當今依靠我國稱重傳感器制造企業(yè)的總體技術與工藝水平，研制出具有較高 準確度等級的稱重傳感器并非難事，但是研制出具有較高穩(wěn)定性和可靠性水平的稱重傳感器 也并非易事。本文從稱重傳感器設計技術和制造工藝規(guī)律中總結(jié)出“結(jié)構是基礎、材料是關 鍵、工藝是核心、檢測是保障”的研發(fā)原則，結(jié)合處于國際市場引導者地位的稱重傳感器制 造企業(yè)的研發(fā)經(jīng)驗，探討了提高稱重傳感器準確度、穩(wěn)定性和可靠性應注意的若干問題。

一、概述

隨著國際法制計量組織OIMD對R60國際 建議《稱重傳感器計量規(guī)程》新版的發(fā)布和介紹，各國質(zhì)量及其計量的權威部門已經(jīng)成長起來，以 此確定稱重傳感器的準確度級別、各項測量誤差 和有關檢定的試驗方法，并指導稱重傳感器制造 企業(yè)進行生產(chǎn)和將產(chǎn)品用于各種電子稱重領域。

即使這樣，有些企業(yè)在認證被批準和取得生產(chǎn)許 可證后，也不具備充分條件確保生產(chǎn)的稱重傳感 器始終如一的符合國家標準。這是因為在認證和 取證的強制條件下，能夠提供質(zhì)量優(yōu)良的稱重傳 感器，但是在批量生產(chǎn)條件下，不能保證始終有 必要的工藝裝備、檢測手段和嚴格紀律來重現(xiàn)樣 件的生產(chǎn)條件，所以很難做到連續(xù)生產(chǎn)出質(zhì)量一貫符合稱重傳感器國家標準要求的產(chǎn)品。

就當今我國稱重傳感器企業(yè)的總體技術與工 藝水平而論，研制出具有較高準確度等級的稱重 傳感器并非難事，但是研制出具有較高穩(wěn)定性和 可靠性水平的稱重傳感器也并非易事；小批量生 產(chǎn)出質(zhì)量符合國家標準的稱重傳感器并非難事， 大批量生產(chǎn)出質(zhì)量一貫符合國家標準的稱重傳感 器也并非易事。處于國際市場引導者地位的稱重 傳感器制造企業(yè)的經(jīng)驗值得借鑒，這就是確保制 造的每一個稱重傳感器都能滿足OIML R60國際 建議的要求，必須研究稱重傳感器設計與制造的 共性關鍵問題，特別是生產(chǎn)工藝特點以及達到國 際建議要求的工藝裝備和檢測手段。例如，這些 企業(yè)認為稱重傳感器的性能隨著設計、制造、檢 定三個關鍵因素而變化。與我們總結(jié)的“結(jié)構是 基礎、材料是關鍵、工藝是核心、檢測是保障” 的研發(fā)原則基本相同。這些企業(yè)的經(jīng)驗是：為了 確保重復的制造出較高準確度和穩(wěn)定性級別的稱 重傳感器，必須以合理的彈性元件結(jié)構和優(yōu)良的 金屬材料為基礎，以可重復的精密而科學的生產(chǎn) 工藝規(guī)程作保障。并將關鍵的設計與工藝問題列 舉如下：彈性元件結(jié)構最合理，包括材料具有最 高的穩(wěn)定性和最低限度的滯后性；電阻應變計應 具有最佳的工作特性和與彈性元件最好的匹配性； 優(yōu)良且可控制的應變膠粘劑；可重復的精密而科 學的生產(chǎn)工藝流程；高精確度的試驗、檢測裝備； 有效的質(zhì)量控制程序，即利用可跟蹤的測量設備 來控制和保障制程穩(wěn)定。

稱重傳感器用于較惡劣的環(huán)境條件和用作生 產(chǎn)過程控制元件時，更要求它的環(huán)境適應性強、 可靠性高、故障率低。環(huán)境適應性主要是耐氣候 因素一溫度、濕度、壓力等的影響；電磁因 素一電磁場或電磁輻射的干擾；特殊介質(zhì)因 素一鹽水、化學腐蝕性氣體、核輻射等影響的 耐受能力。例如德國對申請樣機試驗的新型稱重 傳感器，要求對零件的耐磨性、老化及對干擾的 敏感性進行試驗和計量，保證稱重傳感器的計量 性能不受電磁場、靜電力、振動、氣候條件、機 械磨損等干擾量的影響。這就是說既要保證在電 磁干擾下示值的正確性，又要保證與長期影響因 素有關的穩(wěn)定性和與電阻應變計、各種補償電阻 等元器件工作故障有關的可靠性。

稱重傳感器的長期穩(wěn)定性應包括老化、疲勞 和環(huán)境三個因素。老化即時間影響；疲勞是指把 時間影響模擬為固定次數(shù)的稱重過程或固定小時 的工作量德國PTB規(guī)定用最大秤量或至少1/2 秤量加荷20萬次，實際上是一種持久試驗；環(huán) 境因素則是把時間模擬為長期的溫度、 濕度變化 的影響。PTB規(guī)定對無密封“開放”型稱重傳感 器要進行溫度、濕度試驗，因為這種稱重傳感器 的零點和特性隨溫度、 濕度變化而變化程度較大 上述經(jīng)驗值得我國稱重傳感器生產(chǎn)企業(yè)借鑒，現(xiàn) 將有關問題分析、介紹如下。

二、彈性元件的結(jié)構設計

為了維護線性的和重復的應變一載荷關系, 彈性元件應該是一個整體結(jié)構，因為各連接件之 間的位移都可以引起非線性和離散性。連接、摩 擦、接觸或緊固，或任何非整體狀態(tài)都成為潛在 的問題，最好的設計是沒有運動部件的整體式結(jié) 構。彈性元件應具有足夠的熱轉(zhuǎn)換以防止電阻應 變計自熱，如果其溫度比彈性元件高，哪怕只差 0.1 °C,都可能難以達到穩(wěn)定的性能。還有，在電 阻應變計和補償電阻面積上的任何溫度梯度，都 能引起零點溫度漂移或標定結(jié)果的變化。

任何稱重傳感器最重要的機械部分是彈性元 件，一般的說，彈性元件的功能是對作用力的反 作用，同時把負荷的作用集中于一個獨立的、均 勻的應變場內(nèi)，以便粘貼電阻應變計。理想稱重 傳感器的特點是應變與負荷之間成較嚴格的線性 關系，達到這種目標正是所有稱重傳感器設計的 中心所在。完成這一任務的困難首先在于克服力 學分析和計算上的困難；其次是排除各種各樣因 素的綜合影響。

設計高準確度彈性元件時，還應引入微觀屈 服強度概念，其定義為：產(chǎn)生一個微應變（1/^ 永久變形所要求的應力它比他工程屈服強度約 小3倍。這一概念的重要意義表明所設計的精密 彈性元件，其永久變形可能發(fā)生在相當?shù)偷膽?/span> 水平。而稱重傳感器系數(shù)mv/v與彈性元件 應變區(qū)的應力水平有關，任何微觀屈服的產(chǎn)生都 將導致稱重傳感器性能的不穩(wěn)定性，因此設計時 應對靈敏度和穩(wěn)定性取折中的方案。

下列設計要求或稱之為標準，對所有稱重傳 感器彈性元件通常都是實用的，盡管看起來毫不相干，可是卻存在著很多相互影響的因素。一個 好的稱重傳感器設計需要有博采眾長和兼顧下列 要求的綜合能力。

(1） 固有頻率

為了使振動對靈敏度的影響減至最小，固有 頻率應盡可能的高。 通常要求彈性元件具有較高 的剛度和較低的質(zhì)量。

所謂固有頻率，就是能達到彈性元件本身最 高的頻率，這通常要求彈性元件是一個基本精確 的裝置，并且沒有多余的部件。圓柱式彈性元件 是典型的沒有多余部件的整體結(jié)構，其固有振動 頻率

（2）在額定載荷下應變區(qū)應有合適的應變水平

在額定載荷作用下，彈性元件應變區(qū)的應變 水平，對稱重傳感器的線性、滯后、蠕變和疲勞 壽命都有較大影響。這里說的應變水平，實際上 是保證應變穩(wěn)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。

基于各種條件的綜合限制，諸如材料P-s曲 線的線性度、電阻應變計的疲勞壽命、稱重儀表 的性能等，一般應變水平在1000/XS?1700/訪范圍 內(nèi)進行調(diào)整，以1000/訪?1200/訪為最佳，保證稱 重傳感器的靈敏度為2mV/V。

（3）應變區(qū)的應變應均勻分布

在整個電阻應變計敏感柵區(qū)域內(nèi)，彈性元件 的應變程度應當是均勻的，以便產(chǎn)生最大的信號, 同時載荷的引入、邊界的支承不影響應變區(qū)。

（4）彈性元件應變區(qū)以外的部分應處于較低 的應變水平

電阻應變計應處于彈性元件應變區(qū)均勻的應 力場，為彈性元件最高的應變區(qū)。非應變區(qū)應處 于低應力水平，即應變區(qū)之外不能有高于應變區(qū) 的應力場和應力集中處。

一般說來，稱重傳感器的疲勞壽命、線性、 滯后和蠕變誤差將隨著整個彈性元件內(nèi)應變程度 減至最小而獲得改進。顯然較低的應力意味著對 理想線性性能的偏差最小，也意味著彈性元件有 較大的剛性和較高的固有頻率。

（5）彈性元件應設計成整體結(jié)構且易于加工

彈性元件盡量是一個整體結(jié)構，這樣線性、 滯后、重復性誤差均較小，而且工藝性好便于冷 熱加工。任何非整體型結(jié)構的彈性元件，其機械 連接都會產(chǎn)生極小的位移和摩擦，而增大了非線 性、滯后和重復性誤差。最好不采用焊接結(jié)構的 彈性元件，因為殘余應力影響和焊接后效將降低 疲勞壽命，并助長了微塑性性能。

（6）過載保護

若稱重傳感器按照物理規(guī)律損壞，則大多數(shù) 壓式稱重傳感器是固有的安全，而拉伸和彎曲型 稱重傳感器就不夠安全，因此必須提供安全桿或 過載保護器。

由于現(xiàn)場使用時稱重傳感器失效最常見的原 因是過載，因此通常要求安全過負荷120%? 150% (特殊情況要求200%% ,極限過負荷300% ?500%。其過載保護裝置，應根據(jù)彈性元件特點 和稱重傳感器整體結(jié)構進行設計。

（7）響應曲線的選擇性

盡量防止所有其他的側(cè)向力和力矩影響，保 證彈性元件只感受沿軸線方向的載荷。

在大多數(shù)情況下，理想的稱重傳感器應當只 響應沿一個軸向的力或分力，而對其他方向的輸入入力或外力不敏感。同時保證在規(guī)定范圍內(nèi)，力 作用點的變化不影響其輸出。這不僅涉及到彈性 元件設計，而且也涉及到載荷引入和支撐裝置、 電阻應變計的粘貼位置以及防護密封結(jié)構設計, 對上述各項因素應綜合考慮。

（8）彈性元件撓度

為了使幾何尺寸改變引起的非線性減至最小, 以及彈性元件與支承之間的相互作用小，彈性元 件必須是小變形。

稱重傳感器利用的是小變形原理，應使彈性 元件產(chǎn)生有限的變形。因為彈性元件任何幾何形 狀的變化必然地伴隨著出現(xiàn)一定程度的非線性響 應。彈性元件的剛性不僅對提高固有頻率有益, 而且也有助于把幾何形狀變化引起的非線性減至最小。

（9）溫度即熱效應的考慮

粘貼在彈性元件上的電阻應變計在工作時是 一個發(fā)熱源，當熱傳導到彈性元件其他部分時, 不應在其工作區(qū)域產(chǎn)生溫度梯度，而影響稱重傳 感器的工作特性。因此設計彈性元件結(jié)構時，電 阻應變計粘貼區(qū)域應具有熱傳導對稱的性質(zhì)，以 降低溫度梯度。

此外，彈性元件產(chǎn)生軸向應變的同時發(fā)生著 體積的變化，在絕熱的條件下，這種體積變化會 導致溫度的變化，從熱力學定律可導出：

載荷的突變同時引起彈性元件應變區(qū)溫度變 化at,由于溫度要向應變小的兩頭傳導，彈性元 件會趨于一個新的熱平衡，因此△ ：T要隨著時間增 加而減小。這種導致與室溫發(fā)生偏差的應變損耗, 根據(jù)彈性元件的應變梯度及其材料的熱傳導勢的 不同而要持續(xù)數(shù)秒至數(shù)分鐘，此絕熱溫度變化通 過熱膨脹系數(shù)引起彈性元件體積變化。應用上式 計算初始彈性元件發(fā)熱效應AT的量值，并與彈性 元件上熱敏元件的指示值進行比較，其A：T的理論

計算值與實際測量值相差不超過7%。

溫度改變引起的膨脹可導致側(cè)向載荷影響稱 重傳感器的輸出，一般是通過仔細考慮從外殼到 彈性元件的熱流通路來降低溫度梯度影響。此熱 效應的影響是必須考慮的，尤其是彈性元件上下 端都有支承件時。因為一方面電阻應變計是熱源, 其熱量大部分耗散在彈性元件內(nèi)，為了盡可能把 彈性元件和電阻應變計受到的不穩(wěn)定溫度影響減 至最小，彈性元件外形和電阻應變計定位都應對 稱。另一方面稱重傳感器將受到從一端到另一端 或從一側(cè)到另一側(cè)溫度梯度影響，必須用細微的 消熱設計來減小。為此從稱重傳感器外殼到彈性 元件和彈性元件內(nèi)的傳熱途徑都必須加以考慮。 尤其要使電橋電路中相鄰橋臂的電阻應變計之間 有最小的熱阻抗。

（10）氣壓補償

大氣壓力變化將引起零點變化，特別是小量 程。因此，稱重傳感器應設計成與大氣壓力無關, 大多通過在其內(nèi)部設計有大氣壓力補償裝置來解 決此問題。例如在稱重傳感器內(nèi)部設置波紋管, 來補償大氣壓力影響。

（11）防護密封

進行有效可靠的防護密封。 稱重傳感器在惡 劣環(huán)境條件下工作時，必須做到真正的氣密。通 常利用各種結(jié)構的膜片，采用電子束焊接、激光 焊接或鎢極惰性氣體保護焊接，來對粘貼有電阻 應變計的彈性元件實施全密封。

（12）電阻應變計加壓夾具盡量簡單適用

粘貼在彈性元件上的電阻應變計的固化加壓 夾具，應與彈性元件同步設計并保證具有良好的 匹配性。要求加壓夾具堅固耐用、安裝方便、施 加壓力均勻以及高溫不變形。

隨著高性能電子秤對稱重傳感器準確度要求 的不斷提高，需要稱重傳感器設計者改變設計方 法，充分考慮許多二階和三階效應，這些效應通 常在常規(guī)的機械設計中是忽略不計的。由于在材 料力學、結(jié)構力學中多采用簡化的解法，而在彈 性理論中，在某種程度上也是如此。所以，這些 工程上的方法嚴格的說是不適合稱重傳感器彈性 元件的最佳設計。這就必須采用現(xiàn)代分析計算方 法,考慮高階效應和試驗研究來彌補，以使稱重 傳感器達到高準確度設計要求。

遺憾的是現(xiàn)時還不能制定一種計算方法或一 套普遍的規(guī)則來確定一種通用的最佳化的彈性元 件設計參數(shù)。這是因為彈性元件幾何形狀、加載 和變形方式均受到結(jié)構形式的影響，諸如額定容 量、測量范圍、外形尺寸和固有頻率等等，它們 在不同的應用中采用不同的結(jié)構形式，即在某一 種特定的結(jié)構設計中，這種高階效應的實際影響 將取決于設計時技術要求，也取決于彈性元件的 幾何尺寸等細節(jié)。

基于上述原因，近些年來在稱重傳感器的結(jié) 構設計與制造中，逐步應用三維數(shù)字化設計與制 造技術，其實質(zhì)是技術與工藝創(chuàng)新的綜合體。它 以數(shù)字化建模、仿真與優(yōu)化為手段，集成了設計、 分析和數(shù)據(jù)處理整個過程，所獲得的分析和計算 結(jié)果，保證了彈性元件結(jié)構設計最合理、性能波 動最小。上述現(xiàn)代設計法是傳統(tǒng)設計理論的延伸、 思維方法的改變，多種設計技術、理論與方法的 綜合。其特點是：設計手段精確化、計算機化和 虛擬化；設計過程并行化、最優(yōu)化和智能化。

三、彈性元件的材料選擇

隨著稱重傳感器技術的發(fā)展，對彈性元件金 屬材料提出了一些新要求，概括起來就是制造彈 性元件的結(jié)構材料應盡量具有功能材料的特點。 即在性能上，對稱重傳感器的特性起舉足輕重的 作用；在應用上，制成彈性元件后，實際上是材 料與敏感元件一體化；在對材料的評價上，是以 彈性元件形式對其性能進行評價，稱重傳感器性 能直接體現(xiàn)材料的優(yōu)劣；在制造上，對成分、冶 煉、鍛造、淬火、回火工藝要求嚴格，并盡量少 產(chǎn)生殘余應力。彈性元件應變穩(wěn)定性與金屬材料 的性能密切相關，從粘貼在彈性元件上電阻應變 計電阻的相對變化即可看出。其電阻應變計電阻 的相對變化為：

由式5可見，提高彈性元件應變的穩(wěn)定性是 提高稱重傳感器整體穩(wěn)定性的基礎和關鍵。因此， 彈性元件金屬材料不僅是結(jié)構材料而且還應具有

功能材料的某些特點。

選擇彈性元件材料時應注意三類問題：機械 性能、 熱傳導性能和工藝性能。

（1）機械性能

在額定載荷范圍內(nèi)應力一應變呈較嚴格的 線性關系，滯后和蠕變小，強度儲備大。為此要 求金屬材料具有強度極限、彈性極限高，屈強比 大；彈性模量時間穩(wěn)定性好，溫度系數(shù)小；彈性 滯后、彈性后效（蠕變??；組織均勻，各向同 性，冷熱加工后殘余應力??；沖擊韌性好，耐沖 擊、抗疲勞能力強；熱膨脹系數(shù)??；具有一定的 抗氧化能力。

(2）熱傳導性能

彈性元件的熱傳導特性，是決定稱重傳感器 準確度和穩(wěn)定性的重要因素，因為彈性元件的溫 度梯度特別是與電阻應變計粘貼區(qū)不對稱的溫 度梯度可能在稱重傳感器輸出中引起錯誤的與 不能復現(xiàn)的干擾。在內(nèi)外熱源的聯(lián)合作用下，彈 性元件內(nèi)的溫度梯度均與材料的導熱系數(shù)成反比。 因此，導熱系數(shù)是選取彈性元件材料時應予以注 意的另一個重要性能。

雖然熱膨脹系數(shù)是較規(guī)范使用的熱性能之一， 但選取彈性元件材料時它并不是嚴格重要的考慮 因素。它對稱重傳感器的主要影響—次影 響，通常可以通過溫度自補償電阻應變計，并將 其連接成全橋電路來加以消除。

由面積效應、橋臂電阻及彈性元件幾何參數(shù) 變化而引起的高次影響，其典型值為：溫度變化 1000。F (60。0 時，影響量達 0.1% ~ 0.2%。然 而，它們對稱重傳感器輸出的影響，很難同溫度 引起的其他的誤差相區(qū)別，故必須對所有這些效 應的綜合作用所引起的輸出隨溫度變化進行補償。

大多數(shù)彈性元件材料的彈性模量都隨著溫度 的升高而降低，對合金鋼來說，溫度每升高 1000。F (60°d ,彈性模量減小1%?3%,因此 必須進行靈敏度溫度補償。

(3）工藝性能

彈性元件材料的工藝性能，主要是冷熱加工 性能好，熱處理后（即高度淬硬后不變形等。 對于小量程稱重傳感器彈性元件材料的選擇應特 別注意，由于小量程稱重傳感器多采用平行梁結(jié) 構，其電阻應變計粘貼處截面很薄，其影響是：

1）電阻應變計粘貼處截面越來越薄，電阻應 變計基底和膠粘劑層占截面的比例越來越大，將 參與截面的剛度，同時敏感柵與梁表面的距離相 對來說更遠了。其結(jié)果是彈性元件的塑性增加剛 性減弱，稱重傳感器的滯后和蠕變誤差增大。

2）電阻應變計粘貼處截面薄對熱傳導不利。 因為，電阻應變計產(chǎn)生的大部分熱量，是從敏感 柵傳到彈性元件表面，并由此表面通過此截面流 向質(zhì)量較大的鄰近截面。粘貼電阻應變計截面特 別薄時，這種熱流傳導的阻力將會造成顯著的溫 度梯度，使電阻應變計處于較高的溫度狀態(tài)，改 變局部應力場而產(chǎn)生輸出誤差。

3）電阻應變計粘貼處截面薄冷熱加工難度 大，且易產(chǎn)生局部變形和較大的殘余應力，直接 影響稱重傳感器的零點和靈敏度的穩(wěn)定性。

解決上述問題的有效方法是采用低彈性模量 的鋁合金或其它有色金屬合金。應用較多的是鋁 合金。其特點是比重小、Ep乘積小、屈強比高、 比強度大、塑性好、耐腐蝕、低溫性能好，并具 有優(yōu)良的機械加工性能。國內(nèi)外應用較多的是以 下三種可熱處理強化的鋁合金：

1）鍛鋁合金

我國牌號LD10新牌號2A14,美國、曰本 牌號2014。屬于鋁一銅一鎂一桂系，因具有良好 的鍛造性，故稱為鍛鋁合金。

2）硬鋁合金

我國牌號LY12新牌號2A12,美國、曰本 牌號2024,屬于鋁一銅一鎂系，因其強度高，耐 熱性好，故稱為硬鋁合金。

3）超硬鋁合金

我國的牌號為LC4新牌號7A04 ,美國、日 本的牌號為7075,屬于鋁-鋅-鎂-銅系，由于 強度高于硬鋁，故稱為超硬鋁合金。

由于2A14強度偏低，7A04時效溫度低，所 以應用較少。國內(nèi)外應用最多的是2A12硬鋁合 金。對2A12或2024鋁合金狀態(tài)的要求是最好選 用熱處理人工時效狀態(tài)，即2A12-T6、2024-T6。 也可以選用T4再時效處理的2024-T81和經(jīng)過特 殊調(diào)質(zhì)處理的2024-T351。當選用2A12-T4時, 最好進行改變狀態(tài)的再時效處理，即變T4狀態(tài)為 T6狀態(tài)。由鋁合金生產(chǎn)廠進行熱處理時，要求人 工時效狀態(tài)即2A12-T6,硬度：各類型稱重傳感器為HB130 135 ；集成化稱重板傳感器為HB140?145。

從全面性能來看，鈹青銅是最好的低彈性模量材料，國內(nèi)應用很少，本文不作介紹。