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1、电阻应变式测力与称重传感器技术的回顾纪念电阻应变式测力与称重传感器诞生 70周年中国运载火箭技术研究院第七O二研究所尹福炎【摘 要】 上世纪 40年代以前，在工程结构试验中外载荷或力的测量组件是各种机械式测力计。 在电阻应变片出现以后，人们开始研制各种用于工程结构试验的测力传感器，通常也称载荷传感器 或负荷传感器。在此同时，人们也试图把其用于衡器和称量系统。箔式应变片发明和发展，使负荷 传感器的测量精度有了大幅度的提高，负荷传感器在称量系统的应用比原先测力范围更为广泛。测 力与称重传感器的分立，称重传感器补偿电路的不断完善，及其结构从单纯的正应力设计，进而利 用剪应力原理，不仅使传感器的结构尺
2、寸大大减小， 而且使称重传感器得测量精度也有大幅度提高， 在衡器和自动称量系统获得了前所未有的发展，取得了极大的成功。随着电子技术的飞速发展，称 重传感器也从模拟式发展到数字智能化，极大地丰富了称重传感器市场。本文，将就测力与称重传 感器的发展过程作一简要的回顾，以供从事应变片和称重传感器研制的同仁们参考。【关键词】 机械式测力计；测力与称重传感器；电阻应变片；衡器；自动称量系统；数字式智能 称重传感器一、前言 现代测力与称重技术的发展，离不开获取和转换力值与质量信号的传感器。总所周知，至今为 止，测力与称重传感器的发展大体已经历了三代。第一代是机械式测力计。上世纪四十年代以前， 在电阻应变片
3、出现之前，人们测量工程结构部件的应变，一般采用机械式应变计，也称机械引伸计 或光学引伸计等；而测量工程结构试验载荷的则是各种机械式测力计。第二代是电阻应变式测力与 称重传感器。电阻应变片问世后，于上世纪四、五十年代，人们根据工程结构试验研究的需要而利 用电阻应变片来开发各种传感器。当时，美国的航空工业部门，迫切需要各种用于测量工程结构试 验的载荷（力）、扭矩及流体压力传感器，为了测量飞机结构静态试验的载荷而开发了负荷传感器； 为了测量飞机在风洞中的作用力，开发了多分量力传感器等。在工程结构试验中测量外载荷或力的 测量组件是各种机械式测力计。在电阻应变片出现以后，人们开始研制各种用于工程结构试验
4、的测 力传感器，通常也称载荷传感器或负荷传感器。在此同时，人们也试图开始把其用于衡器和称量系 统。箔式应变片发明和发展，使测力传感器的测量精度有了大幅度的提高，传感器在称量系统的应 用比原先测力范围更为广泛。第三代是数字化、智能型测力与称重传感器。随着测力与称重传感器 的分立，传感器补偿电路的不断完善，传感器结构从单纯的正应力设计，进而利用剪应力原理，不 仅使传感器的结构尺寸大大减小，而且使传感器得测量精度也有大幅度提高，在衡器和自动称量系 统获得了前所未有的发展，取得了极大的成功。随着电子技术的飞速发展，称重传感器也从模拟式 发展到数字智能化，极大地丰富了称重传感器市场。对于电阻应变式测力与
5、称重传感器的国内外的发展情况，很多专家、学者都已做过详细的介绍分析，本文在此主要就应变片、测力与称重传感器 诞生70周年之际，就测力与称重传感器的发展过程作一简要的回顾，以供从事应变片和称重传感 器研制的同仁们参考。二、历史的回顾1机械式测力计与电阻应变式测力传感器从所周知，测力与称重传感器与其它的力学量传感器显着的不同，它是直接安装在整个载荷测量链中（图1），所以传感器的强度和刚度必须满足系统的整体要求，才能保证系统的安全和测量精度。为此，通常测量力或重量的传感器与其它类型的传感器相比，其体积和重量都比较大。在电阻 应变式测力传感器出现以前，在工程结构试验和材料试验机的测力计机构中，都是采用
6、各种机械式 测力计（如图2、3）。当电阻丝式应变片发明以后，当时的负荷传感器的结构比较简单，常用的圆 环式或圆棒式，在其变形比较大的部位粘贴4片（或8片）应变片，组成惠斯顿电桥（图 4）,传感器的连线遵循了美国西部地区应变计委员会（ Wester n regio nal strain gage committee）确定的布线规则（于1960年5月修订），该连线规则如图5所示。测力与称重传感器的轴是根据右手正交 坐标系进行定义。符号“ + ”表明在力方向上可产生一个“ + ”信号电压，通常定义为张力。根据 图6坐标系的定义，测力与称重传感器的主旋转轴或径对称轴为Z轴。图1传统的测力系统图2钢板拉
7、力计图3杠杆式三等标准测力图4典型的惠斯顿电桥结构图5标准的电气连接颜色规则图 6称重传感器轴的定义图4典型的惠斯顿电桥结构图5标准的电气连接颜色规则图 6称重传感器轴的定义当时的测力传感器一般采用石蜡或蜂蜡涂封防潮，人们常把其称为测力环或测力棒（如图7所示）。载荷的测量仪器一般采用静态电阻应变仪（如图8所示）。因而,当时的载荷测量精度比较低,般在5%-10%以内B-vV倍号（白色）iiiV【绿性图4典型的惠斯顿电桥结构图5标准的电气连接颜色规则图 6称重传感器轴的定义环肢弹性怵(a)环式测力计(b)柱式测力计图7粘贴式应变片制成的测力环和测力棒图 8环状测力计与载荷测量仪(静态电阻应变仪)五
8、十年代中期箔式应变片的出现，应用箔式应变片的负荷传感器的测量精度有了明显的提高，基于当时的条件，一般精度在0.1%左右。在此期间，人们也逐渐开始探索把电阻应变式负荷传感器 用于衡器与自动称量领域。2、应变片与应变片装置众所周知，电阻应变片是一种能将被测试件应变的变化量转换成电阻变化量的检测组件。各种电阻应变式传感器(Strain gauge based transducer/sensor)，其中包括电阻应变式测力与称重传感器(Strain gauge based load cell ),它们都是借助于各种应变胶粘剂把应变片粘贴在弹性 组件(或称弹性体)上，从而把弹性组件在外载荷作用下产生的应变
9、传递到应变片的栅丝上，使其 发生电阻变化。根据其电阻变化，可测知弹性体承受的外载荷的大小。由前述可知，应变片主要由 基底、箔栅(敏感栅)、胶粘剂、引出线及覆盖层等部分组成(图 9)。基底材料是支撑敏感栅，使 它保持一定的几何形状，并使敏感栅与被粘试件之间具有良好的电绝缘性；敏感栅是把弹性体应变 转换为电阻变化；胶粘剂是把敏感栅与基底粘合在一起，形成一个整体；覆盖层是保护敏感栅免受外界的机械损伤，并防止环境温度、湿度及尘埃等的侵蚀；引出线则是连接敏感栅与测量仪器， 把应变片的电信号送到测量仪器内。应变片的各个组成组件的性能都将直接影响应变片的各项工作特性。电阻应变式测力与称重传感器，它是由弹性体
10、、应变片、胶粘剂、防护涂层、补偿线路等部分 组成的，其应变传递路径是：弹性体一胶粘剂一应变片敏感栅-覆盖层一防护涂层，构成一个有别 于应变片本身的更复杂的系统。若把粘贴于弹性体上的应变片暂称为应变片装置(strain gageinstallation),其典型结构如图10所示。其应变传递关系将更为复杂，其中反映了物理学、力学、电学及化学等基本原理，各组成单元的功能以及相互间的影响都将直接影响传感器的各项性能。在 研究和讨论应变片装置及应变传递问题时，既要注意各个组成组件的本身特性，又要关注其相互间 的内在联系，称重传感器的性能是应变片装置各组成组件性能的综合表现。J*图9箔式应变片结构简图TT
11、nTTT胶殆斜旳 J 竜加巫界仃悻需面齡住虜Hd=H”融引出仗 tittWT 茁対訪抓HIaaFp琴电诚哼宸聞 tftteH图 10典型的应变片装置的剖面图3、正应力传感器与剪应力传感器六十年代测力与称重传感器的弹性组件(俗称弹性体)，已发展成柱式、筒式、环式及梁式等多种结构。随着箔式应变片本身工艺技术及应用技术和电子技术的进步，使负荷传感器的精度有了 进一步的提高，在美国出现了具有0.1%称重准确度的电子秤，在七十年代中对70%勺机械秤进行了机电结合式的电子化改造，使称重传感器作为称重传感组件，引起了人们的极大关注。在电阻应变式测力与称重传感器发明、生产以来的二、三十年中，传感器的弹性体组件
12、都是采 用圆柱、圆筒、圆环、板环和各种梁式结构。在测量过程中都是利用拉伸、压缩和弯曲应力，即正 应力的原理，因此统称这类传感器为正应力传感器。人们根据在长期使用正应力型传感器的实践中 发现的问题，对其弹性组件的结构作了进一步的分析研究，找到了其固有的缺点。其主要缺点归纳 起来有：加力点的变化会引起灵敏度的较大变化；进行拉、压循环加载时灵敏度的偏差比较大；抗 偏心载荷和侧向载荷的能力差；需要较大的高度或宽度，故体积大；不能进行小载荷的测量等。这 些问题影响了测力与称重传感器主要技术指标的提高。为了克服正应力式测力与称重传感器的固有缺点，从六十年代中期，人们就开始从分析、研究 弹性组件力学模型的基
13、本原理入手，对弹性组件进行改进。研究表明，应变梁中的剪应力T与梁的 弯矩M无关，仅是剪力C的函数。鉴于剪应力本身是不能测量的，但它能产生于中性轴呈45方向的互相垂直的两个大小相等而且拉、压成双的主应力。因此，可以通过对平面应力状态下主应力平面 上的主拉伸应力和主压缩应力分别产生的拉伸和压缩的测量，以达到测力与称重的目的。美国学者 霍利斯特姆(Hollistem )于1973年提出了不利用弹性组件的正应力，而利用与弯矩无关的切应力 原理来设计称重传感器弹性体的理论，并设计出圆截工字形截面悬臂剪切梁型传感器，这是称重传 感器结构设计的重大突破，进一步提高了测量准确度，有力地推动了称重传感器的发展和
14、应用范围 的扩大。随着数值计算方法和电子计算机技术的进步，1974年，美国学者斯坦因(Stein )和德国学者 埃多姆(Edom)分别提出建立弹性体力学模型，利用有限元计算方法，分析弹性体的强度、刚度、应 力场和位移场，以取得弹性体结构的最佳设计，为新型传感器设计提供了可靠的技术保证。4、钢合金与铝合金弹性体七十年代初，欧、美、日等国的衡器制造商，为了开发商业用电子计价秤，迫切需要量程在几 公斤至几十公斤范围的各种称重传感器。但当时无论是正应力原理的传感器，还是剪应力原理的传 感器，弹性体通常都是由合金钢或不锈钢制成的，因而不能实现此量程范围内的测量。为此美、日 等国研制出测量弯曲应力的平行梁
15、结构称重传感器，并用低弹性模量的铝合金作弹性体，采用多梁 结构解决灵敏度和刚度之间的矛盾，设计出铝合金小量程的平行梁型称重传感器。美国学者查特斯（ K.Chatters ）根据十七世纪出现的罗伯威尔（ Roberval ）秤的原理，基于平 行梁不变弯矩原理，利用平行梁表示弯曲应力的正应力结构，并于 1980 年坦普科传感器会议上发 表了“高精度、低容量、不变弯矩原理称重传感器的展望、性能及应用”的论文，为平行梁称重传 感器的发展提供了理论依据。从六十年代末至八十年代初的十多年中， 由于下述若干方面与传感器性能密切相关的技术所取 得的突破性的进展，使电阻应变式称重传感器获得了前所未有的高速发展。（1）采用有限元数值计算方法，使传感器弹性体的结构更趋合理。（2）温度自补偿箔式应变片、传感器专用应变片以及多功能自补偿应变片品种的不断完善， 产品性能不断提高。（3）传感器电桥电路补偿、调整网络的不断完善，提高了稳定性。（4）适用于传感器用的各种高性能新型材料不断出现，如高性能的应变胶粘剂、新型的弹性 体材料，为传感器发展提供了物质基础。（5）传感器的密封材料及密封技术得到了不断改进和广泛应用。（6）传感器生产工艺的自动化程度不断提高，质量监控系统逐渐完善。5、测力、称重传感器的分立 长期以来电子衡器（无论是自动衡器还是非自动衡器）及自动称量系统中应用最为广泛的是各 种电阻应变式
