應(yīng)變式稱重傳感器的發(fā)展與技術(shù)創(chuàng)新
1938年美國加利福尼亞理工學(xué)院教授E.Simmons(西蒙斯)和麻省理工學(xué)院教授A.Ruge(魯奇)分別同時研制出紙基絲繞式電阻應(yīng)變計,以他們名字的字頭和各有二位助手命名為SR-4型,由美國BLH公司專利生產(chǎn)。為研制應(yīng)變式負荷傳感器奠定了理論和物質(zhì)基礎(chǔ)。
1940年美國BLH公司和Revere公司總工程師A.Thurston(瑟斯頓)利用SR一4型電阻應(yīng)變計研制出圓柱結(jié)構(gòu)的應(yīng)變式負荷傳感器,用于工程測力和稱重計量,成為應(yīng)變式負荷傳感器的創(chuàng)始者。1942年在美國應(yīng)變式負荷傳感器已經(jīng)大量生產(chǎn),至今已有60多年的歷史。
前30多年,是利用正應(yīng)力(拉伸、壓縮、彎曲應(yīng)力)的柱、筒、環(huán)、梁式結(jié)構(gòu)負荷傳感器的一統(tǒng)天下。在此時期內(nèi),英國學(xué)者杰克遜研制出金屬箔式電阻應(yīng)變計,為負荷傳感器提供了較理想的轉(zhuǎn)換元件,并創(chuàng)造了用熱固膠粘貼電阻應(yīng)變計的新工藝。美國BLH公司和Revere公司經(jīng)過多年實踐創(chuàng)造了負荷傳感器電路補償與調(diào)整工藝,提高了負荷傳感器的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性,使準(zhǔn)確度由40年代的百分之幾量級提高到70年代初的0.05量級。但在應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題也很突出,主要是:加力點變化會引起比較大的靈敏度變化;同時進行拉、壓循環(huán)加載時靈敏度偏差大;抗偏心和側(cè)向載荷能力差;不能進行小載荷測量。上述缺點嚴重制約了負荷傳感器的發(fā)展。
后30多年,經(jīng)歷了70年代的切應(yīng)力負荷傳感器和鋁合金小量程負荷傳感器兩大技術(shù)突破;80年代稱重傳感器與測力傳感器徹底分離,制定R60國際建議和研發(fā)出數(shù)字式智能稱重傳感器兩項重大變革;90年代在結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝中不斷納入高新技術(shù)迎接新挑戰(zhàn),加速了稱重傳感器技術(shù)的發(fā)展。
1973年美國學(xué)者霍格斯特姆為克服正應(yīng)力負荷傳感器的固有缺點,提出不利用正應(yīng)力,而利用與彎矩?zé)o關(guān)的切應(yīng)力設(shè)計負荷傳感器的理論,并設(shè)計出圓截工字形截面懸臂剪切梁型負荷傳感器。打破了正應(yīng)力負荷傳感器的一統(tǒng)天下,形成了新的發(fā)展潮流。這是負荷傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計的重大突破。
1974年前后美國學(xué)者斯坦因和德國學(xué)者埃多姆分別提出建立彈性體較為復(fù)雜的力學(xué)模型,利用有限單元計算方法,分析彈性體的強度、剛度,應(yīng)力場和位移場,求得最佳化設(shè)計。為利用現(xiàn)代分析手段和計算方法設(shè)計與計算負荷傳感器開辟了新途徑。
70年代初中期,美、日等國的衡器制造公司開始研發(fā)商業(yè)用電子計價秤,急需小量程負荷傳感器。傳統(tǒng)的正應(yīng)力和新研制的切應(yīng)力負荷傳感器都不能實現(xiàn)幾公斤至幾十公斤量程范圍內(nèi)的測量。美國學(xué)者查特斯提出用低彈性模量的鋁合金做彈性體,采用多梁結(jié)構(gòu)解決靈敏度和剛度這對矛盾。設(shè)計出小量程鋁合金平行梁型負荷傳感器,同時指出平行梁負荷傳感器是基于不變彎矩原理,使利用平行梁表面彎曲應(yīng)力的正應(yīng)力結(jié)構(gòu),具有切應(yīng)力負荷傳感器的特點,為平行梁結(jié)構(gòu)負荷傳感器的設(shè)計與計算奠定了理論基礎(chǔ),形成了又一個發(fā)展潮流。
蠕變是電阻應(yīng)變計和鋁合金負荷傳感器經(jīng)常遇到和必需解決的關(guān)鍵問題。1978年前蘇聯(lián)學(xué)者科洛考娃通過對一維力學(xué)模型和應(yīng)變傳遞系數(shù)的分析,提出控制電阻應(yīng)變計敏感柵的柵頭寬度與柵絲寬度的比例,可以制造出不同蠕變值電阻應(yīng)變計的理論,并成功的研制出系列蠕變補償電阻應(yīng)變計。對低容量鋁合金負荷傳感器減小蠕變誤差,提高準(zhǔn)確度起到至關(guān)重要的作用,使電子計價秤用鋁合金負荷傳感器多品種、大批量生產(chǎn)成為可能。
由于電子稱重技術(shù)的迅速發(fā)展,負荷傳感器性能的評定方法,已不能滿足采用階梯公差帶評定準(zhǔn)確度等級電子衡器的需要,急需與電子衡器準(zhǔn)確度評定方法相適應(yīng)的計量規(guī)程。80年代初,國際法制計量組織(OIML)質(zhì)量測量指導(dǎo)秘書處決定將用于電子稱重的傳感器與用于測力的傳感器徹底分離,由美國負責(zé)的第8報告秘書處起草《稱重傳感器計量規(guī)程》。經(jīng)過OIML成員國書面表決后,在1984年10月第7屆法制計量大會上正式批準(zhǔn),并于1985年以OIML,R60國際建議頒布,下發(fā)到各成員國。目前各國正在執(zhí)行的是R60的2000年版?梢哉fR60《稱重傳感器計量規(guī)程》是各國稱重傳感器進入國際市場的“通行證”。
隨著數(shù)字技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展,各行業(yè)對數(shù)字化電子衡器的需求愈來愈多,提出用數(shù)字稱重系統(tǒng)突破模擬稱重系統(tǒng)局限性的要求,對此模擬式稱重傳感器就無能為力了。因為在此之前,稱重傳感器的研究都集中在硬件方面,例如:創(chuàng)新彈性體結(jié)構(gòu),改進制造工藝,完善電路補償與調(diào)整等。模擬式稱重傳感器的輸出信號小,抗干擾能力差,傳輸距離短,稱重顯示控制儀表復(fù)雜,組秤調(diào)試周期長等缺點依然如故。為滿足數(shù)字化電子衡器的需求,美國TOLEDO、STS和CARDINAL公司,德國HBM公司等先后研制出整體型和分離型數(shù)字式智能稱重傳感器,并以其輸出信號大,抗干擾能力強,信號傳輸距離遠,易實現(xiàn)智能控制等特點,成為數(shù)字化電子衡器和自動稱重計量與控制系統(tǒng)的必選產(chǎn)品,形成一個開發(fā)熱點。
90年代,由于稱重傳感器的設(shè)計與計算等基本技術(shù)趨于成熟,稱重傳感器的發(fā)展側(cè)重于工藝研究和應(yīng)用研究,在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、工程化設(shè)計和規(guī)模化生產(chǎn)工藝等方面都有很大進步,主要是:
在結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計中引入計算機擬實技術(shù)和虛擬技術(shù);
在彈性體加工中納入柔性制造技術(shù);
在生產(chǎn)工藝中采用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù);
在穩(wěn)定處理中移植了振動時效、共振時效新工藝;
在測試檢定中創(chuàng)造了自動快速檢測和動態(tài)比對方法。
應(yīng)用技術(shù)研究也有突破性進展:在傳統(tǒng)稱重模塊的基礎(chǔ)上,研制出新式稱重模塊。這是應(yīng)用新技術(shù)面對新挑戰(zhàn)的典型產(chǎn)品。其特點是組件化設(shè)計,具有“即插即用”功能,可減少由于偏重、熱效應(yīng)影響,偶然超載等引起的稱重誤差,并可承受由于振動、沖擊、攪拌或其它外力引起的偏重?傊,70年代兩項技術(shù)突破,80年代兩個重大變革,90年代納入高新技術(shù)面對新挑戰(zhàn)的研發(fā)理念,極大地促進了稱重傳感器技術(shù)的發(fā)展。
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