shù) 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)法 古典算法+經(jīng)驗(yàn)，為半理論、半經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)。即以理 論計(jì)算為基礎(chǔ)，以經(jīng)驗(yàn)公式、設(shè)計(jì)手冊(cè)

20、為依據(jù)，通過(guò) 經(jīng)驗(yàn)公式、近似系數(shù)或類比等方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。簡(jiǎn)單實(shí) 用、比較有效，但也存在弊端，主要是： 達(dá)不到最佳設(shè)計(jì)，有些關(guān)鍵尺寸不盡完全合理，難 以進(jìn)行全面分析和綜合各參數(shù)之間的相互影響； 對(duì)邊界影響、支承剛度和應(yīng)力集中等很難作出分析 和判斷，影響對(duì)結(jié)構(gòu)及邊界支承的正確選擇； 從開始研制到設(shè)計(jì)定型，設(shè)計(jì)和試驗(yàn)周期長(zhǎng)，耗費(fèi) 人力、物力多，成本高。, 現(xiàn)代設(shè)計(jì)法 是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論的延伸、思維方法的改變，多種 設(shè)計(jì)技術(shù)、理論與方法的綜合。其特點(diǎn)是： 設(shè)計(jì)手段精確化、計(jì)算機(jī)化和虛擬化。虛擬化是以 系統(tǒng)軟件在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)三維建模。 設(shè)計(jì)過(guò)程并行化、最優(yōu)化和智能化。 國(guó)際著名稱重傳感器制造企業(yè)普遍

21、開展計(jì)算機(jī)輔 助優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立較為復(fù)雜的力學(xué)模型，采用交互、 高交互有限元程序包進(jìn)行計(jì)算和分析。其核心是計(jì)算 機(jī)動(dòng)態(tài)仿真，發(fā)現(xiàn)并及時(shí)處理某些不可避免的缺陷甚 至錯(cuò)誤，保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性。,4.2 稱重傳感器結(jié)構(gòu)與功能的新進(jìn)展 數(shù)字稱重傳感器 稱重傳感器的原理決定了其本身不能產(chǎn)生帶有數(shù) 字特征的輸出信號(hào)，要實(shí)現(xiàn)數(shù)字輸出必須借助外部力 量。納入數(shù)字技術(shù)后使其性能上了一個(gè)新臺(tái)階。 與數(shù)字技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了半數(shù)字化（模擬數(shù)字混合 方式）和數(shù)字化（全數(shù)字方式）一樣，數(shù)字稱重傳感 器也同樣有兩種實(shí)現(xiàn)方法。 一種是模擬加數(shù)字方法，即模擬稱重傳感器加A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)字模塊，稱為數(shù)字化（國(guó)外稱為簡(jiǎn)單型）。 一種是全數(shù)

22、字方法，即稱重傳感器電橋電路加數(shù) 字處理電路和數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)與工藝，稱為數(shù)字式（國(guó) 外稱為聰明型）。, 分離型數(shù)字稱重傳感器（數(shù)字接線盒） 無(wú)數(shù)顯功能的數(shù)字接線盒： （1）每個(gè)輸入通道具有一個(gè)獨(dú)立的A/D轉(zhuǎn)換器，獨(dú) 立進(jìn)行數(shù)字量化處理； （2）各個(gè)輸入通道共用一個(gè)多路A/D轉(zhuǎn)換器，分別 依次進(jìn)行數(shù)字量化處理。 有數(shù)顯功能的數(shù)字接線盒： 實(shí)際上是將數(shù)字接線盒與數(shù)字稱重儀表合二為 一，具有兩者的全部功能。連接上普通模擬式稱重 傳感器，即組成了數(shù)字稱重系統(tǒng)，具有對(duì)其單獨(dú)尋 址并存儲(chǔ)有關(guān)參數(shù)等功能。, 動(dòng)態(tài)稱重傳感器 為滿足快速稱重和動(dòng)態(tài)稱重的需求，開發(fā)出新結(jié) 構(gòu)的動(dòng)態(tài)稱重傳感器，除具有線性好、固有頻率

23、高， 動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等特點(diǎn)外，還創(chuàng)造性的將油阻尼裝置與過(guò) 載保護(hù)裝置設(shè)計(jì)為一體，使稱量時(shí)稱重傳感器的衰變 時(shí)間快，稱量速度高，工作壽命長(zhǎng)。其準(zhǔn)確度達(dá) 4000d。 美國(guó)THI公司研制出新型動(dòng)態(tài)稱重傳感器，它可以 承受離心力和機(jī)械振動(dòng)，內(nèi)部裝有特制的粘性阻尼 器，保證稱量時(shí)有較快的穩(wěn)定時(shí)間和較小的測(cè)量誤 差，稱量時(shí)的穩(wěn)定時(shí)間低于50ms。, 帶“耐壓外殼”保護(hù)防爆功能的稱重傳感器 德國(guó)HBM公司研制的C2A和C16A兩種不同結(jié)構(gòu) 系列，1100t具有“耐壓外殼”防爆功能的稱重傳感 器。焊接外殼均經(jīng)過(guò)高壓試驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和密 封性能，試驗(yàn)壓力20pa（巴）。 高準(zhǔn)確度不銹鋼稱重傳感器 美國(guó)Scaim

24、e（斯凱梅）公司研制出新一代高準(zhǔn) 確度不銹鋼F60X系列，量程55000kg的稱重傳感 器，準(zhǔn)確度可達(dá)6000d。主要用于濕度大、腐蝕性強(qiáng) 的環(huán)境中，而且防水。, 簿形、超薄型稱重傳感器 主要用于電子天車秤、薄型電子平臺(tái)秤等。 集成化稱重傳感器 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：信號(hào)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。 多分量稱重傳感器 目前多為測(cè)量垂直和水平載荷兩個(gè)分量，例如汽 車檢測(cè)線用的稱重板。其結(jié)構(gòu)原理是在稱重板上加工 出同時(shí)感受垂直載荷和水平載荷的稱重傳感器,碳纖維稱重傳感器 碳纖維稱重傳感器利用的是碳纖維復(fù)合材 料，在

25、外載荷作用下電阻值增大的特性。日本 學(xué)者柳田博明研制的碳纖維復(fù)合功能材料，以 乙烯樹脂為基體，含0.3%0.6%的碳纖維和 31.6%的玻璃纖維。其特點(diǎn)是：在外載荷作用 下，在一定的變形范圍內(nèi)，其電阻變化與應(yīng)變 呈線性關(guān)系。利用這一特性，日本研制出碳纖 維稱重傳感器。, Z-元件稱重傳感器 Z-元件是俄羅斯傳感器專家Zotove（佐托夫）教 授發(fā)現(xiàn)的。它是用N型硅單晶，采用平面擴(kuò)散工藝進(jìn)行 鋁（Al）擴(kuò)散形成PN結(jié)，然后用特制溶液在高溫下進(jìn)行 金（Au）的擴(kuò)散制成硅片，經(jīng)單面打磨、鍍Ni電極形成 歐姆接觸，然后劃片、切割、焊接引線和封裝制成。過(guò) 去只有溫敏、光敏和磁敏Z-元件，目前力敏Z-元件

26、已有 應(yīng)用。其應(yīng)用特點(diǎn)是：體積極?。环磻?yīng)靈敏；工作電壓 低，工作電流小，測(cè)量電路簡(jiǎn)單；輸出頻率信號(hào)，可直 接與計(jì)算機(jī)連接。是研制新一代數(shù)字稱重傳感器的理想 元件，有可能促成稱重傳感器、稱重儀表結(jié)構(gòu)和電子稱 重控制方式的重大變革。, 納米稱重傳感器 納米，即10-9m，相當(dāng)10個(gè)氫原子緊密排在一 起。納米技術(shù)是在納米空間（0.1100nm）內(nèi)研究 電子、原子、分子運(yùn)動(dòng)規(guī)律及特性，以制造具有特定 功能的材料和器件。 納米材料是納米級(jí)的超細(xì)微粒經(jīng)壓制燒結(jié)而成， 其特點(diǎn)是材質(zhì)完全純凈，結(jié)構(gòu)沒有缺陷，具有抗紫外 線、紅外線，電磁干擾等特殊功能。 美國(guó)學(xué)者利用納米材料在外載荷作用下，其體積 變化與載荷成正

27、比這一特性，研制出納米微型稱重傳 感器。,5.應(yīng)變式稱重傳感器技術(shù)攻關(guān)方向 根據(jù)我國(guó)稱重傳感器技術(shù)發(fā)展的總體水平和 與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家同類產(chǎn)品的主要差距，應(yīng)將技術(shù) 攻關(guān)的重點(diǎn)確立為： 共性關(guān)鍵技術(shù)與工藝研究； 稱重傳感器產(chǎn)品工程化研究； 穩(wěn)定性與可靠性技術(shù)研究； 工藝流程中增加自動(dòng)控制工序及批量生產(chǎn)的統(tǒng)計(jì) 制程管理研究； 新產(chǎn)品和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品的開發(fā)。 稱重傳感器應(yīng)用技術(shù)。,6.應(yīng)變式稱重傳感器技術(shù)攻關(guān)內(nèi)容 6.1 課題立項(xiàng)原則 適合稱重傳感器行業(yè)需要和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)影 響稱重傳感器性能的設(shè)計(jì)技術(shù)、制造（冷、熱加工） 技術(shù)、關(guān)鍵工藝和可靠性技術(shù)進(jìn)行研究，提高稱重傳 感器的總體技術(shù)與工藝水平。

28、6.2 技術(shù)攻關(guān)內(nèi)容與課題 仔細(xì)研究稱重傳感器的零點(diǎn)溫度漂移、靈敏度溫度 影響、蠕變等性能如何受外界多種環(huán)境條件作用，通 過(guò)殼體、防護(hù)與密封涂層、自然溫度梯度、電阻應(yīng)變 計(jì)類型所造成的影響。, 在測(cè)試與應(yīng)用中，開展力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)、稱重傳感器及有 關(guān)壓頭、壓墊間，至今尚不完全清楚其機(jī)理的“寄生 效應(yīng)”的研究。 在內(nèi)在機(jī)理上，從稱重傳感器重要質(zhì)量指標(biāo)中發(fā)現(xiàn)， 較苛刻的指標(biāo)是與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家同類產(chǎn)品差距最大 的穩(wěn)定性和可靠性，因此必須加強(qiáng)對(duì)原材料、元器 件環(huán)境應(yīng)力篩選和穩(wěn)定處理工藝的研究。 屏蔽、隔離與干擾抑制技術(shù)在稱重傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與 制造工藝中的應(yīng)用研究。, 改進(jìn)生產(chǎn)工藝 在工藝流程中，增加以計(jì)算機(jī)為核

29、心的自動(dòng)控制 工序，并在網(wǎng)絡(luò)軟件管理下形成工藝流程網(wǎng)絡(luò)化。 采用新工藝 近年來(lái)隨著薄膜工藝水平的提高，促進(jìn)了濺射型 電阻應(yīng)變計(jì)的迅速發(fā)展，即采用濺射技術(shù)直接在彈性 元件表面形成電阻應(yīng)變計(jì)，其厚度僅為箔式電阻應(yīng)變 計(jì)的1/10，故又稱薄膜電阻應(yīng)變計(jì)。其特點(diǎn)是精度 高，可靠性好，無(wú)滯后和蠕變現(xiàn)象，具有良好的耐熱 性和耐沖擊性能，容易制成高阻值的小型電阻應(yīng)變 計(jì)。國(guó)外已應(yīng)用于高溫稱重傳感器制造。,6.3 新產(chǎn)品和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品是競(jìng)爭(zhēng)的核心 競(jìng)爭(zhēng)方向國(guó)內(nèi)、國(guó)際電子衡器市場(chǎng)和其他行業(yè)電子 稱重計(jì)量需求，特別是與稱重傳感器技術(shù) 相近的跨行業(yè)產(chǎn)品 。 競(jìng)爭(zhēng)基礎(chǔ)制造技術(shù)、制造工藝。 創(chuàng)新要求適度跟蹤世界稱重

30、傳感器發(fā)展趨勢(shì)和戰(zhàn)略 前沿技術(shù)，結(jié)合國(guó)情進(jìn)行開發(fā)和創(chuàng)新。 創(chuàng)新標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)先導(dǎo)性、工藝先進(jìn)性、產(chǎn)品適用性、 市場(chǎng)擴(kuò)散性。 創(chuàng)新形式除原創(chuàng)型設(shè)計(jì)外，移植型設(shè)計(jì)、嫁接型設(shè) 計(jì)、集成型設(shè)計(jì)也是創(chuàng)新。,6.4 應(yīng)用技術(shù) 稱重傳感器是高滲透性產(chǎn)品，種類繁多，功能多樣， 性能極好，向稱重和其它技術(shù)領(lǐng)域滲透能力極強(qiáng)。 在汽車電子方面的應(yīng)用。例如：平衡與偏載系統(tǒng)的稱 重傳感器；制動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的扭矩傳感器；輪胎壓力 平衡系統(tǒng)的胎壓傳感器等。 在流量計(jì)量檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用。如質(zhì)量法大流量計(jì)量。 在過(guò)程工業(yè)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。汽車剎車片、玻璃、 橡膠等配料系統(tǒng)。, 在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。治牙、正骨中力的測(cè)量 ；病床秤、輪椅秤

31、等。、 在機(jī)器人方面的應(yīng)用。機(jī)器人外部力覺傳感器；機(jī)器 人內(nèi)部受力狀態(tài)的力傳感器等。 平行梁型稱重傳感器在多分度值電子秤中的應(yīng)用。,7.近期的研發(fā)熱點(diǎn)和長(zhǎng)遠(yuǎn)性技術(shù)課題 動(dòng)態(tài)質(zhì)量測(cè)量法及動(dòng)態(tài)電子秤研究。 快速、低速動(dòng)態(tài)、動(dòng)態(tài)稱重傳感器研制及其阻尼技 術(shù)與阻尼裝置。 稱重傳感器的動(dòng)態(tài)特性及動(dòng)態(tài)誤差。 數(shù)字式稱重傳感器的研制及其數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)與補(bǔ)償 工藝。 數(shù)字模塊、數(shù)字接線盒的研制及其應(yīng)用。 高準(zhǔn)確度稱重傳感器的研制，例如銀行點(diǎn)鈔高檔電 子計(jì)數(shù)秤用稱重傳感器等。,集成化稱重傳感器的研制，例如稱重板、稱重 軌、稱重鉤、稱重叉、稱重梁等。 微小量程、超大量程稱重傳感器的研制。 高溫、低溫、防爆、耐壓、耐

32、腐蝕等特種稱重傳 感器的研制。 新型稱重模塊的研制及其應(yīng)用。 多功能、多分量等復(fù)合型稱重傳感器的研制。 偏心載荷測(cè)量及車載秤用稱重傳感器的研制。 新型靈敏度溫度補(bǔ)償電阻材料的研究。 大阻值、低功耗、高精度電阻應(yīng)變計(jì)的研制。,二、影響稱重傳感器性能的設(shè)計(jì)與工藝技術(shù)問(wèn)題 1. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題 稱重傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與理論計(jì)算，是基于外載荷作 用線與彈性元件加荷軸線一致的前提，且載荷是均勻 的沿著軸線傳遞。 事實(shí)上，外載荷作用線與彈性元件加荷軸線即不同軸 也不均勻傳遞，因此會(huì)產(chǎn)生干擾影響。 對(duì)此干擾影響的敏感程度取決于結(jié)構(gòu)形狀、附件性 能、電阻應(yīng)變計(jì)粘貼位置等。,測(cè)量信號(hào)必定與稱重傳感器的下列因

33、素有關(guān)： 相對(duì)于載荷軸線的傾斜位置； 應(yīng)變區(qū)的面積效應(yīng)； 壓頭和壓墊的表面形狀及硬度； 接觸面大小和材料性質(zhì)、接觸表面粗糙度； 接觸面、接觸帶或接觸點(diǎn)的變形； 加載、承載邊界條件。 加強(qiáng)上述干擾量、影響量等問(wèn)題的研究，對(duì)于稱 重傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、理論計(jì)算和生產(chǎn)出一貫符合國(guó) 家標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品至關(guān)重要。,1.1承受外載荷的兩個(gè)接觸面 通常一臺(tái)稱重傳感器有兩個(gè)承受載荷的接觸面，即 引入載荷的接觸面和承受載荷的接觸面。 對(duì)于承受壓向載荷的稱重傳感器，兩個(gè)承受載荷的接觸面為彈性元件的上球面和下底面； 對(duì)于承受拉向載荷的稱重傳感器，兩個(gè)承受載荷的接觸面為上、下螺紋的嚙合面； 對(duì)于平行梁式稱重傳感器，兩個(gè)承受載

34、荷的接觸面均為彈性元件的一部分； 對(duì)于一些剪切梁式稱重傳感器，一個(gè)接觸面為彈性元件的一部分，另一個(gè)接觸面與彈性元件分離，因?yàn)樗幸粋€(gè)固定連接的底墊。,在每一個(gè)接觸面上，載荷的分布取決于端部的加載條 件。因此，這些加載條件的變化，將使彈性元件應(yīng)變 區(qū)的載荷分布發(fā)生變化。 即使在接觸面上總的作用載荷保持不變，加載條件變 化也將導(dǎo)致靈敏度變化，造成稱重傳感器不穩(wěn)定。 對(duì)于壓向稱重傳感器，端部加載條件由下面幾個(gè)因素 決定： 與稱重傳感器加載面相接觸的材料的特性，如 硬度 、摩擦系數(shù)等；,與稱重傳感器加載面相接觸的表面形狀，如平 面、曲面曲率、接觸圓大小等； 加載后接觸表面的變形。 對(duì)于應(yīng)用螺紋接觸面引

35、入載荷的拉式稱重傳感器， 端部加載條件由下列兩個(gè)因素決定： 螺紋加工精度（即螺紋中徑的尺寸精度）； 拉式接頭或關(guān)節(jié)軸承拉頭與彈性元件螺紋的嚙 合面積的大小。 對(duì)于各種梁式稱重傳感器，決定加載邊界條件的因 素，主要是支承底座、托架、墊塊的結(jié)構(gòu)及所用材 料的硬度、表面粗糙度等。,英國(guó)物理實(shí)驗(yàn)室測(cè)力研究室，對(duì)500KN標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力傳 感器，通過(guò)一個(gè)鋼質(zhì)平墊和兩個(gè)半徑為1/1000的鋼 質(zhì)凸、凹球面墊進(jìn)行加載試驗(yàn)，在最大載荷值時(shí)， 用平墊和球墊測(cè)得稱重傳感器的靈敏度不同，它們 之間的最大差別為0.2。 有些結(jié)構(gòu)的稱重傳感器，加載、承載邊界條件的改 變會(huì)使靈敏度產(chǎn)生較大的變化。在用滯后、蠕變和 靈敏度溫度誤

36、差都很小的壓式稱重傳感器進(jìn)行的壓 墊試驗(yàn)得到了證實(shí)，壓墊設(shè)計(jì)合理時(shí)靈敏度相差 0.05，壓墊設(shè)計(jì)不合理時(shí)靈敏度相差 0.3。,采用圓柱形彈性元件的壓式或拉式稱重傳感器， 應(yīng)變區(qū)的有效長(zhǎng)度L和直徑D之比L/D是決定加載 邊界條件的主要參數(shù)。 對(duì)于50t的壓式稱重傳感器，當(dāng)L/D3.7（遠(yuǎn)遠(yuǎn)低 于設(shè)計(jì)的縱向彎曲率）時(shí)，在壓墊試驗(yàn)中靈敏度 變化小于0.005，而當(dāng)L/D1時(shí)，其靈敏度變 化大于1。 綜上所述，加載、承載邊界條件的影響是稱 重傳感器彈性元件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須認(rèn)真考慮的問(wèn)題。 從應(yīng)用角度講，稱重傳感器的附件設(shè)計(jì)更關(guān)鍵。,在大多數(shù)壓向稱重傳感器的設(shè)計(jì)中，圓柱式彈性元 件放在底板上，頂部由一膜片支

37、撐，此膜片固定在 與底板成為一體的堅(jiān)固的外殼上。如果A底A彈， 當(dāng)通過(guò)球面加載時(shí)，底板和外殼就會(huì)產(chǎn)生變形，引 起靈敏度變化。 如果底板進(jìn)行加工，使集中力作用于彈性元件底 部，就可以避免外殼變形，從而避免靈敏度變化。 額定載荷小于20t的稱重傳感器，最好不采用柱式 彈性元件，而采用剪切式彈性元件，這些結(jié)構(gòu)對(duì)端 部加載條件變化不敏感。,1.2 表面形狀和硬度影響 稱重傳感器上、下壓墊的接觸面，都影響載荷的引 入和傳遞。 上壓頭表面不平度和粗糙度都很高時(shí)，表面硬度影響 可以忽略不計(jì)，上壓頭厚度影響也很小，因?yàn)榻佑|僅 發(fā)生在球面中心一個(gè)小接觸圓上。 一般要求上壓頭的硬度小于彈性元件的硬度，但不能 太低

38、，因?yàn)閴侯^硬度越低、粗糙度越大，在較小的載 荷下會(huì)產(chǎn)生較大的變形，將使合力作用點(diǎn)發(fā)生變化， 引起稱重傳感器靈敏度變化。, 用不同硬度的鋼、銅、鋁壓頭進(jìn)行試驗(yàn)，表面粗糙 度同為Ra6.3m，在相同載荷作用下其變形分 別為2.2m、3.6m、5.4m；第二次加載時(shí)的 變形分別為0.33m、0.38m、0.60m。 壓墊的形狀（從平面到球面）對(duì)三個(gè)力矩分量的影 響是顯著的。其最大特點(diǎn)是在接觸區(qū)內(nèi)出現(xiàn)相當(dāng)高 的應(yīng)力，由于接觸點(diǎn)處于三向受壓的應(yīng)力狀態(tài)，因 此能承受這樣高的應(yīng)力。, 下壓墊形狀影響大于其硬度影響一個(gè)數(shù)量級(jí)，在最 差情況下為輸出值的0.3。 1.3 接觸面大小和材料性質(zhì)的影響 接觸面壓力低時(shí)

39、，滯后?。粔毫Ω邥r(shí)，滯后大。 大量程彈性元件的承載球面半徑應(yīng)盡量大些，例如 德國(guó)Philips公司PR6201型50t彈性元件，承載部分 的直徑和球面半徑分別為D54mm和SR35mm， 100t分別為D76mm和SR50mm，200t分別為 D108mm和SR70mm。,剪應(yīng)力的大小和在下壓墊上的分布，與彈性元 件底面直徑d、所用材料彈性模量Em 和壓墊直徑 D、所用材料彈性模量Es的不同有關(guān)： 當(dāng)Dd、Em=Es時(shí)，在接觸 P 面上只引起局部影響，這種影 響不擴(kuò)散，不影響彈性元件應(yīng) Em 變區(qū)變形。 d 當(dāng)D=d、EmEs時(shí)，在接觸 Es 面上產(chǎn)生應(yīng)力集中，由于彈性模 D 量不同而阻止了彈

40、性元件的橫 向變形，這種影響向彈性元件中心部分?jǐn)U散，使輸出 有減小的趨勢(shì)。,1.4 接觸表面粗糙度的影響 英國(guó)物理研究所測(cè)力窒，用環(huán)氧樹脂稱重傳感器 模型，在不同表面粗糙度和不同材料制成的橡 膠、樹脂和鋼底座上進(jìn)行試驗(yàn)。 在稱重傳感器模型上粘貼電阻應(yīng)變計(jì)，改變接 觸表面的粗糙度及模型尺寸（高度H和直徑D）， 測(cè)量出其徑向應(yīng)變值。 試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明：接觸表面越光潔，載荷傳遞 性能越好，輸出就越大，對(duì)靈敏度無(wú)影響。,1.5 必須重視載荷傳遞方式設(shè)計(jì) 盡量采用點(diǎn)或線接觸方式傳遞載荷。如果必須采用 面接觸方式傳遞載荷時(shí)，稱重傳感器應(yīng)具備： 允許局部區(qū)域有較大變形； 輸出對(duì)加載面位置變化不敏感； 對(duì)局部

41、應(yīng)力集中不敏感。 為此，必須采取下列措施： 增大應(yīng)變均勻區(qū)，如加大高度與直徑比；采用加 高的均壓墊；增加鈹青銅波紋板彈性壓墊等。 將面接觸通過(guò)過(guò)渡壓墊轉(zhuǎn)換成點(diǎn)接觸或線接觸。 采用復(fù)合梁型稱重傳感器，如十字梁式、輪輻式 等。,2.新式稱重模塊的開發(fā)與應(yīng)用 是集成上述研究成果的新一代產(chǎn)品，對(duì)電子衡器的 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)引起較大變革。 美國(guó)VBLH公司稱其為用新技術(shù)迎接稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì) 的新挑戰(zhàn)；生產(chǎn)過(guò)程（在線）稱重計(jì)量與控制系統(tǒng) 的新發(fā)展。 為實(shí)現(xiàn)電子稱重系統(tǒng)多功能、高準(zhǔn)確度、高可靠性 和高接口功能，對(duì)稱重傳感器及其稱重模塊提出的 新要求是： （1）稱量準(zhǔn)確度高，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好； （2）安裝調(diào)試方便，工作可靠性

42、高，壽命長(zhǎng)； （3）不受動(dòng)態(tài)過(guò)程（轉(zhuǎn)矩、攪拌等）影響； （4）密封性好，便于沖洗。,3.稱重傳感器技術(shù)研究方向和特點(diǎn) 3.1重視基礎(chǔ)研究和工藝研究 把準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性和可靠性作為極其重要的質(zhì)量指標(biāo)，以制造技術(shù)和制造工藝為核心競(jìng)爭(zhēng)力，進(jìn)行基礎(chǔ)研究和工藝研究，其研究方向是： 在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造工藝中，吸取了工程化產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的計(jì)算機(jī)擬實(shí)技術(shù)和虛擬技術(shù)，加快開發(fā)速度，減少開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。 在彈性元件加工中，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(jiǎn)單化經(jīng)驗(yàn)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)。,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

43、項(xiàng)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(dòng)化和自動(dòng)化工序方向發(fā)展，例如：采用計(jì)算機(jī)控 制，人機(jī)一體化工藝系統(tǒng)和測(cè)試技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化信息系 統(tǒng)等。 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(dòng)疲勞，超載靜壓等方法的基礎(chǔ) 上，又研究出振動(dòng)時(shí)效、共振時(shí)效新工藝。,3.2重視彈性元件應(yīng)變程度的影響 提高彈性元件應(yīng)變的穩(wěn)定性是提高稱重傳感器整體穩(wěn) 定性的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。因此，彈性元件材料不僅是結(jié)構(gòu) 材料而且是功能材料。 在產(chǎn)生應(yīng)變的彈性元件材料所要求的各種性能中，最 重要的性能是滯后和蠕變。實(shí)際上綜合性能再好的彈 性

44、元件材料，也存在彈性滯后和彈性后效（蠕變）， 提高線性、減小滯后和蠕變最有效的方法，就是把彈 性元件應(yīng)變區(qū)的應(yīng)變程度限制在一個(gè)較低的范圍內(nèi)， 一般高準(zhǔn)確度的稱重傳感器的應(yīng)變程度都較低，其最 大應(yīng)力僅為材料彈性極限的1/41/3范圍內(nèi)。,實(shí)際上稱重傳感器的線性、滯后、蠕變和疲勞壽命 都隨彈性元件應(yīng)變區(qū)應(yīng)變程度減至最小而獲得改 進(jìn)，較低的應(yīng)力、應(yīng)變意味著對(duì)理想線性彈性性能 的偏差最小，也意味著彈性元件有較大的剛度和較 高的固有頻率。 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，彈性元件應(yīng)變區(qū)應(yīng)變程度低， 不僅變形小，剛度大，固有頻率高，而且有助于把 彈性元件幾何形狀變化引起的非

45、線性誤差減至最小。,3.3 加強(qiáng)減少?gòu)椥栽堄鄳?yīng)力的研究 殘余應(yīng)力的來(lái)源： 原材料在軋制等工藝成形過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力； 在熱處理過(guò)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(jī)械加工過(guò)程中，因切削力作用而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。 殘余應(yīng)力的危害： 加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，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(shí)間的變化內(nèi)應(yīng)力松 弛，而導(dǎo)致尺寸變化。, 刨、銑、車、磨等機(jī)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)力就越大。 車削加工時(shí)，不同進(jìn)刀量軸向和周向的殘余應(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 4080m處為最

46、大殘余壓應(yīng)力。 磨削加工時(shí)，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2040m處。,綜合刨、銑、車、磨四種機(jī)械加工方法產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，可總結(jié)出： 最大殘余應(yīng)力位于彈性元件表面至深度為100m之間，數(shù)值較大； 殘余應(yīng)力衰減很快，在深度為200m處已很小； 切削用量越大，殘余應(yīng)力就越大； 彈性元件精加工為磨削時(shí)，殘余應(yīng)力最大，其值可 達(dá)900N/mm2，因此熱處理后彈性元件的精加工盡量 不采用磨削。 綜上所述，研究的重點(diǎn)應(yīng)為，在全部生產(chǎn)過(guò)程 中如何減少殘余應(yīng)力，其次才是如何消除殘余應(yīng)力。,4.正應(yīng)力稱重傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有關(guān)問(wèn)題 4.1單柱式：圓柱、圓筒、

47、方柱、棱柱結(jié)構(gòu)。 輸出靈敏度 （mvv）,4.2 多柱式：整體三柱、四柱或多柱結(jié)構(gòu)。 整體三柱、四柱型彈性元件，是將鍛造時(shí)只許拉伸 不許墩粗的一段圓形毛坯，在數(shù)控加工中心上一次加工 成形的整體結(jié)構(gòu)。三柱、四柱型的每根柱均沿彈性元件 圓形底座的對(duì)稱軸均勻分布，柱體多為正方形截面。在 頂板的中心加工出球面或球碗，用來(lái)引入外載荷。,整體三柱、四柱型稱重傳感器的特點(diǎn)： 適合大力值，低外形； 提高了抗側(cè)向和偏心載荷的能力。單柱結(jié)構(gòu) 只有額定載荷的5左右，而整體三柱可達(dá) 30，整體四柱高達(dá)50； 加大了承載壓頭半徑，減小了壓頭變形，改 善了靜態(tài)、動(dòng)態(tài)工作性能； 不用設(shè)計(jì)復(fù)雜的保護(hù)外殼，可采用柱間粘接 或焊

48、接密封； 設(shè)計(jì)比較減單，只需按最大偏心承載量計(jì)算 單柱承受的載荷，并滿足輸出靈敏度要求即可。,4.3 環(huán)式稱重傳感器 圓環(huán) B點(diǎn)的彎矩 MB0.182PR MB產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力 B點(diǎn)的軸力N在橫截面上產(chǎn)生均布正應(yīng)力 根據(jù)力的疊加原理,A B, 板環(huán) 應(yīng)根據(jù)板環(huán)的平均半徑R0與寬度h的比值R0/h求 出修正系數(shù)G，其靈敏度計(jì)算公式為 例：P10000kg板環(huán)式稱重傳感器，結(jié)構(gòu)尺寸為 R125mm、R250mm、h45mm。 由修正系數(shù)曲線查得G0.9，則靈敏度為,4.4 平行梁式 稱重傳感器 平行梁 彈性元件打 破了在均勻 應(yīng)力場(chǎng)粘貼 電阻應(yīng)變計(jì) 的傳統(tǒng)概念， 而是粘貼在 應(yīng)力集中處。,設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

49、 垂直梁與平行梁的剛度比K（J2LJ1a）應(yīng)盡量大，至少應(yīng)大于50。 當(dāng)剛度比K很大時(shí)： （1）載荷P作用點(diǎn)處只發(fā)生垂直位移，彈性 元件呈平行四邊形變化； （2）載荷P引起的平行梁彎矩零點(diǎn)，趨于平 行梁的中間截面； （3）彎矩M引起的平行梁彎矩趨于零，表明 載荷P作用點(diǎn)變化，對(duì)平行梁的彎矩圖無(wú)影響。,4.5 中心梁式稱重傳感器 中心梁結(jié)構(gòu)也稱三平行梁稱重傳 感器 ，它由上下柔性梁和中心應(yīng)變 梁構(gòu)成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)。因中心應(yīng)變 梁的結(jié)構(gòu)不同，可分為中心直梁式、 中心懸臂梁式和中心環(huán)式結(jié)構(gòu)。,4.6 正應(yīng)力S形稱重傳感器 S形單孔平行梁稱重傳感器 孔內(nèi)應(yīng)力按正負(fù)雙向分布，正負(fù)最大應(yīng)力相差無(wú)幾； 最大應(yīng)

50、力位置不在4，而是稍靠近中間，寬度越小，越靠近中間。,S形中心梁稱重傳感器 有S形中心梁、中心懸臂梁、中心環(huán)稱重傳感器 之分。 共同特點(diǎn)是中心梁或中心環(huán)都有上下柔性梁保護(hù)，處于最小寄生應(yīng)力區(qū)。 抗偏心載荷和側(cè)向載荷能力強(qiáng)。,4.7 圓板式稱重傳感器 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，體積小，外形低，重量輕； 幾何外形為圓形，容易加工出較高的尺寸精度； 橫向剛度大，抗偏心和側(cè)向載荷能力強(qiáng)； 為整體結(jié)構(gòu)且對(duì)稱，熱膨脹各方向一致，溫度系數(shù)低。 為簡(jiǎn)化計(jì)算，可利用Lobo（洛博）公式： 最大應(yīng)力 最大撓度,4.8 軸對(duì)稱扭環(huán)型 稱重傳感器 軸對(duì)稱六方形截面 扭環(huán)型稱重傳感器 （也稱六面環(huán)） 軸對(duì)稱矩形截面 扭環(huán)型稱重傳感

51、器 （也稱彎曲環(huán)）,d=2r,P 1 B,d1 D1 D=2R,h1 H,b,h h2 2,rF,tF,tF,H b,P,d D,P, 軸對(duì)稱扭環(huán)型稱重傳感器，是由頂環(huán)、中間六面環(huán) （或矩形截面環(huán)）和底環(huán)三部分組成的一個(gè)整體結(jié)構(gòu)。 當(dāng)有外載荷作用時(shí)，它就象盤形彈簧一樣變形，由于 結(jié)構(gòu)獨(dú)特，頂環(huán)可以相對(duì)底環(huán)平行移動(dòng)，使得六面環(huán) （或矩形截面環(huán)）狀回轉(zhuǎn)體向中心方向做類似于滾動(dòng)的 運(yùn)，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。 六面環(huán)（或矩形截面環(huán)）的扭轉(zhuǎn)變形，使下表面向著 半徑增大方向移動(dòng)，上表面向著半徑減小方向移動(dòng)而 產(chǎn)生環(huán)向正、負(fù)應(yīng)變，這正是惠斯通電橋所需要的。 最好在上、下表面粘貼大阻值螺旋電阻應(yīng)變計(jì)，如果 無(wú)此條件也

52、可粘貼普通單軸電阻應(yīng)變計(jì)。,軸對(duì)稱扭環(huán)稱重傳感器的特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，高度低，重量輕（30t額定量程的外形尺寸僅為120mm、h50mm）； 固有線性好，準(zhǔn)確度高； 受載后底環(huán)無(wú)變形或變形很小，幾乎沒有滯后； 對(duì)于偏心載荷和側(cè)向載荷不敏感； 合理設(shè)計(jì)頂環(huán)與底板結(jié)構(gòu)，可具有較高的過(guò)載保護(hù)能力； 容易焊接密封，實(shí)現(xiàn)抽真空充惰性氣體新工藝； 由于敏感柵工作面積大，可制成3500超大阻值的螺旋電阻應(yīng)變計(jì)且無(wú)橫向效應(yīng)，供橋電壓可高達(dá)100V，比普通稱重傳感器輸出信號(hào)提高近十倍。,應(yīng)變環(huán)表面的內(nèi)外邊緣存在應(yīng)力梯度： 設(shè)六面環(huán)的扭轉(zhuǎn)角為，在外載荷P作用下頂 環(huán)半徑減少r，即 rhSin 其周長(zhǎng)減少L，

53、即 L2（r-hSin） 頂環(huán)內(nèi)邊緣產(chǎn)生的切向壓應(yīng)變?yōu)?頂環(huán)的外邊緣同樣是壓應(yīng)變，但比內(nèi)邊緣稍小 些，說(shuō)明六面環(huán)上表面壓應(yīng)變存在梯度。,理論計(jì)算： 六面環(huán)狀彈性元件與周邊鉸支，內(nèi)邊自由受集 中載荷作用的等厚度圓環(huán)板相似，其上、下表面最 大壓縮、拉伸應(yīng)力為 式中：h六面環(huán)的厚度； K取決于D/d和實(shí)際邊界條件的系數(shù)， K1.0030.955。 取K0.955，則六面環(huán)的厚度為 D/d較大時(shí)，可取大的K值及較小的結(jié)構(gòu)尺寸， 一般D/d2.02.2。,六面環(huán)的徑向載荷決定應(yīng)變區(qū)表面寬度b 頂環(huán)壁厚 由頂環(huán)的應(yīng)力計(jì)算公式 得 額定量程時(shí)的軸向位移Y為六面環(huán)位移Y1、底環(huán) 位移Y2和頂環(huán)位移Y3之和，即

54、 式中C常數(shù)，C0.67,頂環(huán)、底環(huán)與六面環(huán)連接處的剪應(yīng)力計(jì)算 頂環(huán) 底環(huán) 特制的螺旋電阻應(yīng)變計(jì)是一個(gè)封閉的環(huán)形結(jié)構(gòu)，被粘貼在六面環(huán)的上、下表面的中間處，與傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變計(jì)相比，它沒有敏感柵端部橫柵（回轉(zhuǎn)點(diǎn)處）的應(yīng)力集中，即沒有端部效應(yīng)影響。 盡管電阻應(yīng)變計(jì)也能感受一個(gè)徑向力rF，但反 映測(cè)量值的是切向力tF，因?yàn)榍鷹U效應(yīng)切向力tF是徑向力rF的1050倍。,例題 一10t 軸對(duì)稱扭環(huán)型稱重傳感器的尺寸參數(shù)為 P10000kg B30mm b16mm、 h21mm D110mm d50mm、 h16mm h215mm 14mm、 215mm Hh/45.25mm 理論計(jì)算如下： D/d2.2

55、取K0.955 六面環(huán)上、下表面最大壓縮應(yīng)力為 kg/mm2,六面環(huán)上、下表面最大壓縮應(yīng)變?yōu)?靈敏度 S2.062 mv/v 經(jīng)計(jì)算總位移為 YY1+Y2+Y30.104+0.005+0.0070.116mm 頂環(huán)與六面環(huán)連接處的剪應(yīng)力為 kg/mm2 底環(huán)與六面環(huán)連接處的剪應(yīng)力為 kg/mm2,5. 切應(yīng)力稱重傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有關(guān)問(wèn)題 5.1切應(yīng)力稱重傳感器的力學(xué)基礎(chǔ) 剪切應(yīng)力本身是不能測(cè)量的，它產(chǎn)生的主應(yīng)力是可 以測(cè)量的，正是稱重傳感器貼片組橋所需要的。 在平面應(yīng)力狀態(tài)下，主應(yīng)力平面與最大剪應(yīng)力平面 互相呈450夾角，而最大剪應(yīng)力方向與中性軸一致， 所以主應(yīng)力方向與中性軸呈450角，且拉、

56、壓成雙。 只有中性軸處的應(yīng)力單元是純剪切狀態(tài)，并有下列 關(guān)系：,設(shè)計(jì)與計(jì)算時(shí)，應(yīng)以中性軸處的最大剪應(yīng)力計(jì)算公 式來(lái)求解，茹拉夫斯基剪應(yīng)力計(jì)算公式為： 剪力Q、截面寬度b、慣性矩Jy對(duì)某一個(gè)截面來(lái)說(shuō)是 常量，而靜矩S則是隨剪應(yīng)力的位置不同而變化的 量，即剪應(yīng)力是隨其與中性軸的距離不同而變化的 量。 可求出不同形狀截面剪切梁的剪切應(yīng)力分布規(guī)律， 對(duì)于不同截面形狀其剪應(yīng)力的求解公式也不同。,矩形截面 矩形截面的剪應(yīng)力 沿截面高度呈拋物線分布， 其梯度變化較大,工字形截面 剪應(yīng)力在工字 形截面腹板內(nèi)沿高度 方向也呈拋物線分布， 但應(yīng)力變化梯度不大， 較平穩(wěn)，可認(rèn)為在中性 軸附近相當(dāng)于均勻分布。,圓截工

57、字形截面 剪應(yīng)力的分布規(guī)律與工字形截面基本相同。,長(zhǎng)方形空心截面 剪應(yīng)力在截面內(nèi)孔 直徑的高度方向上呈拋物 線分布，應(yīng)力變化梯度比 工字形截面稍大些，比矩 形截面稍小些。,圓形空心截面 剪應(yīng)力在其內(nèi)孔直 徑高度方向呈拋物線分布。,5.2 輪輻式稱重傳感器 結(jié)構(gòu)象一個(gè)車輪，在輪轂與輪箍之間成對(duì)的、互 相對(duì)稱的分布著輪輻，外載荷作用在輪轂的上端面。 特點(diǎn)： 外形低，穩(wěn)定性好； 輪輻對(duì)彎矩不敏感，線性較好； 橫向剛度大，抗側(cè)向和偏心載 荷能力強(qiáng)； 整體結(jié)構(gòu)且對(duì)稱，各方向熱膨 脹一致，溫度系數(shù)?。?輪轂與支承面間隙設(shè)計(jì)合理過(guò)載能力可達(dá)300； 容易實(shí)現(xiàn)焊接密封、抽真空充氮工藝，防護(hù)密封等級(jí)IP68。,缺點(diǎn)： 輪箍及其底面設(shè)計(jì)不好， 滯后誤差大； 機(jī)械加工難度大，需用 電火花線切割技術(shù)與裝備。 理論計(jì)算： 為使輪輻只產(chǎn)生剪應(yīng)力， 必須滿足兩個(gè)條件： 輪輻的長(zhǎng)度與高度比盡量小。 一般l/h1。 輪轂和輪箍為剛性結(jié)構(gòu)，輪輻 兩端不能自由轉(zhuǎn)動(dòng)，即轉(zhuǎn)角為零。 力學(xué)模型,從分析一對(duì)輪輻的受力狀態(tài)進(jìn)行理論推導(dǎo)，最后得出計(jì)算公式如下： 則 主應(yīng)變 靈敏度,設(shè)計(jì)要點(diǎn)： 輪轂和輪箍的剛度要足夠大，保證根部轉(zhuǎn)角為零。 矩形截面的輪輻，長(zhǎng)度與高度比盡量小，一般為 1，以保證輪輻承受純剪切作用。 輪輻位于輪箍高度中點(diǎn)偏上的位置，與輪箍的表 面和底面距離之比為12。 在保