稱重傳感器技術現狀與發展趨勢

目前的研發熱點是：

數字式智能稱重傳感器的數字補償技術與補償工藝，及其應用技術；

快速、低速動態、動態稱重傳感器的研制及阻尼技術；

高溫稱重傳感器制造工藝，高溫穩定性及應用技術；

耐壓、防爆型稱重傳感器及耐壓外殼設計與試驗技術；

組件化設計的“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現狀及主要差距

盡管我國航空、航天工業部門早在20世紀50年代末期就開始研究應用應變式負荷傳感器，但并未向民用發展。就全國而言，負荷傳感器的研制與生產起步較晚，60年代只有幾個廠家生產普通精度等級的應變式測力傳感器。結構單一，只有圓柱、圓環兩種結構，基本不進行電路補償與調整，有的產品甚至用外部平衡箱調整零點。

80年代初，全國有20余個企業用資一億元人民幣，用匯1300萬美元，從美、日等國引進應變式負荷傳感器制造技術與工藝裝備，進行學習、消化、吸收。經過仿制和試生產后，開始多品種小批量生產，推向市場后，取得相當可觀的效益。當時人們對此產品的總結是：多品種、小批量、低成本、高收益、投資少、見效快。引起不少行業的個人和企業的關注，紛紛進入此行業，生產廠家從70年代的20多個迅速增加到100多個，年產量與日本相當，達到100多萬只。

隨著國民經濟的發展，各行業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的發展。80年代中期到90年代中期，是我國稱重傳感器技術穩步發展，品種和規格迅速增加，產品質量不斷提高的十年。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備，實現了規模化生產。90年代中期稱重傳感器生產企業增加到160多個，年產量200多萬只。除滿足國內市場需求外，十余個企業開始小批量出口，呈現出較好的發展勢頭。

盡管稱重傳感器是國家強制管理的法制計量器具，應當比較難進入此行業，但由于種種原因導至一些企業和個人很容易進入，造成市場擁擠，加劇了市場競爭。終于在90年代中期爆發了價格大戰，誰的價格低，誰就是大贏家，而且逐年升級越演越烈，已經到了走火入魔的程度。價格大戰的惡果是技術進步緩慢，工藝水平下降，質量問題嚴重，管理監督失控。zui初的受害者是廣大用戶，zui終的受害者是企業自己，是整個稱重傳感器行業。帶著這些問題進入21世紀，稱重傳感器與工業發達國家的差距非但未縮小，反而加大了。近幾年國家監督抽查結果就是例證。

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

。合格率低的主要原因是：質量意識差，不依法組織生產；對R60建議和國家標準不理解、不執行，錯誤的把0.02級與C3級等同起來；在利益驅使下改材料、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發達國家處于市場引導地位企業產品的主要差距是：

（1）結構類型偏少，品種規格不全，特種用途產品奇缺；

（2）準確度等級較低，C3級成功率不高；

（3）穩定性和可靠性較差，返修率高，工作壽命低；

（4）產品標準化、工程化水平和企業產業化程度較低，產品技術指標的均一性差；

（5）外觀質量雖有提高，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，人為因素對產品質量影響較大；

（7）創新產品和自主知識產權產品少，低水平重復產品多，貼牌加工、直接出口產品少；

（8）企業沒有核心競爭技術和產品，市場調查不夠，市場響應速度太慢，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；

基礎工藝一一電阻應變計、應變粘結劑、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定處理工藝等。

其中基礎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、營養秤、珍寶秤、口袋秤和手提秤等）用稱重傳感器及其電阻應變計，90年代中期以來，其研發與生產由世界各國逐漸移向中國，主要在廣東、在深圳。近些年來在設計技術、制造工藝和產品產量上都取得了令人震驚的飛速發展。生產企業有三種類型：其一設計、生產、組裝各種家用電子秤；其二為家用電子秤生產廠配套生產各種稱重傳感器（或自己生產電阻應變計，或外購電阻應變計）；其三只生產家用電子秤稱重傳感器用電阻應變計。目前這三種類型的生產廠家已達60多個。據國家海關統計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年共生產家用電子秤稱重傳感器共1.2億只，與其配套的電阻應變計（以單軸片計算）約4.8億片。

經過多年的研究與生產實踐，解決了稱重傳感器量程小、彈性體小、電阻應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，一般中型以上的生產廠日產電阻應變計12萬片以上，稱重傳感器3萬多只。他們用高質量的溫度和模量自補償電阻應變計較好的解決了這一難題，為大批量生產家用電子秤稱重傳感器創造了條件。

四、近年來稱重傳感器技術發展動向

上主要有兩種發展途徑：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。我國應屬于后者，盡管部門研究應用較早，但并未轉為民用，快速發展和普及還是在近20年。近幾年是關鍵時期，急需提高我國稱重傳感器的總體技術、工藝和質量水平。

稱重傳感器技術的發展動向是，把稱重傳感器的準確度、穩定性和可靠性作為極其重要的質量指標，把制造技術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、生產問題和應用問題進行基礎研究、工藝研究和應用研究，其研究方向和特點是：

（1）在產品結構設計與制造工藝中，吸取了工程化產品設計中的計算機擬實技術和虛擬技術，加快開發速度，減少開發風險；

（2）在彈性體加工中，從單元加工技術發展到集成化加工技術；從剛性制造發展到柔性制造；從簡單化經驗判斷發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；

（3）生產工藝已不是傳統關念中的“作坊手藝”，而是技術與管理相結合的一項系統工程。為適應多品種、大批量生產，保證產品技術性能的均一性，生產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展。例如：采用計算機控制，人機一體化工藝系統和測試技術網絡化信息系統等；

（4）與穩定性和可靠性有關的穩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力。

在上述設計與制造下，稱重傳感器的品種和結構又有創新，技術功能和應用范圍不斷擴大，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兩種不同結構的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，腐蝕性強的環境中，而且防水；

（4）德國塞特內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，動態響應快。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，準確度等級優于C3級，可承受離心力和機械振動，內裝特制的粘性阻尼器，保證稱量時有較快的穩定時間，一般低于50ms；

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

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

五、稱重傳感器技術的發展趨勢

應變式稱重傳感器的發展趨勢，可用“四化”來概括，即設計技術虛擬化，制造技術柔性化，生產工藝網絡化，企業管理信息化。

設計技術虛擬化：包括彈性體結構設計的擬實技術和工藝設計的虛擬技術。結構設計的擬實技術：是指面向彈性體的結構和性能分析技術，包括動態仿真、動力學分析、強度和剛度有限單元法計算、敏感區應變大小與分布等，以達到優化設計的目的。

工藝設計的虛擬技術：是指面向彈性體生產過程的模擬和試驗，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。

設計技術虛擬化的核心是有限單元計算和計算機動態仿真。通過仿真軟件來模擬真實受載情況，發現并及時處理設計和工藝缺陷或錯誤，以確保結構設計和生產工藝的合理性。

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

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

企業管理信息化：是指按計算機處理的要求，依據結構化系統分析和設計方法，建立企業信息系統，實現企業管理全面現代化。包括CAD、CAM系統，生產管理系統，商務決策系統和經營管理系統等。

為適應電子稱重技術從靜態稱重向動態稱重發展；計量方法從模擬測量向數字測量發展；測量特點從單參數測量向多參數測量發展，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重點：

快速、低速動態和動態稱重傳感器及其阻尼技術；

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展趨勢。

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

集成化：有結構集成和功能集成兩種形式。結構集成是指彈性體與秤體合二為一的新型結構，例如：稱重板、稱重軌、稱重鉤、稱重環等。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）、轉換元件（電阻應變計）、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，其數字顯示位置就在傳統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，稱重顯示控制儀復雜，組秤調試周期長，根本不適應數字式智能電子衡器的發展。稱重傳感器的智能化就是研制新型數字式智能稱重傳感器。有兩種結構：整體型一一在稱重傳感器內部增加放大、濾波、A/D轉換器、微處理器、溫度傳感器等數字處理電路，利用數字補償技術與工藝實現各項補償。分離型一--將整體型數字式智能稱重傳感器內的數字電路置于外部接線盒內，稱為數字模盒。將普通模擬式稱重傳感器接入數字模盒，就可變模擬輸出為數字輸出，通常將其稱為分離型數字稱重傳感器系統。

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

（3）輸出信號規格化；

（4）內裝溫度傳感器，通過補償軟件可進行實時溫度補償，穩定性好；

（5）各數字式智能稱重傳感器的地址可調，便于應用與互換。

什么是智能傳感器，在各國相關雜志上討論多年，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。數字式智能稱重傳感器*符合此定義。今后一個時期，智能化數字補償技術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，盡快結束*的價格大戰

，實施“質量競爭戰略”和21世紀的“創新競爭戰略”，以制造技術和制造工藝為突破口，迅速提高我國稱重傳感器的總體質量水平和信譽度，培養叫得響，用得好，站得住的產品，盡快融入市場，參與競爭。