应变式称重传感器技术动向和发展趋势

中国运载火箭技术研究院第702研究所 刘九卿

20世纪90年代以来,在电子称重技术与电子衡器产品快速发展的强力牵引下,称重传感器进入了大发展时期,设计与制造技术取得了令人瞩目的进步。本文从产品研发、强化企业竞争力和参与国际竞争的角度,结合称重传感器几个重要发展时期的技术创新和工艺进步,介绍了电阻应变计、称重传感器设计与制造技术的发展动向。在分析近年来称重传感器新技术、新工艺、新产品和电子称重技术新要求的基础上,展望称重传感器的发展趋势。
关键词:称重传感器 电阻应变计 虚拟设计 柔性制造 集成化 智能化 网络化
1.概述
1936~1938年美国加利福尼亚理工学院教授E.Simmons(西蒙斯)和麻省理工学院教授A.Ruge(鲁奇)分别同时研制出纸基丝绕式电阻应变计,命名为SR-4型,由美国BLH公司专利生产,同时也使BLH公司成为利用SR-4型电阻应变计制造传感器的创始者。1940年美国军事工程部门和Revere公司总工程师A.Thurston(瑟斯顿)分别把电阻应变计技术应用于军事工程的电子测力和称重计量领域,研制出应变式负荷传感器。1942年在美国应变式负荷传感器已经大量生产,至今已有60多年历史。这期间经过种种改进和发展,负荷传感器的准确度从研制初期的百分之几量级提高到千分之几、万分之几量级,并以其结构简单、使用方便、准确度高、频率响应快、稳定性好、工作寿命长、几乎不用维修等特点,广泛应用于各种测力装置和电子称重系统。经过60多年的变迁,尽管负荷传感器的弹性体结构、几何形状和尺寸发生了不小变化,原材料、元器件,制造技术与工艺都有较大改进和提高,应用研究也取得了许多成就,但其基本构思、基本原理和基本工艺仍然证明是合理的可靠的。负荷传感器技术的几个发展时期和起决定性作用的技术创新是值得认真研究和总结的,它对未来称重传感器技术的发展和确立技术研究课题都有指导作用。
1952年英国学者杰克逊首先研制出金属箔式电阻应变计,为负荷传感器提供较理想的转换元件。并创造了用热固胶粘贴电阻应变计的新工艺,提高了负荷传感器的准确度和稳定性,促进了负荷传感器技术的发展。
1973年美国学者霍格斯特姆为克服利用拉伸、压缩和弯曲应力的正应力负荷传感器的诸多缺点,提出了不利用弹性体正应力,而利用切应力的理论,设计出圆截工字型截面悬臂剪切梁式负荷传感器,打破了传统的柱、筒、环、梁结构正应力负荷传感器的一统天下。剪切式负荷传感器以其灵敏度对加力点变化不敏感、拉向和压向灵敏度对称性好、抗偏心和横向负荷能力强、结构简单紧凑、尺寸小等特点形成了一个新的发展潮流,极大的推动了负荷传感器技术的发展。
1974年日本学者大井光四郎利用平面问题的有限单元法分析电阻应变计的应变传递,优化结构设计。德国学者埃多姆和美国学者斯坦因分别利用建立弹性体力学模型,采用有限单元计算分析弹性体的应力场、位移场,求得最佳化设计,为利用现代化科技手段设计与计算负荷传感器开辟了新途径。
1975年前后,为满足低容量电子计价秤发展的需要,美、日等国研制出铝合金不变弯矩原理的平行梁结构负荷传感器。虽然它利用的是平行梁表面的弯曲应力,应属于正应力类型,但因其不变弯矩原理使灵敏度对加力点变化不敏感,拉向和压向灵敏度对称,它又具备了切应力负荷传感器的特点。并且量程小,刚度大,便于调整四角误差,很快就形成了负荷传感器的又一个发展潮流。
蠕变是高精度电阻应变计和负荷传感器经常遇到和必须解决的关键问题。70年代末,前苏联学者H.科洛考娃通过对一维力学模型和应变传递系数的分析,提出控制应变计敏感栅的栅头宽度与栅丝宽度的比例,可以制出不同蠕变值电阻应变计的理论,并成功的研制出系列蠕变补偿电阻应变计。对低容量铝合金负荷传感器减小蠕变误差,提高准确度等级起到了至关重要的作用,使商用和家用电子秤的负荷传感器多品种、大批量生产成为可能。
由于电子称重技术和工业、商业电子衡器的迅速发展,负荷传感器的性能指标和评定方法,已不能满足采用阶梯公差带评定准确度等级的电子衡器的需要,急需准确度评定比较统一的计量规程。80年代初,国际法制计量组织(OIML)质量测量指导秘书处为适应电子衡器的误差评定方法,决定将用于电子称重的传感器与测力传感器彻底分开,由美国负责的第8报告秘书处起草《称重传感器计量规程》。经过OIML成员国书面表决后,在1984年10月第7届法制计量大会上正式批准,并于1985年以OIML,R60国际建议颁布,下发到各成员国。目前各国正在执行的是R60的2000年版。由于新计量规程把计量性能与温度性能综合考虑,增加了研究开发与大批量生产的难度,逼迫企业完善工艺准备,改进制造工艺,使称重传感器的综合性能和长期稳定性均有较大提高,保证了电子秤的质量。
80年代中期,随着数字技术和信息技术的发展,为满足电子衡器数字化、智能化的要求和用数字称重系统突破模拟称重系统局限性的构想,美国TOLEDO、STS和CARDINAL公司,德国HBM公司等先后研制出整体型和分离型数字式智能称重传感器,并以其输出信号大,抗干扰能力强,信号传输距离远,易实现智能控制等特点成为数字式电子衡器和自动称重计量与控制系统的必选产品,并形成了一个开发热点。
从上述技术创新和技术发展的几个重要阶段不难看出,电子称重技术的进步促进了称重传感器技术的发展,而现代科学技术的发展又为称重传感器的研发提供了技术和物质基础。
90年代以来,为了适应不断纳入高新技术的电子称重系统和电子衡器产品的新需求,称重传感器进入了设计、制造与工艺技术不断创新,产量大幅度提高的大发展时期。这一时期称重传感器技术发展动向和今后一个时期的技术发展趋势,就是本文所要阐述和回答的问题。
2.电阻应变计技术发展动向
电阻应变计是称重传感器的核心器件,其敏感栅结构、基底材料、灵敏系数稳定性、机械滞后、蠕变和热输出等技术性能直接影响称重传感器的准确度和稳定性。许多企业都把应变计的生产列入称重传感器的基础工艺。国内外著名称重传感器企业稳定批量生产质量都是从电阻应变计这一源头抓起,或建立与自己产品配套的电阻应变计生产部门,或经过考察确立长期供货的电阻应变计生产企业。90年代以来,以美国HPM公司、VMM公司为代表的应变计敏感栅箔材轧制企业和以美国VMM公司、德国HBM公司为代表的电阻应变计生产企业,在箔材轧制、热处理和电阻应变计设计技术与制造工艺研究上都取得了突破性进展,主要成果简介如下。
为满足称重传感器小型化、微型化的要求,特别是电子秤用能耗小、发热低、稳定性好的称重传感器用大阻值应变计的需要,美国VMM公司和HPM公司分别研制出2m、2.5m厚的超薄型康铜箔材,为研制微型应变计和大阻值应变计提供了物质基础。目前此产品尚未供应中国市场。
美国VMM公司和德国HBM公司电阻应变计的结构设计普遍采用一维、二维和三维有限单元法,建立相应的力学模型,分析应变计的应变传递系数,提出应变计结构设计原则。利用二维有限单元法计算和分析粘贴在弹性体上应变计的应变传递,得出大部分区域是单向应力状态,基本没有应变传递滞后现象,而接近栅丝末端的一小段是剪应力传递区域,剪应力急剧变化,正应力降为零而产生应变传递滞后现象。因此提出设计框状端头,把栅丝应变均匀分布区域作为工作区,将应变传递滞后区域与工作区域隔离开,减小应变计的滞后,这正是称重传感器用应变计所需要的。
建立三维有限单元六面体力学模型,取一万多个节点,在大容量电子计算机上进行计算,其目的是深入研究应变计结构,主要解决应变计复盖层的力学效果,敏感栅端部结构的力学效应,基底、敏感栅、复盖层厚度对机械滞后的影响,敏感栅结构与蠕变自补偿问题。保证应变计结构形状、几何尺寸、基底和复盖层厚度最合理。
尽管电阻应变计原理和结构设计都无可挑剔,但其制造工艺决定了它必然存在一些固有的工艺缺陷,传统制造工艺中刻图制片、涂胶光刻、基底制作、粗细腐蚀、阻值调整、引线焊接、涂复盖层、质量检查等工序多为手工操作和控制,人为的因素对产品质量影响很大,而且应变计成功率低,均一性差。而美国VMM公司和德国HBM公司的应变计生产工艺,自动化程度都很高,几乎每道工序都采用计算机自动控制和处理,关键工序如基底制作、光刻腐蚀、精细调阻,引线焊接、质量检测等都在自动化程度很高的专用设备上进行,制造工艺的可重复性好,工艺兑现率高。因此应变计的各项技术指标优良,一致性和稳定性好,批次产品质量几乎无差别。特别是称重传感器专用应变计在灵敏系数稳定性、阻值分散性、机械滞后、蠕变和热输出等技术指标的控制更加严格,为大批量生产C3级称重传感器创造了条件。
灵敏系数是电阻应变计的重要参数,许多生产厂家都采用等应力悬臂梁进行测试,其结果是灵敏系数分散大,准确度低。我们了解到的国外应变计生产企业,特别重视应变计生产工艺的两头,即开头的结构设计与刻图制版和最后的性能检测与灵敏系数测定。由于电阻应变计不能二次粘贴使用,所以灵敏系数测定是采用抽样的方法在带有标准梁的自动加载测量装置上进行。一次可标定多组不同型号的电阻应变计,每组最多可达10片,组成数10个测量点,通过多路自动扫描测量仪和电子计算机进行控制和运算,最后给出应变计灵敏系数、机械滞后和蠕变值。数据采集系统的分辨率为1με和1μv,精度优于0.02%。
应变计电阻值的精密调整工艺对其电阻值的分散度和稳定性影响较大。尽管化学调阻比传统的机械调阻有许多优越性,完全能保证产品质量,但其工艺要求严、劳动强度大、生产效率低的缺点也很突出,不适应日产10多万片应变计的大批量生产。美国VMM公司独创了激光自动调阻新工艺,速度快、精度高,应变计电阻值分散小,便于加膜处理制成全密封栅结构的应变计。
电阻应变计应用技术的研究也取得了突破性的进展。美国VMM公司经过多年的研究与实验开发出EMC(有效模量补偿)系列灵敏度温度自补偿电阻应变计,在许多场合都可以很容易的获得优于±0.0008/°F(0.0014%/℃)的补偿精度。根据不同弹性体材料EMC系列灵敏度温度自补偿应变计有4种类型:M1灵敏系数随温度变化-1.5%/100°F(-2.70%/100℃)适用于不锈钢;M2灵敏系数随温度变化-2.35%/100°F(-4.23%/100℃)适用于铝合金;M3灵敏系数随温度变化-1.25%/100°F(-2.25%/100℃)适用于工具钢;M4灵敏系数随温度变化为-1.35%/100°F(-2.43%/100℃)适用M1和M3之间的“中间区域”(不锈钢与工具钢之间)的补偿。
德国HBM公司研制出带背胶的自粘式电阻应变计,在称重传感器制造工艺中省略了对应变计的清洗,涂刷应变粘接剂等工序,减少了对应变计的污染和损害,提高了粘贴质量和可靠性,适合大批量自动化生产的各种称重传感器,尤其是家用电子秤用称重传感器的大批量生产。
弹性体表面应变是通过应变计的基底传递给敏感栅,基底材料的质量与厚度对电阻应变计的多项性能产生影响。基底厚而不均匀会使灵敏系数分散度增大,对线性和滞后也有较大影响。目前称重传感器用应变计基底胶膜厚度为30±5μm。美国VMM公司研制的PF聚酰亚胺基底胶膜的厚度只有8μm,不但平整均匀,容易弯曲,而且耐高温,抗焊接伤害能力强,具有良好的电性能。EG环氧玻璃纤维增强基底胶膜厚度仅为13μm,特别适合高精度称重传感器,可减少滞后和蠕变误差。
由于目前通用的称重传感器灵敏度温度补偿镍电阻与温度变化呈非线性关系,增大了补偿难度和补偿结果的分散度。德国学者正在研究用钡或铌代替镍作灵敏度温度补偿电阻,取得了一些进展。类似旨在创新称重传感器制造技术与制造工艺的研究课题和成果,非常值得我们关注和应用。因为制造技术与制造工艺是称重传感器研制和批量生产过程中最活跃、最积极的因素,是企业保证产品质量,强化竞争能力和提高经济效益的重要手段。在电子衡器产品竞争日趋激烈,电子衡器市场日趋国际化的今天,更应重视制造技术与制造工艺所起的作用。
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3.称重传感器技术发展动向
如果说20世纪70年代中期出现的各种剪切梁式切应力称重传感器和低容量铝合金平行梁式称重传感器,与传统的柱、筒、环、梁型正应力称重传感器形成了三大发展潮流,开创了称重传感器全面发展时期,那么90年代以来,随着科学技术的进步和工业过程控制自动化水平的提高,工业、商业和家用电子秤不断增加,对称重传感器的品种、产量、准确度和稳定性都提出了许多新要求,促进了新产品开发和常规产品工程化大规模生产,产量逐年上升,可以说进入了称重传感器的大发展时期。
回顾称重传感器的发展历史,国际上主要有两种发展途径:一是以美国为代表的先军工后民用,先提高后普及的发展途径;一是以日本为代表的实用化商品化,先普及后提高的发展途径。我国应属于后者,尽管军工部门应用较早,但快速发展和普及还是近20多年,目前急需提高总体技术与工艺水平。各国都把准确度、稳定性和可靠性作为称重传感器的重要质量指标,各生产企业进行了大量的基础研究、工艺研究和应用研究工作,取得了许多设计技术和制造工艺成果,简介如下。
吸取工程化产品设计中的拟实技术和虚拟技术,加快称重传感器开发速度,减少开发风险。称重传感器设计中的拟实技术是指面向弹性体的结构和性能分析技术,以优化结构、性能和成本为目标,包括结构选择、尺寸确定,强度、刚度有限元计算,受载分析,动态仿真等。主要是建立较为复杂的力学模型,采用交互、高交互有限元程序包,深入分析弹性体的应力场、位移场,并进行动态仿真。许多企业都有自己独创的较为成熟的计算软件,均取得了很好的计算和应用效果。称重传感器设计中的虚拟技术是指面向弹性体生产过程的模拟和检验,检验弹性体的可加工性,加工方法和工艺的合理性,以优化制造工艺,保证产品质量,降低生产成本为目标。在设计过程中还可利用有限元分析模拟弹性体加、卸载过程,计算出载荷增加、减少时的接触应力,分析出接触摩擦系数变化的影响及弹性体变形的纵横比,评定称重传感器的滞后。称重传感器拟实化和虚拟化设计的核心是计算机仿真技术,通过仿真软件来模拟真实受载情况,以保证结构设计和制造工艺的合理性,发现并及时改进设计、生产中不易发现的缺陷和错误。
现代制造技术专家吉川教授指出:世界各国经济上的竞争,主要是制造技术的竞争,在各个国家的企业生产力构成中,制造技术的作用往往占60%左右。称重传感器行业更是如此,制造技术已不是传统观念中的“作坊手艺”,而是一个集机械、电子、信息、材料、自控和管理为一体的新型交叉学科和综合技术。在称重传感器行业谁掌握了现代制造技术,谁就能占领较大的市场份额。称重传感器多品种、大批量生产特点决定了只有采用先进制造技术,才能把以时间为核心的市场竞争三要素时间、质量、成本之间的矛盾有机结合起来,使三者达到统一。国际上年产20-40万支,甚至60万支的称重传感器企业都引入了先进的制造技术,应用计算机技术和模拟技术确定工艺规范,优化工艺方案,预测加工过程中可能出现的缺陷和防止措施。从单台机床、单道工序、单个工具生产效率的提高,发展到普遍采用加工中心(MC)、柔性制造单元(FMC)和柔性制造系统(FMS)等整体效率的提高。90年代以来,称重传感器企业流行的制造系统是把计算机技术、信息技术、自动化技术与传统的制造技术结合起来,由计算机控制多台加工中心以及工件、刀具传送装置等,实现生产过程的全自动化,形成柔性制造系统,达到多品种、大批量生产,稳定质量、提高效率、降低成本的综合目的。使弹性体加工从单元技术发展到集成化技术,从刚性制造发展到柔性制造,从简单化经验判断发展到智能化定量分析。济南金钟电子衡器股份有限公司就采用了柔性制造系统(FMS)对传统的制造技术进行改造并通过验收。这对弹性体加工尚处于单机制造或单机自动化、刚性自动化的生产企业是值得认真学习和借鉴的。
应变式称重传感器生产工艺的主要问题是手工操作与控制成份大,人为的因素对产品质量影响较大,生产效率低,不适合多品种、大批量生产。称重传感器生产工艺创新的方向是在保证设计符合性控制和工艺可靠性控制的基础上,尽量减少手工操作和人为控制,增加自动化和半自动化工序。例如采用计算机控制或人机一体化工艺系统减少手工操作,增加自动控制,保证工艺兑现率。国际上年产量大的生产企业都自行研究设计出网络化的制造工艺与测试系统,称为制造测试技术网络化或生产工艺网络化。它是称重传感器弹性体从分类编号打印条形代码开始,经过全部生产工艺过程到包装入库为止,实时控制与测试基础上的计算机网络系统。包括贴片组桥,固化和后固化烘箱控制系统,零点和灵敏度温度补偿测试与计算系统,各种稳定处理测试与控制系统,性能测试与检定自动控制系统等。各生产工序和控制系统的测试数据均为自动采集,不能人为输入、任意修改,保证测试结果真实可靠。也有采用总线型两极分布式信息系统,把称重传感器生产监控作为一个子系统,主要有质量监督功能,设备监督功能,生产能力调整功能,生产支持系统功能和生产工艺过程监督功能等。美国VT特迪亚—亨特利(北京)电子有限公司,自行研制设计了称重传感器制造工艺与测试网络化信息系统,并调试成功投入使用,使年产量达到40多万支。中航电测仪器有限公司也建立了称重传感器网络化测试系统。
在上述设计、制造和工艺技术支持下,称重传感器的品种和结构又有创新,技术功能和应用范围不断扩大,研发出许多技术含量高、工艺难度大的新产品,丰富了称重传感器市场。
美国Revere(里维尔)公司研制的PUS型罐式拉、压两用称重传感器,其外壳由涂有环氧树脂的合金钢构成,内部安装一个低位移的具有大气压力补偿功能的拉压式弹性元件。适用于高精度的检验平台、称重平台和料斗秤、容器秤等。量程100-300000Ib(45-136000kg),准确度C3级,工作温度可达400°F(240℃)。
德国HBM公司研制的C2A和C16A两种不同结构系列,量程均为1-100t的称重传感器,都具有“耐压外壳”保护的防爆功能,其“耐压外壳”保护结构符合欧洲EN50014易爆区域电气设备标准和EN50018易爆区域电气设备耐压外壳“d”级标准。焊接外壳均经过高压试验,检验结构强度和密封性能,试验压力20Pa(帕)。
美国Scaime(斯凯梅)公司研制出新一代高准确度不锈钢F60X系列,量程5-5000kg的称重传感器,准确度可达6000d。主要用于湿度大、腐蚀性强的环境中,而且防水。达到如此高的准确度等级主要是制造技术与制造工艺有新突破,例如不锈钢的热处理制度、多次回火工艺、大气压保护下的气冷和深冷工艺等。
德国Seitner(塞特内尔)公司为快速称重计量系统研制的200型铍青铜称重传感器,线性好、固有频率高,动态响应快。独创油阻尼装置与过载保护为一体,使称量时称重传感器的衰变时间快,速度高,工作寿命长。组装成3-30kg电子平台秤其准确度可达4000d。
美国THI公司为快速称重计量的旋转式定量包装机研制出THI1410型单点式铝合金称重传感器,量程为5-30kg,准确度C3级。与普通称重传感器最大不同是它可以承受离心力和机械振动,内部装有特制的粘性阻尼器,保证称量时有较快的稳定时间和较小的测量误差。THI-900型5-150kg称重传感器,称量时的稳定时间低于50ms,称重准确度也是C3级。
美国VT-BLH公司,Metter-Toledo公司都开发出新式称重模块,具有合理的组件化功能和极高的称重效率。是用新技术面对电子称重系统新挑战的具有代表性的产品。称重模块以其出厂后可“即扦即用”,安装与校验简单,稳定性和可靠性高等特点,在各种电子衡器设计中被广泛采用。例如美国VT-BLH公司KIS-2和KIS-3型不锈钢模块可自动调节承载位置,减少由于偏载、振动、热效应影响或偶然超载引起的称量误差。Z-BLOK型承载模块可以承受由于搅拌、振动、其它外力引起的偏心载荷,并不受地震或飓风的影响。美国Toledo公司的D-35353模块采用整体型特种钢壳体,结构坚固,尺寸紧凑,具有多种过载保护功能。
此外,Dacom West(戴康 韦斯特)公司开发的利用可编程序减少非线性误差,补偿灵敏度温度误差的可编程MLX90308称重传感器接口;Kern(科恩)公司研制的低容量(36kg)、高分辨率(0.5g)、高准确度(7200d)DS36K0.5型电子平台秤用称重传感器,都有很高的技术含量和应用价值。德国HBM公司研制的SSC型各种容器偏心称重计量专用称重传感器,可将容器或平台偏心载荷集中到一个称重传感器上,变三支称重传感器为一支进行称重计量,已在拉圾车上得到很好验证。
上述各项新技术、新工艺和新产品适应了电子称重技术从静态称重向快速称重、低速动态称重和动态称重的发展趋势,较好的体现了技术的先导性、工艺的先进性和产品的适应性等创新产品和自主知识产权产品的开发原则,非常值得我国称重传感器制造企业研究、借鉴。

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