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應變式稱重傳感器技術發展概況
日期：2025-09-13 21:22
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摘要：
應變式稱重傳感器技術發展概況
中國運載火箭技術研究院第七○二研究所 劉九卿
摘要：20世紀90年代以來，在電子稱重技術與電子衡器產品快速發展的強力牽引下，應變式稱重傳感器進入了大發展時期，設計與制造技術取得了令世人矚目的進步。本文從產品研發、強化企業競爭力和參與國際競爭的角度，介紹了應變式稱重傳感器、電阻應變計技術發展概況，重點是設計與制造的新技術、新工藝、新產品，科技攻關的新特點以及大批量生產的統計制程管理。結合電子稱重技術的新要求，展望了稱重傳感器技術的發展趨勢。中國運載火箭技術研究院第七○二研究所 劉九卿
關鍵詞：稱重傳感器 電阻應變計 結構設計 制造工藝 虛擬化 柔性化 網絡化 統計制程管理
一、應變式稱重傳感器的發展與技術**
1938年美國加利福尼亞理工學院教授E.Simmons（西蒙斯）和麻省理工學院教授A.Ruge（魯奇）分別同時研制出紙基絲繞式電阻應變計，以他們名字的字頭和各有二位助手命名為SR一4型，由美國BLH公司**生產。為研制應變式負荷傳感器奠定了理論和物質基礎。
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型電阻應變計研制出圓柱結構的應變式負荷傳感器，用于工程測力和稱重計量，成為應變式負荷傳感器的創始人。1942年在美國應變式負荷傳感器已經大量生產，至今已有60多年的歷史。
前30多年，是利用正應力（拉伸、壓縮、彎曲應力）的柱、筒、環、梁式結構負荷傳感器的一統天下。在此時期內，英國學者杰克遜研制出金屬箔式電阻應變計，為負荷傳感器提供了較理想的轉換元件，并創造了用熱固膠粘貼電阻應變計的新工藝。美國BLH公司和Revere公司經過多年實踐創造了負荷傳感器電路補償與調整工藝，提高了負荷傳感器的準確度和穩定性，使準確度由40年代的百分之幾量級提高到70年代初的0.05量級。但在應用過程中出現的問題也很突出，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、壓循環加載時靈敏度偏差大；抗偏心和側向載荷能力差；不能進行小載荷測量，這些缺點嚴重制約了負荷傳感器的發展。
后30多年，經歷了70年代的切應力負荷傳感器和鋁合金小量程負荷傳感器兩大技術突破；80年代稱重傳感器與測力傳感器徹底分離，制定R60國際建議和研發出數字式智能稱重傳感器兩項重大變革；90年代在結構設計和制造工藝中不斷納入高新技術迎接新挑戰，加速了稱重傳感器技術的發展。
1973年美國學者霍格斯特姆為克服正應力負荷傳感器的固有缺點，提出不利用正應力，而利用與彎矩無關的切應力設計負荷傳感器的理論，并設計出圓截工字形截面懸臂剪切梁型負荷傳感器。打破了正應力負荷傳感器的一統天下，形成了新的發展潮流。這是負荷傳感器結構設計的重大突破。
1974年前后美國學者斯坦因和德國學者埃多姆分別提出建立彈性體較為復雜的力學模
型，利用有限單元計算方法，分析彈性體的強度、剛度，應力場和位移場，求得*佳化設計。為利用現代分析手段和計算方法設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商業用電子計價秤，急需小量程負荷傳感器。傳統的正應力和新研制的切應力負荷傳感器都不能實現幾公斤至幾十公斤量程范圍內的測量。美國學者查特斯提出用低彈性模量的鋁合金做彈性體，采用多梁結構解決靈敏度和剛度這對矛盾。設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力的正應力結構，具有切應力負荷傳感器的特點，為平行梁結構負荷傳感器的設計與計算奠定了理論基礎，形成了又一個發展潮流。
蠕變是電阻應變計和鋁合金負荷傳感器經常遇到和必需解決的關鍵問題。前蘇聯學者H.Л.Клокова（科洛考娃）通過對一維力學模型和應變傳遞系數的分析，提出控制電阻應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變計的理論，并成功的研制出系列蠕變補償電阻應變計。對低容量鋁合金負荷傳感器減小蠕變誤差，提高準確度起到至關重要的作用，使電子計價秤用鋁合金負荷傳感器多品種、大批量生產成為可能。
由于電子稱重技術的迅速發展，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確度等級電子衡器的需要，急需與電子衡器準確度評定方法相適應的計量規程。80年代初，國際法制計量組織（OIML）質量測量指導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，由美國負責的第8報告秘書處起草《稱重傳感器計量規程》。經過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，并于1985年以OIML，R60國際建議頒布，下發到各成員國。目前各國正在執行的是R60的2000年版。可以說R60《稱重傳感器計量規程》是各國稱重傳感器進入國際市場的“通行證”。
隨著數字技術和信息技術的發展，各行業對數字化電子衡器的需求愈來愈多，提出用數字稱重系統突破模擬稱重系統局限性的要求，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：**彈性體結構，改進制造工藝，完善電路補償與調整等。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雜，組秤調試周期長等缺點依然如故。為滿足數字化電子衡器的需求，美國TOLEDO、STS和CARDINA公司，德國HBM公司等先后研制出整體型和分離型數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，易實現智能控制等特點，成為數字化電子衡器和自動稱重計量與控制系統的必選產品，形成一個開發熱點。
90年代，由于稱重傳感器的設計與計算等基本技術趨于成熟，稱重傳感器的發展側重于工藝研究和應用研究，在產品標準化、系列化、工程化設計和規模化生產工藝等方面都有很大進步，主要是：在結構與工藝設計中引入計算機擬實技術和虛擬技術；在彈性體加工中納入柔性制造技術；在生產工藝中采用計算機網絡技術；在穩定處理中移植了振動時效、共振時效新工藝；在測試檢定中創造了自動快速檢測和動態比對方法。
應用技術研究也有突破性進展，在傳統稱重模塊的基礎上，研制出新式稱重模塊，這是應用新技術面對新挑戰的典型產品。其特點是組件化設計，具有“即插即用”功能，可減少由于偏重、熱效應影響，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。總之，70年代兩項技術突破，80年代兩個重大變革，90年代納入高新技術面對新挑戰的研發理念，極大地促進了稱重傳感器技術的發展。
二、國外應變式稱重傳感器技術現狀及發展特點
應變式稱重傳感器的設計與制造技術，產品的種類和市場占有率，美、德等工業發達國家的有名制造公司處于國際市場引導者的**地位，我國具有一定規模的稱重傳感器制造公司處于市場挑戰者地位，大多數生產企業是處于市場追隨者地位。家庭電子秤用稱重傳感器的研發和生產中心在中國，在深圳，制造技術、工藝水平、產品質量和年產量逐年提高。
當今國際市場稱重傳感器技術的競爭，集中表現在產品的準確度、穩定性和可靠性的競爭；制造技術與制造工藝的競爭；應用高新技術研發新產品和自主知識產權產品的競爭。各稱重傳感器制造企業都在努力培植自己的核心競爭技術和打造核心競爭產品。
從近幾年國際衡器工業展覽會上展出的產品和對多家處于市場引導者地位的企業產品的分析可以得出這些企業的共同追**：彈性元件材質更精良；電阻應變計、補償元器件的技術要求和環境應力篩選更嚴格；制造工藝更精細；電路補償與調整工藝更完善；外觀質量更**。
稱重傳感器的準確度、穩定性和可靠性是重要的質量指標，同時也是用戶*關心的問題。對此，國外一些企業在結構設計、制造工藝、電路補償與調整和穩定性處理等方面進行許多研究與試驗工作，取得較大進展，主要成果有：
（1）在結構設計與計算過程中，引入計算機擬實技術進行動態仿真，動力學分析；在工藝設計過程中引入計算機虛擬技術，對彈性體生產工藝進行模擬和檢驗；
（2）在彈性體加工中，納入先進制造技術，變剛性制造為柔性制造。普遍采用加工中心、柔性制造單元和柔性制造系統；
（3）在生產全過程中，盡量減少手工操作、人為控制，增加半自動與自動控制、自動檢驗工序，并在生產工藝中采用計算機網絡技術；
（4）改進、**工藝裝備，實現高效智能電路補償，建立全自動快速檢測系統，提高C3級產品成功率和大批量生產產品的抽檢合格率；
（5）移植先進的穩定處理技術與裝備，實施振動時效或共振時效新工藝，提高稱重傳感器的長期穩定性和工作可靠性；
（6）應用高新技術開發新產品和自主知識產權產品，增強核心競爭力。處于國際市場引導地位的企業都有自己的核心競爭技術、工藝和產品，例如：正負蠕變電橋的“O蠕變”稱重傳感器；鈹青銅動態稱重傳感器；整體型和分離型數字式智能稱重傳感器；高準確度不銹鋼3柱、4柱高溫稱重傳感器；組件化設計的“即插即用”型新式稱重模塊等。
國外稱重傳感器技術發展特點：
（1）重視基礎技術、基礎工藝和共性關鍵技術的研究，作到基礎研究與預先研究并行；共性關鍵技術研究與應用技術研究并行；典型產品開發與產品工程化并行。保證基礎技術與基礎工藝（電阻應變計、應變粘結劑、補償元器件、防護與密封材料等）一直處于世界**
地位。
（2）重視基礎設施建設和制造技術、制造工藝的研究與應用。配置優良的工藝裝備和檢測儀器，特別是智能化工藝設備，作到工藝裝備*先進；
（3）描準世界稱重傳感器技術的發展潮流和戰略前沿，確定研究課題和產品開發方向。重視新產品和自主知識產權產品的開發，增強核心競爭力。其技術**和新產品開發的標準是：具有較高的技術先導性，工藝先進性，市場擴散性，效益增殖性。使技術與工藝始終處于世界**地位。
（4）重視稱重傳感器的可靠性設計、控制與管理，嚴格設計符合性控制和工藝可靠性控制，努力使工藝兌現率達到****。
（5）重視市場競爭，加強市場調查與分析，快速響應市場。21世紀的市場競爭，是以市場響應速度為焦點，以改進和**產品為基礎。
（6）重視相關法規和規程的學習，**理解并認真執行，保證生產的每一個產品都符合要求。
正因為如此，國外的稱重傳感器品種繁多，規格齊全，合金鋼、鋁合金、不銹鋼、鈹青銅制品應有盡有；水下、鉆井下測量，耐壓防爆、抗輻射、耐腐蝕產品；微小和超大量程；多稱量與動態稱量；集成化與模塊化結構任用戶選購。并作到產品的內在與外觀質量并重，近幾年外觀質量的改進與提高十分明顯，基本沒有噴漆產品，幾乎全部是亮光或亞光化學鍍鎳、鍍鉻，烤漆，噴塑，瓷質陽極化和不銹鋼產品，個別產品的外形已融入人性化設計。
三、電阻應變計制造工藝技術的發展慨況
電阻應變計是應變式稱重傳感器的核心器件，其敏感柵結構、基底與覆蓋層材料、熱輸出、機械滯后、蠕變、靈敏系數穩定性等工作特性直接影響應變式稱重傳感器的準確度和穩定性。國內外許多企業都把電阻應變計的生產列入應變式稱重傳感器的基礎工藝，穩定批量生產質量都是從電阻應變計這一源頭抓起?；蚪⑴c本公司產品配套的電阻應變計生產部門，或經過嚴格考察確定長期供貨的電阻應變計生產企業。20世紀90年代以來，以美國HPM公司、V－MM公司為代表的應變電阻合金箔材軋制企業和以美國V－MM、BLH、JP公司，德國HBM公司為代表的電阻應變計設計與制造企業，在應變電阻合金研究、箔材軋制與熱處理、電阻應變計設計技術與制造工藝、生產線的工藝裝備研制與應用上都取得一些突破性進展，主要技術與工藝成果簡介如下：
（1）在學術領域形成了應變電阻合金學術分科
研制滿足各種類型電阻應變計工作特性要求的應變電阻合金材料，并從合金熔煉、鍛造，箔材軋制、碾壓、熱處理開始控制電阻應變計的質量。
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備。
箔材精軋工藝：在潔凈度較高的環境條件下，利用高速軋機進行冷軋，采用軋機自動厚度控制系統控制帶材厚度，保證均勻一致。
碾壓精度要求：厚度為0.0001～0.0002英寸（2.5～5μm）的帶材，厚度變化小于0.00001英寸（0.25μm）。
（2）研制先進的應變電阻合金箔材熱處理設備
箔材在多次軋制、碾壓過程中，晶格產生位錯、滑移、空位、破裂等缺陷，其附近的原子處于熱力學上的不穩定狀態，是電學性能不穩定的重要原因。因此必須進行穩定性處理，即退火處理，在達到退火溫度時這些原子吸收熱能產生擴散，使晶格缺陷遷移和消失，電阻率和電阻溫度系數趨于穩定。為此研制出智能真空熱處理設備，北京紫微浩陽科技有限公司研制生產的BSE－1088型真空熱處理爐具有一定的代表性。它能在極高的真空條件下，**的按照設定的熱處理工藝曲線，對應變電阻合金箔材進行熱處理，并采用正壓氫氣體保護技術，保證金屬箔材不被氧化和化學成分不變，在此前提下調整其熱輸出性能。
（3）采用三維有限單元法設計電阻應變計
處于國際市場引導地位的企業普遍采用一維、二維和三維有限單元法，建立相應的力學模型，分析電阻應變計的應變傳遞系數，提出敏感柵結構設計原則。美國V－MM公司建立三維有限單元六面體力學模型，取一萬多個節點，在大容量電子計算機上進行計算，其目的是研究電阻應變計結構，解決敏感柵結構的力學效應，覆蓋層的力學效果，基底、敏感柵、覆蓋層厚度對機械滯后的影響，敏感柵結構與蠕變自補償問題。保證電阻應變計敏感柵結構形狀、幾何尺寸、基底與覆蓋層厚度*合理。
（4）電阻應變計制造工藝及工藝裝備的新發展
1）精密刮膠技術與裝備
刮膠棒間隙可調，傳送臺采用高精度伺服電機，控制性能**，膠膜均勻，厚度偏差小。
2）基底與箔材一體化的壓膜技術
通過專用設備將箔材與基底薄膜壓合成為一個整體，箔材與基底粘結牢固，厚度均勻，符合基底?。?0～25μm）的要求。
3）采用帶基底的箔材制造電阻應變計
在專用的加壓加溫設備上，將熱處理后清洗干凈的箔材與已制成20～25μm膠膜的基底材料，通過膠粘劑粘貼、固化使兩者成為一個整體，供制造電阻應變計使用。其特點是：將箔材處理、清洗、涂基底膠、固化成膜等工序合并為一體，即簡化了工藝流程，又提高了電阻應變計的均一性和穩定性。
4）離子束投影光刻技術（IPL）與光刻裝備
被稱為新一代光刻技術，其光刻工藝為：
離子源→離子束→掩膜片→靜電透鏡系統→參考平面→步進掃描承片臺。
特點：分辯率高，能達到50nm的特征尺寸；光線均勻，爆光快速、準確。
5）漫射光光刻技術與光刻裝備
紫外爆光燈，其光譜能量集中分布在365～435nm，曝光更加快速、準確；真空吸附式曝光，箔材與光刻板接觸緊密。
6）電子計算機控制的智能化勻膠工藝裝備
勻膠機采用計算機控制的永磁直流稀土電機，控制性能好，實時監控加速度、勻膠速度、減速度，可獲得較高的膠膜均勻性。
7）電子計算機控制的智能化蝕刻工藝裝備
智能蝕刻機為全密封結構，保證蝕刻液成分不變，采用扇形擺動噴淋面與垂直方式承片臺動態配合，有效的控制每版應變計電阻值的誤差。
8）調阻新工藝
①電化學調阻工藝
是利用金屬在電解液中受到電化學陽極溶解使其尺寸改變的原理。對細腐蝕后的應變計，通過耐腐蝕材料制成的陰極和它噴出的電解液，逐片對敏感柵進行電解加工調整電阻值。其特點是不產生予應力，敏感柵厚度均勻，阻值和溫度系數分散小且穩定性好，調阻精度和效率高。目前已研制出智能電化學調阻工藝裝備。
②激光化學調阻工藝
激光化學調阻工藝是近年來工藝研究的新成果。對細蝕刻后的整版應變計均勻涂上一層蝕刻液，以一定波長的激光束掃過敏感柵上的蝕刻液，進行光化學調阻，直到自動測量系統發出電阻值達到標準時為止。不產生予應力和溫度特性變差，電阻標稱值精度高，阻值分散小，穩定性好，特別適合作高準確度的稱重傳感器。
從上述兩種電阻應變計電阻值精密調整的新工藝中，可以得出均可實現電子計算機控制的自動化調阻，較大的克服了人為因素對產品質量的影響，是今后電阻應變計生產工藝中精密調整電阻值的新途徑。
9）自動圖形識別蝕刻質量檢查
電子計算機控制的圖形識別蝕刻質量檢查系統，對敏感柵及柵頭蝕刻質量的檢查嚴格、科學、合理，保證產品批次質量的穩定性和均一性。
10）新型全密封覆蓋層技術與工藝
蝕刻、調阻后，全版加封一整張覆蓋層，加壓加溫固化后電火花加工露出焊點，形成真正的全密封結構。
11）激光自動剪片新工藝：
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。
12）應變計自動性能檢測與靈敏系數測定裝備
在自動加載的標準梁上，通過多路自動掃描測量儀和電子計算機控制進行測量與數據處理。
13）靈敏系數溫度自補償電阻應變計
美國V－MM公司利用卡瑪合金，開發出EMC（有效模量補償）系列電阻應變計，將它與彈性元件材料適當匹配，就可以實現稱重傳感器靈敏系數的溫度自補償。在很多情況下這種補償效果可優于±0.0014％/℃。根據不同彈性元件材料EMC系列電阻應變計有4種類型：
M1靈敏系數隨溫度變化-2.70％/100℃用于不銹鋼；
M2靈敏系數隨溫度變化-4.23％/100℃用于鋁合金；
M3靈敏系數隨溫度變化-2.25％/100℃用于工具鋼；
M4靈敏系數隨溫度變化-2.43％/100℃適用于和之間的“中間區域”（不銹鋼與工具鋼之間）的補償。
14）高溫電阻應變計兼有靈敏度溫度自補償功能。
15）電阻應變計的疲勞壽命有較大提高
從過去承受1000με時的107～108次，提高到現在承受1500με時的108次。
16）新型靈敏度溫度補償電阻材料的研制
近些年來，加強了用Balco（巴爾科）合金代替鎳電阻的研究，Ni的電阻溫度系數在10～65℃時為0.59％/℃，Balco合金為0.43％/℃，且電阻率高，比較容易獲得高電阻值。兩者的缺點是電阻值相對溫度變化不是線性函數。為此，德國學者在研究用鋇或鈮代替鎳作為靈敏度溫度補償電阻。
尚未解決問題：目前國內外對電阻應變計的力學、電學性能都有專業或國家標準，但對于電阻應變計的幾何形狀、基底、覆蓋層、引出線等質量評定，尚沒有明確的規定，這是用戶與生產企業出現分歧的主要原因。
四、應變式稱重傳感器技術的發展概況
1. 研究方向和特點
變式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，以制造技術和制造工藝為核心競爭力，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）在彈性元件加工中，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。
2. 重視加載、承載邊界條件影響的研究
通常一臺稱重傳感器有兩個承受載荷的接觸面，即引入載荷的接觸面和傳遞載荷的接觸面。對于承受壓向載荷的稱重傳感器，兩個承受載荷的接觸面為彈性元件的上球面和下底面；對于承受拉向載荷的稱重傳感器，兩個承受載荷的接觸面為上、下螺紋的嚙合面；對于平行梁式稱重傳感器，兩個承受載荷的接觸面均為彈性元件的一部分；對于一些剪切梁式稱重傳感器，一個接觸面為彈性元件的一部分，另一個接觸面與彈性元件分離，因為它有一個固定的連接底座。
在上述加載、承載邊界條件中的每一個接觸面上，載荷的分布取決于接觸面上的加載條件。因此這些加載條件的變化將引起接觸面上載荷分布的變化，即使在接觸面上總的作用載荷保持不變，也將導致稱重傳感器的靈敏度變化。
對于應用上壓頭、下壓墊的壓式稱重傳感器，決定加載邊界條件的因素有：
（1）與彈性元件加載面相接觸材料的特性，如摩擦系數、硬度等；
（2）與加載表面相接觸壓頭的表面形狀，如平面、曲面曲率、接觸圓大小等；
（3）加載后，接觸面的變形。
對于應用螺紋接觸面引入載荷的拉式稱重傳感器，決定加載邊界條件的因素有：
（1）螺紋加工精度（即螺紋中徑的尺寸精度）；
（2）拉式接頭或關節軸承拉頭與彈性元件螺紋的嚙合面積的大小。
對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、墊塊的結構及所用材料的硬度、表面粗糙度等。因此支承方式即彈性元件根部固定的合理性至關重要，應具有足夠大的平衡力矩，盡量使其為固支。
英國物理實驗室測力研究室，對500KN標準測力傳感器，通過一個鋼質平墊和兩個半徑為1/1000的鋼質凸、凹球面墊進行加載試驗，在*大載荷值時，用平墊和球墊測得稱重傳感器的靈敏度不同，它們之間的*大差別為0.2％。
有些結構的稱重傳感器，加載、承載邊界條件的改變會使靈敏度產生較大的變化，在用滯后、蠕變和靈敏度溫度誤差都很小的壓式稱重傳感器進行的壓墊試驗得到了證實，壓墊設計合理靈敏度相差0.05％，壓墊設計不合理靈敏度相差0.3％。
采用圓柱形彈性元件的壓式或拉式稱重傳感器，應變區的有效長度L和直徑D之比L/D是決定加載邊界條件的主要參數。對于50t的壓式稱重傳感器，當L/D＝3.7時，在壓墊試驗中靈敏度變化小于0.005％，而當L/D＝1時，其靈敏度變化大于1％。綜上所述，加載、承載邊界條件的影響可歸納為如下幾點：
1）表面形狀和硬度影響
稱重傳感器的上壓頭、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，表面硬度影響可以忽略不計，上壓頭厚度影響也很小，因為接觸僅發生在球面中心一個小接觸圓上。一般要求上壓頭的硬度小于彈性元件的硬度，但不能太低，因為壓頭硬度越低、粗糙度越大，在較小的載荷下會產生較大的變形，將使合力作用點發生變化，引起稱重傳感器靈敏度變化。用不同硬度的鋼、銅、鋁壓頭進行試驗，表面粗糙度同為Ra＝6.3μm，在相同載荷作用下其變形分別為2.2μm、3.6μm、5.4μm；**次加載時的變形分別為0.33μm、0.38μm、0.60μm。
壓頭的形狀(從平面到球面）對三個力矩分量的影響是顯著的。其*大特點是在接觸區出現相當高的應力，由于接觸點處于三向受壓的應力狀態，因此能承受這樣高的應力而不破壞。
2）加載承載面的大小、材料特性的影響
接觸面壓力低時，滯后小；壓力高時，滯后大。大量程彈性元件的承載球面半徑應盡量大些，例如德國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54mm和35mm，100t分別為76mm和50mm，200t分別為108mm和70mm。
剪應力大小和在壓墊上分布，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。
當D＞d、Em＝Es時，在接觸面上只產生局部影響，這種影響不擴散，不影響彈性元件應變區的應變值。
當D＝d、Em＞Es時，在接觸面上產生應力集中，由于應力不同而阻滯了彈性元件的橫向變形，這種影響向彈性元件中心擴散，使輸出有減小的趨勢。
3）接觸面粗糙度的影響
英國物理實驗室測力研究室，用環氧樹脂模型進行接觸面粗糙度影響試驗得出：接觸面越光潔，載荷傳遞性能越好，輸出就越大，對稱重傳感器靈敏度無影響。
3. 力矩和側向載荷的靈敏度影響
用于各種電子秤的應變式稱重傳感器，應設計成只感受垂直方向的載荷，而對力矩和側
向載荷不敏感，或把力矩和側向載荷的影響限制在規定的誤差范圍內。這樣的稱重傳感器其輸出僅僅取決于沿主軸或與主軸平行的載荷的大小，這就要求彈性元件具有較高的尺寸精度和很小的形位公差，同時保證電阻應變計粘貼位置的準確性和對稱性。實際上彈性元件所能達到的形位精度和電阻應變計的定位精度與對稱性是有一定限度的，并且在某種程度上，所有稱重傳感器對于迭加在主分量上的力矩和側向載荷都是敏感的，其側向靈敏度的大小和正負方向是不能預先知道的。即使結構類型相同而量程不同的稱重傳感器，側向靈敏度也不同。但是對于彈性元件的結構和額定載荷已確定的稱重傳感器，其側向靈敏度將受到彈性元件的形位公差和電阻應變計的定位誤差所限制。例如，一圓柱形彈性元件在側向載荷作用下將產生一彎矩，按理此彎矩應由對稱的粘貼在彈性元件上的電阻應變計加以補償，但由于電阻應變計靈敏系數有小的散布，粘貼位置和方向都有誤差等原因未能得到補償。試驗證明，若有額定載荷5％的側向載荷存在，對于高準確度的稱重傳感器，則會出現滿量程±0.1％的誤差；對于一般準確度的稱重傳感器，此誤差可達±0.6％。又例如，一承受壓向載荷的圓筒式稱重傳感器，已知額定載荷和圓筒外徑尺寸，其內徑越大，對彎矩就越敏感，這是筒式彈性元件的內圓和外圓同心度的**公差，導致中性軸偏離加載中心的緣故。因此應從稱重傳感器的結構設計上和制造工藝中，嚴格要求限制側向靈敏度影響，盡量作到：
（1）從結構設計上保證稱重傳感器的輸出僅僅取決于沿彈性元件主軸或與主軸平行方向上的載荷；
（2）對于軸對稱的稱重傳感器，例如圓柱式結構的彈性元件，主軸應垂直于下端面及下壓墊，并且通過其中心；
（3）對于懸臂梁型稱重傳感器，固定端的凸臺平面決定主軸方向，為保證靈敏度不受端部加載條件的影響，載荷應通過彈性元件和根部凸臺的中心；
（4）限制側向靈敏度影響的措施，就是機械加工時，保證彈性元件的形位公差特別是對稱性，粘貼電阻應變計時，保證位置和方向的準確度與對稱性，盡量限制中性軸偏離中心線。
4. 彈性元件應變程度的影響
在額定載荷作用下，彈性元件應變區的應變程度，對稱重傳感器的線性、滯后、蠕變和疲勞壽命都有較大影響。這里說的應變程度，實際上是保證應變穩定并與載荷成較嚴格線性關系的應變范圍，它與彈性元件所用的材料密切相關。彈性元件應變的穩定性與所用金屬材料的關系可用下式表達：εCKRRRC＝＝Λ
式中：Rε—應變計電阻的相對變化；
C－應變利用系數；
K－應變計靈敏系數；
ε－彈性元件的彈性應變。
由式可見，提高彈性元件應變的穩定性是提高稱重傳感器整體穩定性的基礎和關鍵。因此，彈性元件材料不僅是結構材料而且是功能材料。
在產生應變的彈性元件材料所要求的各種性能中，*重要的性能是滯后和蠕變。實際上綜合性能再好的彈性元件材料，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*有效的方法，就是把彈性元件應變區的應變程度限制在一個較低的范圍內，一般高準確度的稱重傳感器的應變程度都較低，其*大應力僅為材料彈性極限的1/4～1/3范圍內。實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變區應變程度減至*小而獲得改進，較低的應力、應變意味著對理想線性彈性性能的偏差*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，必然伴隨出現一定程度的非線性影響，彈性元件應變區應變程度低，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線性誤差減至*小。
5. 從結構上減小滯后誤差
稱重傳感器的彈性元件在外載荷作用下產生變形時，應該是加載后立即變形，卸載后立即恢復，應力與應變同步進行，與時間無關。但實際上彈性元件在彈性變形時，加載線與卸載線并不重合，應變落后于應力，經過一段時間才能達到完全彈性變形或完全消除彈性變形，這種現象稱為彈性滯后，彈性元件所用金屬材料和結構形式是產生滯后的主要因素。通過合理的熱處理工藝對金屬材料的彈性滯后加以控制后，彈性元件的結構就成為產生滯后的重要因素。
現以輪輻式稱重傳感器為例，分析結構因素引起的滯后誤差。
1）輪轂、輪箍剛度與滯后的關系
輪箍變形位移量與其剛度密切相關，剛度大，變形位移小，底摩擦作用時間短，輪輻應變恢復快，滯后??；反之滯后大。因此，輪轂、輪箍剛度應足夠大，確保輪輻與輪轂、輪箍連接處轉角為零。
2）輪輻剛度與滯后的關系
輪輻是應變敏感部分，其變形量與輪輻長度L成正比，與輪輻截面積A成反比。因此輪輻長度L小，截面積A大，變形量小，應變恢復快，滯后小。
3）輪輻高厚比（h/b)與滯后的關系
在其它條件相同的情況下，改變輪輻高度h與厚度b的比值h/b，剪應力τ和彎曲應力σ均改變，對滯后有一定影響。所以在輪箍剛度足夠大時，增加輪輻的剪應變，降低彎曲應變，可減小滯后。
對于圓柱結構的壓式稱重傳感器，在加載后卸掉載荷時，由于底部接觸面上的摩擦力，阻滯其環向變形的恢復而產生滯后。
對于雙剪梁型稱重傳感器，彈性元件與底座接觸面的滑動是產生滯后誤差的重要原因。在加、卸載過程中，雙剪梁彈性元件與底座滑動方向相反，因此作用在彈性元件上的摩擦力方向也相反，正是此摩擦力造成應變區剪應力變化。接觸面摩擦系數大，隨著載荷的增加滯后的**值由小變大。盲孔中心到彈性元件端面的距離太小，底摩擦力對應變區的影響也較大。
為減少稱重傳感器的滯后誤差，首先在結構設計上保證滯后*小，*好采用無摩擦設計。稱重傳感器的摩擦分為外部摩擦和內部摩擦兩大類，外部摩擦是指彈性元件承載球面與壓頭，底面與壓墊或基礎之間的摩擦；內部摩擦是指彈性元件局部應力集中，造成晶格之間位錯所產生的摩擦。這兩種摩擦均使滯后和非線性誤差顯著增加，因此只要結構允許應盡量采用無摩擦設計。
1）彈性元件的底面必須為平面時，應設計成剛度大，接觸面積小的平面，且選用低摩擦系數的壓墊或設計自由底座；
2）稱重傳感器的上壓頭、下壓墊應采用無摩擦設計，例如球面結構，使加載、承載面為點接觸（實為接觸圓）；
3）稱重傳感器彈性元件的設計盡量選用整體式結構，使載荷的引入和傳遞無接觸問題，如S型，整體剪切型彈性元件；
4）采用柔性隔離方法，即用鉸接方法把彈性元件和承載底座聯接起來，利用鉸接不傳遞力矩這一力學特性，將摩擦面與彈性元件隔離；
5）合理的應力分布。應力水平過高，將引起彈性元件晶格之間相對位移，產生內部摩擦，因此應力水平應控制在彈性極限的1/3～1/4范圍內。
6. 機械加工方法對彈性元件殘余應力的影響
彈性元件中的殘余應力，主要來自原材料在軋制或拉制等工藝成形過程中產生的殘余應力；在熱處理過程中，由于冷卻溫度不均勻和相變而產生的殘余應力；在機械加工過程中，因切削力作用而產生的殘余應力。后者在彈性元件表面形成變質層，使其組織處于不穩定狀態，隨著時間的變化內應力松弛，而導致尺寸變化。刨、銑、車、磨等機械加工，使彈性元件表面變形不均勻，而產生較大的殘余應力，切削用量越大，表面的殘余應力就越大。
車削加工時，不同進刀量軸向和周向的殘余應力也不相同，在彈性元件表面為*大殘余拉應力，距表面40～80μm處為*大殘余壓應力。
磨削加工時，產生的殘余應力*大，磨削深度越大，產生的殘余應力就越大，其*大殘余應力位于距表面20～40μm處。
綜合刨、銑、車、磨四種機械加工方法產生的殘余應力，可總結出：
1）*大殘余應力位于彈性元件表面至深度為100μm之間，數值較大；
2）殘余應力衰減很快，在深度為200μm處已很?。?br>3）切削用量越大，殘余應力就越大；
4）彈性元件精加工為磨削時，殘余應力*大，其值可達900N/mm2，因此熱處理后彈性元件的精加工盡量不采用磨削。
在上述設計與制造技術支持下，稱重傳感器的品種和結構又有**，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1-100t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5-5000kg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3-30kg電子平臺秤，準確度可達4000d；
5）美國THI公司研制的1410型5-30kg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V－BLH公司開發出新式稱重模塊，具有合理的組件化功能和極高的稱重效率，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，工藝的先進性。就技術含量而言，有高準確度（4000d-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，工藝流程網絡化，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*佳化。
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，納入先進的制造技術：
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。
工藝流程網絡化：是指在生產工藝流程中，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，*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**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：
（1）動態質量測量法及動態電子秤研究；
（2）數字式稱重傳感器的研制及其數字補償技術與補償工藝；
（3）數字模塊、數字接線盒的研制及其應用；
（4）快速、低速動態、動態稱重傳感器研制及其阻尼技術與阻尼裝置；
（5）稱重傳感器的動態特性及動態誤差；
（6）高準確度稱重傳感器的研制，例如銀行點鈔**電子計數秤用稱重傳感器等；
（7）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；
（8）微小量程、超大量程稱重傳感器的研制；
（9）高溫、低溫、防爆、耐壓、耐腐蝕等特種稱重傳感器的研制；
（10）新型稱重模塊的研制及其應用；
（11）多功能、多分量等復合型稱重傳感器的研制及其測試方法；
（12）偏心載荷測量及車載秤用稱重傳感器的研制；
（13）大阻值低功耗高精度電阻應變計研制等；
（14）新型靈敏度溫度補償電阻材料的研究；
（15）各種非標準、特殊用途稱重傳感器的研制。
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體的輪輻式稱重傳感器內，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：應變式稱重傳感器的原理決定了其本身不能產生帶有數字特征的輸出信號，而且還存在著輸出的模擬信號小，傳輸距離短，抗干擾能力差，稱重顯示控制儀表復雜，安裝調試不方便等固有缺陷。應用此類稱重傳感器組裝的各種模擬式電子衡器，也必然具有與其相同的局限性和無法克服的一些缺陷，主要是多個模擬式稱重傳感器的信號，經過接線盒并聯后成為一路信號，每個稱重傳感器的信號就不再是可獨立辨別的，稱重顯置控制儀表無法在線發現問題，進行故障定位很難滿足連續生產中高可靠性的要求，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的整體型或分離型數字式智能稱重傳感器。
六、稱重傳感器大批量生產的統計制程管理
在OIMLR60《稱重傳感器計量規程》國際建議和GB/T7551-1997《稱重傳感器》國家標準中，規定的稱重傳感器各項技術性能指標及其測試與試驗方法，適用大批量生產的每一個稱重傳感器，即企業生產的所有稱重傳感器都應符合國家標準規定的各項要求。但在生產工藝流程中，不是每一個產品都按國家標準中規定的型式評定試驗方法進行試驗和檢測。這就需要找出一種即適合大批量生產，又能確保每一個產品都符合國家標準的質量控制、管理方法。
早在1988年6月美國TOLEDO公司稱重傳感器工程部經理StephenPatoray（斯蒂芬帕托），在美國波特蘭紀念電阻應變計50周年大會上的發言，就講到了稱重傳感器大批量生產的管理問題。他在發言中介紹了TOLEDO公司把數理統計方法應用于生產各方面，包括統計過程控制，**預防、及時調整，保證制程穩定，使所有產品都符合要求。并提出兩個基本概念，其一是不做任何對*終產品不增加價值的事，其二是在生產過程中盡可能早的找出潛在的問題，并使其只對極少數產品產生影響。這就是應用統計學原理對大批量生產的稱重傳感器，進行統計過程控制的*初模式。
20世紀90年代統計制程管理（Statistical ProcessControl）簡稱SPC，在國際上處于稱重傳感器市場引導地位的企業已得到普遍應用。SPC理論就是利用統計學原理對大批量生產的稱重傳感器，在生產工藝的全過程中的質量進行控制和管理，以達到盡可能**次就符合國家標準的要求。具體的說就是在生產工藝流程的全過程或生產工藝流程網絡化管理中，利用統計學原理對產品進行科學、合理的抽樣試驗與測試方法，把生產工藝流程、產品質量控制、工藝裝備利用聯系在一起，提高生產過程控制能力，快速分析制程出現問題的能力和迅速采取措施的能力，保證制程穩定，*大限度的減小產品的不合格率。統計制程管理的特點是：
（1）經濟性：采用抽樣檢驗法，產品參與檢測、試驗的項目和次數科學合理，使生產
工藝流程穩定，*大限度的減少產品的不合格率；
（2）預警性：一旦生產工藝流程出現異常趨勢，可立即采取對策，預防批量不合格。一般都是根據工藝理論和實踐經驗提供控制資料。
（3）科學性：把工藝過程、質量控制、裝備利用聯系在一起，提高生產過程控制能力和快速分辨共同和特殊原因的評估能力；
（4）高效性：統計制程控制，解決了長期捆擾的大批量生產的質量檢驗問題，改善了評估方法，減少了報表和數據分析，保證了成本、質量和交貨期。
七、結語
國際稱重傳感器企業普遍認為，市場競爭是以技術實力為基礎，以技術**和自主知識產權產品為焦點。經濟競爭歸根結底是技術競爭、人才競爭。誰的技術發展快，對新產品投入多，開發的產品技術含量高，質量好，適應性強，誰就能適應市場的發展，并在激烈的市場競爭中立于不敗之地。因此，足夠的技術投入和高素質的技術人才是兩大主要支柱。
為使稱重傳感器從結構設計、制造工藝到穩定處理、性能測試不斷納入新技術、新工藝，適應日趨國際化的市場競爭，處于國際市場競爭引導地位的企業，除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外，都把規?；⒍嗥贩N、大批量生產必須解決的產品工程化研究作為突破口，工程化研究主要解決稱重傳感器的全型設計、制造技術、制造工藝、質量保證、穩定性和可靠性考核等多品種大批量生產的技術與工藝，只有這樣企業才能逐步實現產業化。
我國稱重傳感器的年需求量很大，家用電子秤用稱重傳感器約為1.2億只，工業與商業電子秤用稱重傳感器約為300多萬只。隨著國內一些稱重傳感器制造企業多個系列產品通過OIML認證和美國NTEP認證，國際一些電子衡器制造商和經銷商，已認可我國稱重傳感器的產品質量，或直銷或貼牌加工，近幾年每年都有幾千萬美元的銷售額（不含獨資企業）。盡管這只是我國稱重傳感器邁向國際市場的**步，已經是不小的進步了。面對如此巨大的國內外市場，可以說是我國稱重傳感器企業的機遇和挑戰。希望我國具備一定生產規模的稱重傳感器企業，盡快與國際市場融合，參與國際競爭。為了擴大國際市場的占有率，必須適度加大投入，抓緊產業技術改造和產品工程化研究，多品種大批量生產工藝研究，緊緊依靠技術進步，提高企業的產業化程度，盡快培育出年產40、60萬只產品的大型企業。
20世紀90年代以來，在電子稱重技術和工業、商業、家用電子秤快速發展的強力牽引下，稱重傳感器的設計技術、制造技術和工藝技術都有很大提高，取得了許多令人矚目的成果?？偨Y工業發達國家特別是美、德、日稱重傳感器技術與產品的發展、**經驗，概括起來就是設計技術虛擬化，制造技術柔性化，工藝流程網絡化，企業管理信息化。為滿足電子稱重技術及電子衡器產品的新需求和適應電子衡器市場競爭日益國際化的新形勢，稱重傳感器正向著小型化、集成化、多功能化和智能化的方向發展。他山之石，可以攻玉。工業發達國家稱重傳感器技術與產品快速發展的經驗，是值得我國稱重傳感器研究單位和生產企業認真研究和吸取的。
參考資料
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［4］R.F.Jenkins（沈京譯），用于測力傳遞標準器的應變式測力傳感器的一些限制因素，Weightech'2，P143～158。
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［6］劉九卿，應變式稱重傳感器技術現狀和發展趨勢，首屆中國衡器行業合作與發展高層研討會，中國衡器信息網WWW.WEIGHMENT.COM,
［7］北京紫微浩陽科技有限公司，應變計、傳感器專用生產設備選型樣本資料，2007年。
作者簡介：劉九卿（1937—），男，1960年畢業于吉林工業大學。中國航天科技集團公司下屬中國運載火箭技術研究院第七O二研究所研究員，享受國家特殊津貼專家?，F為中國衡器協會技術專家委員會、職業教育委員會顧問，《衡器》雜志編委。編著《電阻應變式稱重傳感器》，在有關雜志上共發表學術論文80多篇。
