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。