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1、PPT讲义讲义影响应变式称重传感器性能的影响应变式称重传感器性能的结构设计与制造工艺问题结构设计与制造工艺问题中国运载火箭技术研究院中国运载火箭技术研究院刘九卿刘九卿 贵公司要求讲解四个问题贵公司要求讲解四个问题：1.关于影响称重传感器性能的一些设计注意事项重点 分析讲解2.关于焊接密封和相关边界条件影响的分析讲解3.称重传感器可能的新结构、新工艺知识讲解4.高温称重传感器工艺稳定性知识讲解 本次培训讲解四个问题：本次培训讲解四个问题：一一、应变式称重传感器技术与工艺的新发展二二、影响称重传感器性能的一些设计与工艺技术问题三三、称重传感器的焊接密封技术与膜片边界条件影响四、高温称重传感器制造工
2、艺特点及工艺稳定性一、应变式称重传感器技术与工艺的新发展一、应变式称重传感器技术与工艺的新发展 1.概述 传感器技术是一项令人瞩目、迅猛发展的高新技术，是当代科学技术发展的一个重要标志，它与计算机技术、通信技术构成信息产业三大支柱。 随着微处理器技术、计算机技术和信息处理技术的高速发展，传感器的重要性已变得越来越明显。传感器是信息采集系统的前端单元，传感器技术是现代科技的前沿技术，传感器产业是颇具潜力的高技术产业。专家预言：人类征服了传感器技术就几乎等于征服了现代科学技术。 传感器以其技术含量高、经济效益好、渗透能力强、 市场前景广等特点为世界各国所重视。目前世界上有40多个国家的5000多个
3、企业研制生产 传感器，产品20000多种。 我国研制生产的传感器共10大类，42小类，6000 多个品种，称重传感器是机械量传感器中的一种。 传感器技术可以说无处不用，其应用比例如下： 工业测量与控制 18.1%；家用电器 13.7%； 科学仪器 11.7%； 医疗保健 11.0%； 环境保护 10.0%； 信息处理 8.0%； 汽车 7.3%； 能源 5.3%； 宇宙开发 2.7%； 其它（如交通运输、海洋开发等）12.2%。 在工业测量与控制领域，各种传感器所占比例如下： 压力 39%； 温度 25%； 测力与称重 14%； 位移 13%； 其它 9%。 在测力与称重领域中，用于电子衡器和
4、各种电子称 重系统的称重传感器约占90%以上。 在一个电子称重系统中，首先要检测到重量信息， 才能去进行自动控制，因此称重传感器是电子称重 系统中的核心部件。 如果称重传感器获得的重量信息不确切，那么要显 示这些信息并对其进行处理就十分困难，甚至没有 意义，可见称重传感器在电子衡器中的地位与作用。 在世界各国电子衡器产品所用的称重传感器中，电 阻应变式占90%以上，我国约占98%以上。 在现代信息技术领域，信息处理能力有余，信息获 取能力不足，即“大脑发达，五官迟钝”。在电子称重 技术领域，称重传感器技术相对落后少一些，但稳 定性和可靠性有待进一步提高。2. 称重传感器技术特点及新概念、新动向
5、2.1 技术特点 高技术性技术密集程度高，边缘学科色彩浓，是 多种学科相互交叉、相互渗透的结晶。 高技巧性工艺复杂，是支持工艺、基础工艺、核 心工艺、特殊工艺的科学运用和集成。 高综合性所涉及内容多、离散大，必须运用综合技 术分析方法，解决故障及制程出现的问题。 高渗透性功能多样，性能极好，产品系列、种类 繁多，向其它领域渗透能力强。“加强基 础，扩大应用”是高渗透性的最好体现。2.2 称重传感器技术范畴 对于称重传感器技术，过去狭义理解仅包括称重传 感器本身的制造与测试技术。 现在广义理解既包括称重传感器本身的制造与测试 技术，又包括制造与测试时所需要的相关技术、相 关工艺，以及应用技术。
6、称重传感器技术属于高技术范畴，又是一项综合型 技术，所涉及的技术领域较多，均有一定难度。 微处理器技术、数字补偿技术与传统的称重传感器 技术相结合，研制的数字智能称重传感器，扩大了 称重传感器的技术范畴和应用领域。2.3 称重传感器的特性 一般传感器的特性，包括其总特性和工作特性。 与测量系统的匹配性：指与后接仪器组成测量系统时，应能满足输入、输出的匹配性。 机械特性：运输和安装时，防止震动冲击的性能。 工作特性：可分为静态特性、动态特性、环境特性。 可靠性：指传感器的无故障工作时间，即可靠寿命。 称重传感器的特性，是指静态计量性能。 因主要用于质量测量，所以称重传感器国家标准 和检定规程规定
7、主要是静态计量性能和静态评定方法。 用允许的误差包络线表征称重传感器的特征，能够平 衡对整个测量误差有贡献的每个因素。 2.4 称重传感器发展概况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，应变式称重传感器进入了大发展时期，设计与制造技术取得了令世人瞩目的进步。 应变式称重传感器的设计与制造技术，产品的种类 和市场占有率，美、德等工业发达国家的著名制造 公司处于国际市场引导者引导者的领先地位。我国具有一定规模的称重传感器制造公司处于国际 市场挑战者挑战者地位，一些产品已达到国际水平。我国大多数生产企业是处于国内外市场追随者追随者地位。家庭电子秤用称重传感器的研发和生
8、产中心在中 国，制造技术、工艺水平、产品质量逐年提高。2.5 称重传感器技术竞争焦点当今国际市场称重传感器技术的竞争，集中表现在 产品的准确度、稳定性和可靠性的竞争；制造技术 与制造工艺的竞争；应用高新技术研发新产品和自 主知识产权产品的竞争。各称重传感器制造企业都在努力培植自己的核心竞 争技术和打造核心竞争产品。例如正负蠕变电桥的 “零蠕变”称重传感器；铍青铜动态称重传感器；高准 确度电子天平用数字称重传感器；组件化设计的“即 插即用”型新式称重模块等。 处于国际市场引导者地位制造商的 共同追求是： 弹性元件结构与附件设计所考虑的因素更全面；弹性元件材质更精良；电阻应变计结构更合理、电阻值调
9、整更精确；补偿元器件的技术要求和环境应力筛选更严格；制造工艺流程和电路补偿与调整更科学、更合理；性能试验与测试方法更规范、更高效；稳定性处理工艺更完善、更有效；外观质量更完美。2.6 结构材料向功能材料方向发展 称重传感器技术发展的需要，促使弹性元件用的结构材料向功能材料方向发展，即具有力功 能材料的特点。其特点是： 在性能上，对称重传感器的特性起举足轻重的作用。 在应用上，制成弹性元件后，实际上是材料与敏感元件一体化。 在对材料的评价上，是以弹性元件形式对其性能进行评价，称重传感器性能直接体现材料的优劣。 在制造上，对成分、冶炼、锻造、淬火、回火工艺要求严格，并尽量少产生残余应力。 2.7
10、物性型称重传感器将进入电子称重领域 当今在用的应变式称重传感器属于结构型，即利 用弹性元件的变形来检测被称物体的重量。 随着科学技术的发展物性型称重传感器，如半导体 类、陶瓷类、光纤类、纳米类等新型称重传感器将 部分进入电子称重技术领域。 物性型称重传感器基本特性和构成，与其敏感元件 的核心材料的性能不可分割，即利用材料固有特性 来实现对物体重量信息的检测。 例如：利用Z-半导体传感技术研制的Z-元件称重传感器，以及应用纳米技术开发的纳米称重传感器。2.8 数字智能传感器的接口问题 美国国家标准技术研究所和IEEE仪器与测量协会的传感技术委员会，针对变送器各个工业领域的需求，建立5个工作组于1
11、9932001年制订IEEE1451智能变送器接口标准。 IEEE1451.1网络应用处理器信息模型。 IEEE1451.2变送器与微处理器通信协议。 IEEE1451.3分布式多点系统数字通信。 IEEE1451.4建议标准，即混合模式通信协议。 IEEE1451.5建议标准，即无线通信协议。旨在现 有的IEEE1451框架下，构筑一个开放的标准无线 传感器接口，以适应工业自动化等不同应用领域的 需求。 3.电阻应变计制造工艺新成果 3.1采用三维有限单元方法设计电阻应变计 处于国际市场引导地位的企业普遍采用二维和三维有限单元法，建立相应的力学模型，分析电阻应变计的应变 传递系数，提出敏感栅
12、结构设计原则。 美国VMM公司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，其目的是研究电阻应变计结构，解决敏感栅结构的力学效应，覆盖层的力学效果，基底、敏感栅、覆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。保证电阻应变计敏感栅的结构形状、几何尺寸、基底与覆盖层厚度最合理。敏感栅 基底 胶粘剂层 弹性元件剪应力拉应力LX a a 由于弹性元件、基底、胶粘剂都是面接触，故变形能有效传递。其变形以剪切的形式依次传递到基底、敏感栅上，基底两端的位移最大，所以剪应力最大；中间截面处位移为零，故剪应力符号相反。 分析应变传递得出： （1）弹性元件的变形，以剪切的
13、形式依次传递到敏感栅，由于基底两端的位移最大，故剪应力最大，并呈指数曲线上升至最大值，称为剪应力传递区。（2） 敏感栅正中截面位移为零，故剪应力为零， 大部分区域是单向应力状态，传递的应变基本等于弹性元件应变，故称为应变正常传递区。（3） 但对应于剪应力传递区的敏感栅部分a，应变随 x 增大而减少，端部为零，应变传递在此区域滞后。 为了减少端部效应影响，应合理设计端头尺寸，特 别是基底边缘至端头要有足够距离。 选择栅、丝时应越薄、越细越好；基底胶层越薄越 好，胶粘剂弹性模量和剪切弹性模量越大越好，有利 减小滞后和蠕变误差。3.2在学术领域形成了应变电阻合金学术分科 研制满足各种类型电阻应变计工
14、作特性要求的应变电阻合金材料，并从合金熔炼、锻造，箔材轧制、碾压、热处理开始控制电阻应变计的质量。 箔材粗轧工艺：合金的熔炼、电渣重熔保证合金成份不变，锻造、冷轧、碾压等工艺为精轧作准备。 箔材精轧工艺： 在洁净度较高的环境条件下，利用高速轧机进行冷轧，采用轧机自动厚度控制系统控制带材厚度，保证均匀一致。 碾压精度要求：厚度为0.00010.0002英寸（2.55m）的带材，厚度变化小于0.00001英寸（0.25m）。3.3 应变电阻合金箔材智能真空热处理设备 箔材在多次轧制、碾压过程中，晶格产生位错、滑移、空位、破裂等缺陷，其附近的原子处于热力学上的不稳定状态，是电学性能不稳定的重要原因。
15、因此必须进行稳定性处理，即退火处理，在达到退火温度时这些原子吸收热能产生扩散，使晶格缺陷迁移和消失，电阻率和电阻温度系数趋于稳定。 智能真空热处理炉，能在极高的真空条件下，精确的按照设定的热处理工艺曲线，对应变电阻合金箔材进行热处理，并采用正压氢气体保护技术，保证金属箔材不被氧化和化学成分不变，在此前提下调整其热输出性能。 3.4 超薄应变电阻合金箔材 为研制大阻值，低功耗电阻应变计，美国V-MM公司研究轧制出0.000060.00008英寸（1.5 2m）厚的应变电阻合金箔材。3.5 采用带基底的箔材制造电阻应变计 在专用的加压加温设备上，将热处理后清洗干净的箔材，与已制成12.525m胶膜
16、的基底材料，通过胶粘剂粘贴、固化使两者成为一个整体，供制造电阻应变计使用。 其特点是：将箔材处理、清洗、涂基底胶、固化成膜等工序合并为一体，即简化了工艺流程，又提高了电阻应变计的均一性和稳定性。3.6 电子计算机控制的智能化蚀刻工艺装备 智能蚀刻机为全密封结构，保证蚀刻液成分不 变，采用扇形摆动喷淋面与垂直方式承片台动态配 合，有效的控制每版应变计电阻值的误差。3.7 图形识别蚀刻质量检查系统 电子计算机控制图形识别蚀刻质量检查系统， 检查严格、科学、合理，应变计合格率只有60左 右，特别适合用于称重传感器。3.8 新型全密封覆盖层技术与工艺 敏感栅与端头焊点全覆盖，通过电火花加工裸 露出焊点
17、，为真正的全密封型电阻应变计。3.9 智能电化学调阻工艺 是利用金属在电解液中受到电化学阳极溶解使其尺寸改变的原理，对细腐蚀后的电阻应变计，通过耐腐蚀材料制成的阴极和它喷射出的电解液，逐片对敏感栅进行电解加工调整电阻值。在调阻时工作阴极和敏感栅表面互不接触，敏感栅表面无变形层不产生残余应力。整个调阻过程采用了PC操作系统控制，自动进行，调阻精度和效率高、阻值分散和温度系数小、稳定性好。 但需要专用工艺设备。 3.10 智能光化学调阻工艺 近年来工艺研究的新成果。对细蚀刻后的整版电阻应变计均匀涂上一层蚀刻液，以一定波长的激光束扫过敏感栅上的蚀刻液，蚀刻液只有在光束照射下才能发挥蚀刻作用，进行光化
18、学调阻，直到自动测量系统发出电阻值达到标准时为止。不产生予应力和温度特性变差，电阻标称值精度高，阻值分散度小，温度系数小，稳定性好，特别适合作高准确度的称重传感器。 德国已研制出智能光化学调阻装备。3.11 激光自动剪片新工艺 效率高，基底尺寸一致性好，从敏感栅中心 线到其边缘公差均为0.005英寸（0.13mm）， 可利用基底外形作为贴片定位基准。我国已研制 出智能激光自动剪片设备。3.12 应变计自动性能检测与灵敏系数测定装备 主要是标准梁自动加载和检测系统，即通过 多路自动扫描测量仪及电子计算机控制与数据处理系统。3.13 新成果 高温电阻应变计兼有灵敏度温度自补偿功能。 电阻应变计的疲
19、劳寿命有较大提高，从过去承受 1000时的107108次，提高到现在承受1500时的107108次。 3.14 新课题近年来，加强了用Balco（巴尔科）合金代替镍电阻 的研究，Ni 的电阻温度系数在1065时为 0.59 /， Balco合金为0.43/，且电阻率高，比较容易获得高电阻值。 Ni和Balco的缺点是电阻值相对温度变化不是线性函数。为此，德国学者在研究用钡或铌代替镍作为灵敏度温度补偿电阻。 4. 称重传感器技术的新发展4.1 设计技术 传统设计法 古典算法+经验，为半理论、半经验设计。即以理论计算为基础，以经验公式、设计手册为依据，通过经验公式、近似系数或类比等方法进行设计。简
20、单实用、比较有效，但也存在弊端，主要是： 达不到最佳设计，有些关键尺寸不尽完全合理，难 以进行全面分析和综合各参数之间的相互影响； 对边界影响、支承刚度和应力集中等很难作出分析 和判断，影响对结构及边界支承的正确选择； 从开始研制到设计定型，设计和试验周期长，耗费 人力、物力多，成本高。 现代设计法 是传统设计理论的延伸、思维方法的改变，多种设计技术、理论与方法的综合。其特点是：设计手段精确化、计算机化和虚拟化。虚拟化是以 系统软件在计算机上进行仿真，实现三维建模。设计过程并行化、最优化和智能化。 国际著名称重传感器制造企业普遍开展计算机辅助优化设计，建立较为复杂的力学模型，采用交互、高交互有
21、限元程序包进行计算和分析。其核心是计算机动态仿真，发现并及时处理某些不可避免的缺陷甚至错误，保证结构设计合理性。4.2 称重传感器结构与功能的新进展 数字称重传感器 称重传感器的原理决定了其本身不能产生带有数字特征的输出信号，要实现数字输出必须借助外部力量。纳入数字技术后使其性能上了一个新台阶。 与数字技术发展经历了半数字化（模拟数字混合方式）和数字化（全数字方式）一样，数字称重传感器也同样有两种实现方法。 一种是模拟加数字方法，即模拟称重传感器加A/D转换数字模块，称为数字化（国外称为简单型）。 一种是全数字方法，即称重传感器电桥电路加数字处理电路和数字补偿技术与工艺，称为数字式（国外称为聪
22、明型）。 分离型数字称重传感器（数字接线盒） 无数显功能的数字接线盒：（1）每个输入通道具有一个独立的A/D转换器，独 立进行数字量化处理；（2）各个输入通道共用一个多路A/D转换器，分别 依次进行数字量化处理。 有数显功能的数字接线盒： 实际上是将数字接线盒与数字称重仪表合二为一，具有两者的全部功能。连接上普通模拟式称重传感器，即组成了数字称重系统，具有对其单独寻址并存储有关参数等功能。 动态称重传感器 为满足快速称重和动态称重的需求，开发出新结构的动态称重传感器，除具有线性好、固有频率高，动态响应快等特点外，还创造性的将油阻尼装置与过载保护装置设计为一体，使称量时称重传感器的衰变时间快，称
23、量速度高，工作寿命长。其准确度达4000d。 美国THI公司研制出新型动态称重传感器，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，称量时的稳定时间低于50ms。 带“耐压外壳”保护防爆功能的称重传感器 德国HBM公司研制的C2A和C16A两种不同结构系列，1100t具有“耐压外壳”防爆功能的称重传感器。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（巴）。 高准确度不锈钢称重传感器 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55000kg的称重传感器，准确度可达6000d。主要用于湿度大、腐
24、蚀性强的环境中，而且防水。 簿形、超薄型称重传感器 主要用于电子天车秤、薄型电子平台秤等。 集成化称重传感器 是指将重量信息采集、放大、变换、传输、处理和显示都集于一体的称重传感器，例如：信号处理电路和称重显示控制都集于一体的轮辐式称重传感器。 多分量称重传感器 目前多为测量垂直和水平载荷两个分量，例如汽车检测线用的称重板。其结构原理是在称重板上加工出同时感受垂直载荷和水平载荷的称重传感器碳纤维称重传感器 碳纤维称重传感器利用的是碳纤维复合材 料，在外载荷作用下电阻值增大的特性。日本 学者柳田博明研制的碳纤维复合功能材料，以 乙烯树脂为基体，含0.3%0.6%的碳纤维和 31.6%的玻璃纤维。
25、其特点是：在外载荷作用 下，在一定的变形范围内，其电阻变化与应变 呈线性关系。利用这一特性，日本研制出碳纤 维称重传感器。 Z-元件称重传感器 Z-元件是俄罗斯传感器专家Zotove（佐托夫）教授发现的。它是用N型硅单晶，采用平面扩散工艺进行铝（Al）扩散形成PN结，然后用特制溶液在高温下进行金（Au）的扩散制成硅片，经单面打磨、镀Ni电极形成欧姆接触，然后划片、切割、焊接引线和封装制成。过去只有温敏、光敏和磁敏Z-元件，目前力敏Z-元件已有应用。其应用特点是：体积极小；反应灵敏；工作电压低，工作电流小，测量电路简单；输出频率信号，可直接与计算机连接。是研制新一代数字称重传感器的理想元件，有可
26、能促成称重传感器、称重仪表结构和电子称重控制方式的重大变革。 纳米称重传感器 纳米，即10-9m，相当10个氢原子紧密排在一起。纳米技术是在纳米空间（0.1100nm）内研究电子、原子、分子运动规律及特性，以制造具有特定功能的材料和器件。 纳米材料是纳米级的超细微粒经压制烧结而成，其特点是材质完全纯净，结构没有缺陷，具有抗紫外线、红外线，电磁干扰等特殊功能。 美国学者利用纳米材料在外载荷作用下，其体积变化与载荷成正比这一特性，研制出纳米微型称重传感器。5.应变式称重传感器技术攻关方向 根据我国称重传感器技术发展的总体水平和 与工业发达国家同类产品的主要差距，应将技术 攻关的重点确立为： 共性关
27、键技术与工艺研究； 称重传感器产品工程化研究； 稳定性与可靠性技术研究； 工艺流程中增加自动控制工序及批量生产的统计 制程管理研究； 新产品和自主知识产权产品的开发。 称重传感器应用技术。 6.应变式称重传感器技术攻关内容 6.1 课题立项原则 适合称重传感器行业需要和技术发展趋势，对影 响称重传感器性能的设计技术、制造（冷、热加工） 技术、关键工艺和可靠性技术进行研究，提高称重传 感器的总体技术与工艺水平。 6.2 技术攻关内容与课题 仔细研究称重传感器的零点温度漂移、灵敏度温度影响、蠕变等性能如何受外界多种环境条件作用，通过壳体、防护与密封涂层、自然温度梯度、电阻应变计类型所造成的影响。
28、在测试与应用中，开展力标准机、称重传感器及有 关压头、压垫间，至今尚不完全清楚其机理的“寄生 效应”的研究。 在内在机理上，从称重传感器重要质量指标中发现， 较苛刻的指标是与工业发达国家同类产品差距最大 的稳定性和可靠性，因此必须加强对原材料、元器 件环境应力筛选和稳定处理工艺的研究。 屏蔽、隔离与干扰抑制技术在称重传感器结构设计与 制造工艺中的应用研究。 改进生产工艺 在工艺流程中，增加以计算机为核心的自动控制工序，并在网络软件管理下形成工艺流程网络化。 采用新工艺 近年来随着薄膜工艺水平的提高，促进了溅射型电阻应变计的迅速发展，即采用溅射技术直接在弹性元件表面形成电阻应变计，其厚度仅为箔式
29、电阻应变计的1/10，故又称薄膜电阻应变计。其特点是精度高，可靠性好，无滞后和蠕变现象，具有良好的耐热性和耐冲击性能，容易制成高阻值的小型电阻应变计。国外已应用于高温称重传感器制造。6.3 新产品和自主知识产权产品是竞争的核心 竞争方向国内、国际电子衡器市场和其他行业电子 称重计量需求，特别是与称重传感器技术 相近的跨行业产品 。 竞争基础制造技术、制造工艺。 创新要求适度跟踪世界称重传感器发展趋势和战略 前沿技术，结合国情进行开发和创新。 创新标准技术先导性、工艺先进性、产品适用性、 市场扩散性。 创新形式除原创型设计外，移植型设计、嫁接型设 计、集成型设计也是创新。6.4 应用技术 称重传
30、感器是高渗透性产品，种类繁多，功能多样， 性能极好，向称重和其它技术领域渗透能力极强。 在汽车电子方面的应用。例如：平衡与偏载系统的称 重传感器；制动力转向系统的扭矩传感器；轮胎压力 平衡系统的胎压传感器等。 在流量计量检测系统中的应用。如质量法大流量计量。 在过程工业控制系统中的应用。汽车刹车片、玻璃、 橡胶等配料系统。 在生物医学中的应用。治牙、正骨中力的测量 ；病床秤、轮椅秤等。、 在机器人方面的应用。机器人外部力觉传感器；机器 人内部受力状态的力传感器等。 平行梁型称重传感器在多分度值电子秤中的应用。7.近期的研发热点和长远性技术课题动态质量测量法及动态电子秤研究。快速、低速动态、动态
31、称重传感器研制及其阻尼技 术与阻尼装置。称重传感器的动态特性及动态误差。数字式称重传感器的研制及其数字补偿技术与补偿 工艺。数字模块、数字接线盒的研制及其应用。高准确度称重传感器的研制，例如银行点钞高档电 子计数秤用称重传感器等。集成化称重传感器的研制，例如称重板、称重 轨、称重钩、称重叉、称重梁等。微小量程、超大量程称重传感器的研制。高温、低温、防爆、耐压、耐腐蚀等特种称重传 感器的研制。新型称重模块的研制及其应用。多功能、多分量等复合型称重传感器的研制。偏心载荷测量及车载秤用称重传感器的研制。新型灵敏度温度补偿电阻材料的研究。大阻值、低功耗、高精度电阻应变计的研制。 二、影响称重传感器性能
32、的设计与工艺技术问题二、影响称重传感器性能的设计与工艺技术问题 1. 结构设计中的关键问题 称重传感器的结构设计与理论计算，是基于外载荷作 用线与弹性元件加荷轴线一致的前提，且载荷是均匀 的沿着轴线传递。 事实上，外载荷作用线与弹性元件加荷轴线即不同轴 也不均匀传递，因此会产生干扰影响。 对此干扰影响的敏感程度取决于结构形状、附件性 能、电阻应变计粘贴位置等。 测量信号必定与称重传感器的下列因素有关： 相对于载荷轴线的倾斜位置； 应变区的面积效应； 压头和压垫的表面形状及硬度； 接触面大小和材料性质、接触表面粗糙度； 接触面、接触带或接触点的变形； 加载、承载边界条件。 加强上述干扰量、影响量
33、等问题的研究，对于称重传感器的结构设计、理论计算和生产出一贯符合国家标准的产品至关重要。1.1承受外载荷的两个接触面通常一台称重传感器有两个承受载荷的接触面，即 引入载荷的接触面和承受载荷的接触面。对于承受压向载荷的称重传感器，两个承受载荷的接触面为弹性元件的上球面和下底面；对于承受拉向载荷的称重传感器，两个承受载荷的接触面为上、下螺纹的啮合面；对于平行梁式称重传感器，两个承受载荷的接触面均为弹性元件的一部分；对于一些剪切梁式称重传感器，一个接触面为弹性元件的一部分，另一个接触面与弹性元件分离，因为它有一个固定连接的底垫。在每一个接触面上，载荷的分布取决于端部的加载条 件。因此，这些加载条件的
34、变化，将使弹性元件应变 区的载荷分布发生变化。即使在接触面上总的作用载荷保持不变，加载条件变 化也将导致灵敏度变化，造成称重传感器不稳定。 对于压向称重传感器，端部加载条件由下面几个因素 决定： 与称重传感器加载面相接触的材料的特性，如 硬度 、摩擦系数等； 与称重传感器加载面相接触的表面形状，如平 面、曲面曲率、接触圆大小等； 加载后接触表面的变形。对于应用螺纹接触面引入载荷的拉式称重传感器， 端部加载条件由下列两个因素决定： 螺纹加工精度（即螺纹中径的尺寸精度）； 拉式接头或关节轴承拉头与弹性元件螺纹的啮 合面积的大小。对于各种梁式称重传感器，决定加载边界条件的因 素，主要是支承底座、托架
35、、垫块的结构及所用材 料的硬度、表面粗糙度等。英国物理实验室测力研究室，对500KN标准测力传 感器，通过一个钢质平垫和两个半径为1/1000的钢 质凸、凹球面垫进行加载试验，在最大载荷值时， 用平垫和球垫测得称重传感器的灵敏度不同，它们 之间的最大差别为0.2。有些结构的称重传感器，加载、承载边界条件的改 变会使灵敏度产生较大的变化。在用滞后、蠕变和 灵敏度温度误差都很小的压式称重传感器进行的压 垫试验得到了证实，压垫设计合理时灵敏度相差 0.05，压垫设计不合理时灵敏度相差 0.3。采用圆柱形弹性元件的压式或拉式称重传感器， 应变区的有效长度L和直径D之比L/D是决定加载 边界条件的主要参
36、数。 对于50t的压式称重传感器，当L/D3.7（远远低 于设计的纵向弯曲率）时，在压垫试验中灵敏度 变化小于0.005，而当L/D1时，其灵敏度变 化大于1。 综上所述，加载、承载边界条件的影响是称 重传感器弹性元件结构设计必须认真考虑的问题。 从应用角度讲，称重传感器的附件设计更关键。在大多数压向称重传感器的设计中，圆柱式弹性元 件放在底板上，顶部由一膜片支撑，此膜片固定在 与底板成为一体的坚固的外壳上。如果A底A弹， 当通过球面加载时，底板和外壳就会产生变形，引 起灵敏度变化。如果底板进行加工，使集中力作用于弹性元件底 部，就可以避免外壳变形，从而避免灵敏度变化。额定载荷小于20t的称重
37、传感器，最好不采用柱式 弹性元件，而采用剪切式弹性元件，这些结构对端 部加载条件变化不敏感。1.2 表面形状和硬度影响 称重传感器上、下压垫的接触面，都影响载荷的引入和传递。 上压头表面不平度和粗糙度都很高时，表面硬度影响 可以忽略不计，上压头厚度影响也很小，因为接触仅 发生在球面中心一个小接触圆上。 一般要求上压头的硬度小于弹性元件的硬度，但不能 太低，因为压头硬度越低、粗糙度越大，在较小的载 荷下会产生较大的变形，将使合力作用点发生变化， 引起称重传感器灵敏度变化。 用不同硬度的钢、铜、铝压头进行试验，表面粗糙 度同为Ra6.3m，在相同载荷作用下其变形分 别为2.2m、3.6m、5.4m
38、；第二次加载时的 变形分别为0.33m、0.38m、0.60m。 压垫的形状（从平面到球面）对三个力矩分量的影 响是显著的。其最大特点是在接触区内出现相当高 的应力，由于接触点处于三向受压的应力状态，因 此能承受这样高的应力。 下压垫形状影响大于其硬度影响一个数量级，在最 差情况下为输出值的0.3。 1.3 接触面大小和材料性质的影响 接触面压力低时，滞后小；压力高时，滞后大。 大量程弹性元件的承载球面半径应尽量大些，例如 德国Philips公司PR6201型50t弹性元件，承载部分 的直径和球面半径分别为D54mm和SR35mm， 100t分别为D76mm和SR50mm，200t分别为 D1
39、08mm和SR70mm。 剪应力的大小和在下压垫上的分布，与弹性元件底面直径d、所用材料弹性模量Em 和压垫直径 D、所用材料弹性模量Es的不同有关： 当Dd、Em=Es时，在接触 P面上只引起局部影响，这种影响不扩散，不影响弹性元件应 Em变区变形。 d 当D=d、EmEs时，在接触 Es面上产生应力集中，由于弹性模 D量不同而阻止了弹性元件的横向变形，这种影响向弹性元件中心部分扩散，使输出有减小的趋势。1.4 接触表面粗糙度的影响 英国物理研究所测力窒，用环氧树脂称重传感器 模型，在不同表面粗糙度和不同材料制成的橡 胶、树脂和钢底座上进行试验。 在称重传感器模型上粘贴电阻应变计，改变接 触
40、表面的粗糙度及模型尺寸（高度H和直径D）， 测量出其径向应变值。 试验测量结果表明：接触表面越光洁，载荷传递 性能越好，输出就越大，对灵敏度无影响。 1.5 必须重视载荷传递方式设计 尽量采用点或线接触方式传递载荷。如果必须采用面接触方式传递载荷时，称重传感器应具备： 允许局部区域有较大变形； 输出对加载面位置变化不敏感； 对局部应力集中不敏感。 为此，必须采取下列措施： 增大应变均匀区，如加大高度与直径比；采用加 高的均压垫；增加铍青铜波纹板弹性压垫等。 将面接触通过过渡压垫转换成点接触或线接触。 采用复合梁型称重传感器，如十字梁式、轮辐式 等。2.新式称重模块的开发与应用 是集成上述研究成
41、果的新一代产品，对电子衡器的 结构设计引起较大变革。 美国VBLH公司称其为用新技术迎接称重系统设计 的新挑战；生产过程（在线）称重计量与控制系统 的新发展。 为实现电子称重系统多功能、高准确度、高可靠性 和高接口功能，对称重传感器及其称重模块提出的 新要求是： （1）称量准确度高，长期稳定性好； （2）安装调试方便，工作可靠性高，寿命长； （3）不受动态过程（转矩、搅拌等）影响； （4）密封性好，便于冲洗。 3.称重传感器技术研究方向和特点 3.1重视基础研究和工艺研究 把准确度、稳定性和可靠性作为极其重要的质量指标，以制造技术和制造工艺为核心竞争力，进行基础研究和工艺研究，其研究方向是：
42、在产品结构设计与制造工艺中，吸取了工程化产品设计中的计算机拟实技术和虚拟技术，加快开发速度，减少开发风险。 在弹性元件加工中，从单元加工技术发展到集成化加工技术；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，普遍采用柔性制造单元和柔性制造系统。 生产工艺已不是传统关念中的“作坊手艺”，而是 技术与管理相结合的一项系统工程。为适应多品种、 大批量生产，保证产品技术性能的均一性，生产工 艺必须向尽量减少手工操作、人为控制，增加半自 动化和自动化工序方向发展，例如：采用计算机控 制，人机一体化工艺系统和测试技术网络化信息系 统等。 与稳定性和可靠性有关的稳定处理工艺在高温处 理，低
43、温深冷，脉动疲劳，超载静压等方法的基础 上，又研究出振动时效、共振时效新工艺。 3.2重视弹性元件应变程度的影响提高弹性元件应变的稳定性是提高称重传感器整体稳 定性的基础和关键。因此，弹性元件材料不仅是结构 材料而且是功能材料。在产生应变的弹性元件材料所要求的各种性能中，最 重要的性能是滞后和蠕变。实际上综合性能再好的弹 性元件材料，也存在弹性滞后和弹性后效（蠕变）， 提高线性、减小滞后和蠕变最有效的方法，就是把弹 性元件应变区的应变程度限制在一个较低的范围内， 一般高准确度的称重传感器的应变程度都较低，其最 大应力仅为材料弹性极限的1/41/3范围内。 实际上称重传感器的线性、滞后、蠕变和疲
44、劳寿命 都随弹性元件应变区应变程度减至最小而获得改 进，较低的应力、应变意味着对理想线性弹性性能 的偏差最小，也意味着弹性元件有较大的刚度和较 高的固有频率。弹性元件任何几何形状的改变，必然伴随出现一定 程度的非线性影响，弹性元件应变区应变程度低， 不仅变形小，刚度大，固有频率高，而且有助于把 弹性元件几何形状变化引起的非线性误差减至最小。 3.3 加强减少弹性元件残余应力的研究 残余应力的来源： 原材料在轧制等工艺成形过程中产生的残余应力； 在热处理过程中，由于冷却温度不均匀和相变而产生 的残余应力； 在机械加工过程中，因切削力作用而产生的残余应力。 残余应力的危害： 加工产生的残余应力，在
45、弹性元件表面形成变质层， 使其组织处于不稳定状态，随着时间的变化内应力松 弛，而导致尺寸变化。 刨、铣、车、磨等机械加工，使弹性元件表面变形不 均匀，而产生较大的残余应力，切削用量越大，表 面的残余应力就越大。车削加工时，不同进刀量轴向和周向的残余应力也不 相同，在弹性元件表面为最大残余拉应力，距表面 4080m处为最大残余压应力。磨削加工时，产生的残余应力最大，磨削深度越大， 产生的残余应力就越大，其最大残余应力位于距表 面2040m处。 综合刨、铣、车、磨四种机械加工方法产生的残余应力，可总结出：最大残余应力位于弹性元件表面至深度为100m之间，数值较大；残余应力衰减很快，在深度为200m
46、处已很小；切削用量越大，残余应力就越大；弹性元件精加工为磨削时，残余应力最大，其值可 达900N/mm2，因此热处理后弹性元件的精加工尽量 不采用磨削。 综上所述，研究的重点应为，在全部生产过程 中如何减少残余应力，其次才是如何消除残余应力。 4.正应力称重传感器结构设计的有关问题 4.14.1单柱式：圆柱、圆筒、方柱、棱柱结构。 输出灵敏度 （mvv） 4.2 多柱式：整体三柱、四柱或多柱结构。 整体三柱、四柱型弹性元件，是将锻造时只许拉伸不许墩粗的一段圆形毛坯，在数控加工中心上一次加工成形的整体结构。三柱、四柱型的每根柱均沿弹性元件圆形底座的对称轴均匀分布，柱体多为正方形截面。在顶板的中心
47、加工出球面或球碗，用来引入外载荷。 整体三柱、四柱型称重传感器的特点：整体三柱、四柱型称重传感器的特点： 适合大力值，低外形； 提高了抗侧向和偏心载荷的能力。单柱结构 只有额定载荷的5左右，而整体三柱可达 30，整体四柱高达50； 加大了承载压头半径，减小了压头变形，改 善了静态、动态工作性能； 不用设计复杂的保护外壳，可采用柱间粘接 或焊接密封； 设计比较减单，只需按最大偏心承载量计算 单柱承受的载荷，并满足输出灵敏度要求即可。4.3 环式称重传感器 圆环 B点的弯矩 MB0.182PR MB产生的弯曲应力 B点的轴力N在横截面上产生均布正应力 根据力的叠加原理 A B 板环 应根据板环的平
48、均半径R0与宽度h的比值R0/h求出修正系数G，其灵敏度计算公式为例：P10000kg板环式称重传感器，结构尺寸为 R125mm、R250mm、h45mm。 由修正系数曲线查得G0.9，则灵敏度为4.4 平行梁式称重传感器 平行梁弹性元件打破了在均匀应力场粘贴电阻应变计的传统概念，而是粘贴在应力集中处。 设计要点： 垂直梁与平行梁的刚度比K（J2LJ1a）应尽量大，至少应大于50。 当刚度比K很大时： （1）载荷P作用点处只发生垂直位移，弹性 元件呈平行四边形变化； （2）载荷P引起的平行梁弯矩零点，趋于平 行梁的中间截面； （3）弯矩M引起的平行梁弯矩趋于零，表明 载荷P作用点变化，对平行梁
49、的弯矩图无影响。4.5 中心梁式称重传感器 中心梁结构也称三平行梁称重传感器 ，它由上下柔性梁和中心应变梁构成一个整体结构。因中心应变梁的结构不同，可分为中心直梁式、中心悬臂梁式和中心环式结构。 4.6 正应力S形称重传感器 S形单孔平行梁称重传感器 孔内应力按正负双向分布，正负最大应力相差无几； 最大应力位置不在4，而是稍靠近中间，宽度越小，越靠近中间。 S形中心梁称重传感器有S形中心梁、中心悬臂梁、中心环称重传感器 之分。共同特点是中心梁或中心环都有上下柔性梁保护，处于最小寄生应力区。抗偏心载荷和侧向载荷能力强。 4.7 圆板式称重传感器 结构简单紧凑，体积小，外形低，重量轻； 几何外形为
50、圆形，容易加工出较高的尺寸精度； 横向刚度大，抗偏心和侧向载荷能力强； 为整体结构且对称，热膨胀各方向一致，温度系数低。 为简化计算，可利用Lobo（洛博）公式： 最大应力 最大挠度 4.8 轴对称扭环型 称重传感器 轴对称六方形截面 扭环型称重传感器 （也称六面环） 轴对称矩形截面 扭环型称重传感器 （也称弯曲环）d=2rP 1 B d1 D1D=2Rh1Hbhh22rFtFtFHbPdDP 轴对称扭环型称重传感器，是由顶环、中间六面环（或矩形截面环）和底环三部分组成的一个整体结构。 当有外载荷作用时，它就象盘形弹簧一样变形，由于 结构独特，顶环可以相对底环平行移动，使得六面环（或矩形截面环
51、）状回转体向中心方向做类似于滚动的 运，产生扭转变形。 六面环（或矩形截面环）的扭转变形，使下表面向着 半径增大方向移动，上表面向着半径减小方向移动而 产生环向正、负应变，这正是惠斯通电桥所需要的。 最好在上、下表面粘贴大阻值螺旋电阻应变计，如果 无此条件也可粘贴普通单轴电阻应变计。 轴对称扭环称重传感器的特点：结构紧凑，体积小，高度低，重量轻（30t额定量程的外形尺寸仅为120mm、h50mm）；固有线性好，准确度高；受载后底环无变形或变形很小，几乎没有滞后；对于偏心载荷和侧向载荷不敏感；合理设计顶环与底板结构，可具有较高的过载保护能力；容易焊接密封，实现抽真空充惰性气体新工艺；由于敏感栅工
52、作面积大，可制成3500超大阻值的螺旋电阻应变计且无横向效应，供桥电压可高达100V，比普通称重传感器输出信号提高近十倍。 应变环表面的内外边缘存在应力梯度： 设六面环的扭转角为，在外载荷P作用下顶 环半径减少r，即 rhSin 其周长减少L，即 L2（r-hSin） 顶环内边缘产生的切向压应变为 顶环的外边缘同样是压应变，但比内边缘稍小 些，说明六面环上表面压应变存在梯度。理论计算： 六面环状弹性元件与周边铰支，内边自由受集中载荷作用的等厚度圆环板相似，其上、下表面最大压缩、拉伸应力为 式中：h六面环的厚度； K取决于D/d和实际边界条件的系数， K1.0030.955。 取K0.955，则
53、六面环的厚度为 D/d较大时，可取大的K值及较小的结构尺寸， 一般D/d2.02.2。 六面环的径向载荷决定应变区表面宽度b 顶环壁厚 由顶环的应力计算公式 得 额定量程时的轴向位移Y为六面环位移Y1、底环位移Y2和顶环位移Y3之和，即 式中C常数，C0.67顶环、底环与六面环连接处的剪应力计算 顶环 底环 特制的螺旋电阻应变计是一个封闭的环形结构，被粘贴在六面环的上、下表面的中间处，与传统的电阻应变计相比，它没有敏感栅端部横栅（回转点处）的应力集中，即没有端部效应影响。 尽管电阻应变计也能感受一个径向力rF，但反 映测量值的是切向力tF，因为曲杆效应切向力tF是径向力rF的1050倍。 例题
54、 一10t 轴对称扭环型称重传感器的尺寸参数为 P10000kg B30mm b16mm、 h21mm D110mm d50mm、 h16mm h215mm 14mm、 215mm Hh/45.25mm 理论计算如下： D/d2.2 取K0.955 六面环上、下表面最大压缩应力为 kg/mm2 六面环上、下表面最大压缩应变为 灵敏度 S2.062 mv/v 经计算总位移为 YY1+Y2+Y30.104+0.005+0.0070.116mm 顶环与六面环连接处的剪应力为 kg/mm2 底环与六面环连接处的剪应力为 kg/mm2 5. 切应力称重传感器结构设计的有关问题 5.1切应力称重传感器的力
55、学基础剪切应力本身是不能测量的，它产生的主应力是可 以测量的，正是称重传感器贴片组桥所需要的。在平面应力状态下，主应力平面与最大剪应力平面 互相呈450夹角，而最大剪应力方向与中性轴一致， 所以主应力方向与中性轴呈450角，且拉、压成双。只有中性轴处的应力单元是纯剪切状态，并有下列 关系：设计与计算时，应以中性轴处的最大剪应力计算公 式来求解，茹拉夫斯基剪应力计算公式为：剪力Q、截面宽度b、惯性矩Jy对某一个截面来说是 常量，而静矩S则是随剪应力的位置不同而变化的 量，即剪应力是随其与中性轴的距离不同而变化的 量。 可求出不同形状截面剪切梁的剪切应力分布规律， 对于不同截面形状其剪应力的求解公
56、式也不同。 矩形截面 矩形截面的剪应力沿截面高度呈抛物线分布，其梯度变化较大 工字形截面 剪应力在工字形截面腹板内沿高度方向也呈抛物线分布，但应力变化梯度不大，较平稳，可认为在中性轴附近相当于均匀分布。圆截工字形截面 剪应力的分布规律与工字形截面基本相同。 长方形空心截面 剪应力在截面内孔直径的高度方向上呈抛物线分布，应力变化梯度比工字形截面稍大些，比矩形截面稍小些。圆形空心截面 剪应力在其内孔直径高度方向呈抛物线分布。5.2 轮辐式称重传感器 结构象一个车轮，在轮毂与轮箍之间成对的、互相对称的分布着轮辐，外载荷作用在轮毂的上端面。 特点：外形低，稳定性好；轮辐对弯矩不敏感，线性较好；横向刚度
57、大，抗侧向和偏心载荷能力强；整体结构且对称，各方向热膨胀一致，温度系数小；轮毂与支承面间隙设计合理过载能力可达300；容易实现焊接密封、抽真空充氮工艺，防护密封等级IP68。缺点：轮箍及其底面设计不好， 滞后误差大；机械加工难度大，需用 电火花线切割技术与装备。 理论计算： 为使轮辐只产生剪应力，必须满足两个条件： 轮辐的长度与高度比尽量小。一般l/h1。 轮毂和轮箍为刚性结构，轮辐两端不能自由转动，即转角为零。 力学模型 从分析一对轮辐的受力状态进行理论推导，最后得出计算公式如下： 则 主应变 灵敏度 设计要点：轮毂和轮箍的刚度要足够大，保证根部转角为零。矩形截面的轮辐，长度与高度比尽量小，
58、一般为 1，以保证轮辐承受纯剪切作用。轮辐位于轮箍高度中点偏上的位置，与轮箍的表 面和底面距离之比为12。 在保证轮箍具有足够刚度前提下，采取措施减少 底面与支承接触面积，降低底部摩擦力矩。轮辐的高度与厚度比，一般为 。 现在此种产品都设计成孔辐式结构 主要是克服轮辐式结构加工困难，辐板纵向刚度偏小等缺点。 孔辐特点是辐板结构与粘贴应变计位置合理。 孔多比孔少易于获得适合粘贴应变计的应力场。P轮辐式称重传感器的滞后误差分析轮毂、轮箍刚度与滞后的关系 轮箍变形的位移量与其刚度密切相关，刚度大，变形位移小，底摩擦作用时间短，轮辐应变恢复快，滞后小；反之滞后大。因此，轮毂、轮箍刚度应足够大，确保轮辐
59、与轮毂、轮箍连接处不能自由转动，即A、B处的转角为零。 轮箍变形示意图轮辐与滞后的关系 （1）轮辐刚度与滞后的关系 轮辐是应变敏感部分，其变形量与辐长 L 成正 比，与截面积A成反比。因此L小A大,变形量小，应 变恢复快，滞后小。 （2）轮辐高厚比（h/b)与滞后的关系 在其它条件相同的情况下，改变h/b比剪应力 和弯曲应力均改变，对滞后有一定影响。所以 在轮箍刚度足够大时，适当增加轮辐的剪应变，降 低弯曲应变，可减小滞后。5.3 剪切梁型称重传感器工字形截面双剪梁式称重传感器M 结构特点结构特点剪力沿梁的长度方向为一常量，输出与弯矩无 关，因此对加载点变化不敏感；受剪截面积不发生变化，固有线
60、性好； 应变计粘贴在最小寄生应力区，抗侧向和偏心载 荷能力强；加载点与支承点自成平衡力系，安装方便，并可 用来调整线性；钢球与球座为点接触，对中良好，钢球只感受轴向载荷，不传递侧向载荷，保证测量准确度。 缺点是并联诅组秤时，承载器的重心较高。 设计要点设计要点为保证腹板承受97左右的剪力，尽量减小翼缘 的高度，增加腹板的厚度；工字形截面的宽度与高度比 保证应变区为纯 剪切应力状态；承载球面半径不应太大，以使钢球复位快，以 76.2mm钢球为例,SR=76mm其接触圆半径为 10mm左右；底座焊后应退火，消除焊接残余应力，并磨削 上、下表面，保证组装后弹性元件与底座接近一个 整体。 双剪梁称重传
61、感器滞后误差分析双剪梁称重传感器滞后误差分析双剪梁弹性元件与底座接触面的滑动是产生滞后误差的重要原因。在加、卸载过程中，双剪梁弹性元件与底座滑动方向相反，因此作用在弹性元件上的摩擦力方向也相反，正是此摩擦力造成应变区剪应力变化。接触面摩擦系数大，随着载荷的增加滞后的绝对值由小变大。盲孔中心到弹性元件端面的距离太小，底摩擦力对应变区影响较大。减少滞后误差的方法： 1.尽量减小弹性元件与底座的摩擦系数； 2.优化结构参数，使底摩擦力对应变区影响最小； 3.预紧力应足够大，尽量约束弹性元件滑移。 圆截工字型截面悬臂剪切梁称重传感器 特点特点外形低，无端部效应影响，固有线性好，滞后小； 电阻应变计粘贴
62、在纯剪切应力状态下的最小寄生 应力区，抗侧向和偏心载荷的能力强；防护密封方便，即可盲孔灌封，又可焊接密封；对称 循环加载时，输出灵敏度一好。 设计要点设计要点 圆截工字形截面，由两个弓形和一个矩形截面组 成，其静矩和惯性矩为两个截面静矩和惯性矩之和。 上、下翼缘端部反对称连线与Z轴成450 成形盲孔。 翼缘平均厚度应小于腹板厚度，保证圆截工字梁腹板 为纯剪切状态。 电阻应变计反对称粘贴在腹板的两侧，提高抗侧向和 偏心载荷的能力。 根部固定刚度尽量大，载荷引入方式合理。切应力S形称重传感器 结构结构 在工字形剪切梁两端增加反对称的辅助梁，形成整体结构并实现中心加载。 特点特点 结构紧凑，体积小，
63、重量轻。 电阻应变计粘贴在盲孔内的最 小寄生应力区，并得到很好的 保护，因此不用设计保护外壳。 抗偏心和侧向载荷能力强。 无面积效应影响，固有线性好。 利用辅助梁可实现过载保护。 中心剪切梁型称重传感器 在正应力中心梁结构的基础上，为了增加抗弯、抗扭刚度，提高固有频率，将平行柔性梁加宽，变中心弯曲梁为剪切梁，就形成了中心剪切梁型称重传感器（也称箱式称重传感器）。 特点特点剪力沿中心梁长度方向均匀分布，主应力拉压成双 且大小相等，电阻应变计产生基本相同的电阻变 化，固有线性好，滞后小。加宽的柔性梁在受载方向很柔软，而在横向和侧向 却很刚硬，因此抗偏心和侧向载荷能力强。组装电子秤时便于调整因弯曲和
64、扭转产生的偏载误 差，用较小尺寸的称重传感器可以支撑较大尺寸的 承载器。弹性元件因温度变化引起的膨胀或收缩率一致，从 而降低了温度梯度误差。 矩形空心截面整体剪切梁称重传感器 吊车秤用称重传感器的弹性元件，是用整块钢材加工出来的整体结构，中间及两端支承处刚度都很大，保证应变区为纯剪切状态。 结构特点结构特点 同样具有抗弯能力强，中性轴处剪切应力大的力学 特性； 利用同心圆孔形成应变区，容易加工； 空心截面抗扭能力强； 垂直和水平弯曲时，弯矩为零的截面在同一截面； 额定量程较大时，可在孔内贴片，有利于焊接密封。 理论计算理论计算 空心截面中性层处的最大剪应力计算，仍用茹 拉夫斯基公式： 轴销剪切
65、式称重传感器 结构特点结构特点 空心圆轴结构， 几何外形简单，易 加工出很高的尺寸 和形位精度； 具有很强的抗扭 转、弯曲能力，并 且中性轴处的剪应 力最大； 垂直和水平弯曲时的弯矩为零的截面在同一 截面；额定量程较大时，双剪切型电阻应变计可粘 贴在中心孔内，可实施焊接密封抽真空充氮气工艺；与相关承力部件组装容易，使用方便。 设计要点设计要点为减少轴销弯曲变形，减小滞后误差，灵敏度以 1mvv 为好；剪切截面的凹槽宽度为电阻应变计敏感栅长的2倍；轴销受剪截面的安装间隙应尽量小，最好为紧密配合；使轴销产生纯剪切应力的支承，越刚硬越好，这是轴 销式称重传感器具有优良性能的根本保证。 环形剪切梁式称
66、重传感器 是由环形工字梁、上、下法兰盘及在其上形成的双支承组成的整体结构，通过法兰盘上的双支承施加外载荷，使环形工字梁的腹板受剪而产生切应力，测量的是拉、压成双的主应力、主应变。 其特点是：把剪切梁串联式的相互连接起来，并沿圆柱表面配置，结构紧凑，但刚度较差，易产生弯曲寄生应力，线性与滞后误差偏大。 6.集成化称重传感器 称重板 应变计粘贴在T形截与矩形截面中性轴之间，因此，剪应力为3与4的平均值，即主应变 称重轨 不论是1.8m还是7.5m长的称重轨，其称量段和两个轨枕必须有足够的间隔，保证测量信号不受轮位影响。 钢轨腹板应进行少量加工，以提高灵敏度和粘贴应变计。 中性轴上的剪应力为 中性轴
67、45方向主应变 称重钩 称重轴称重环7. 称重传感器制造工艺技术的新进展7.1 制造工艺技术的重要性制造工艺是称重传感器生产过程中最活跃、最积 的因素，是研究成果转化为商品的桥梁。制造工艺不仅是基础的工艺技术，而且是称重传 感器生产过程中起核心作用的专业技术。称重传感器的竞争，主要是制造技术、制造工艺 的竞争，因此它是企业的核心竞争技术。制造工艺的概念和内涵不断扩展，使现代制造技 术与传统制造工艺相结合，技术与管理相结合， 逐步演变成现代制造工艺系统。7. 2 制造工艺的研究方向如何在生产的全过程中，作到支持工艺、基础工艺、 核心工艺和特殊工艺的科学运用和集成。结构原理和制造工艺决定了，在生产
68、工艺流程中必然存在“作坊手艺”痕迹，有些工序是人工操作、手动控制，人为的因素对产品质量影响较大，因此要尽量减少人为因素的影响。应加强工艺基础理论研究，在工艺理论指导下设置工序和改进工艺流程。先进的工艺流程应以计算机控制为核心，尽量增加半自动化和自动化工序，并实施工艺流程网络化和批量生产的统计制程管理。7.3 称重传感器制造工艺新成果 工艺装备的改进与提高：工艺装备的改进与提高： 专用喷砂设备，喷咀小，喷砂表面质量高。 超声波水洗技术。 自动贴片技术与装备。 高效智能温度补偿技术与装备。 快速检测技术与装备。 群控静重式标准测力机 由多台静重式标准测力机、高低温箱和控制 系统组成。用一台计算机和
69、PLC程控机通过软件 集中控制，实现对称重传感器线性、滞后、重复 性、蠕变等性能检测，并可同时进行多只称重传 感器的灵敏度温度补偿及检测。 粘贴应变计辅助系统 该系统采用了高清晰液晶视频图像技术，可根 据弹性元件结构外形尺寸、电阻应变计定位尺寸， 自主放大粘贴区域，提供了清晰适合贴片放大倍数 的动态视频图像。只要将放大的电阻应变计定位标 记，对准视频显示的弹性元件上的定位叉丝，就是 正确的贴片位置。系统采用了PC操作系统控制， 软件功能强大，操作方便，界面直观实用。消除了 用幼眼对位、定位造成的误差，提高了电阻应变计 定位准确度和粘贴位置的一致性。 贴片技术与工艺的新突破 美国MS公司创造了在
70、高温下，将半导体电阻应变计与无机玻璃熔于小型弹性元件上，制成低成本新型称重传感器。这种无机玻璃粘贴电阻应变计的新技术与新工艺，消除了传统方法粘贴电阻应变计所带来的不稳定性，极大的提高了称重传感器的稳定性和可靠性。其特点是： 结构紧凑、体积小重量轻； 固有频率高，动态响应快； 低量程分辨率高； 已经过1107周期测试，其寿命基本是无限的； 目前量程较小只有680g1t。 防护与密封材料的新发展（1）聚氨酯类密封胶 具有优良的电气、力学、工艺性能，良好的防 潮、密封、耐老化、抗霉菌性能。耐热可达150。（2）柔性聚酰亚胺密封胶 具有非常好的高低温性能，可耐260高温，低 温-46也柔软，对铝合金有
71、较高粘结性。 （3）高度防潮耐水密封胶 将卣素引入高聚物中和用硅氧键嵌入高聚物中， 都可达到提高抗水耐湿的目的。国外已用含氟聚酰亚 胺、含氟环氧树脂、含氟丙烯酸脂，硅氧 /亚酰胺共 聚物、苯基有机硅和硅化苯乙烯为基础材料制作密封 胶。 8.称重传感器的稳定性及稳定性处理 8.1称重传感器的稳定性准确度、稳定性和可靠性是称重传感器的重要质量指标，其中稳定性是基础，没有稳定性谈何称量准确度和工作可靠性。称重传感器的稳定性分为三个时期，即初始不稳定期、稳定期和疲劳不稳定期。称重传感器的稳定性遵循浴盆曲线。即初始不稳定期是递减的，不稳定因素较多；稳定期是水平的接近一个常数，稳定性好；疲劳不稳定期是递增
72、的，不稳定因素开始增多。 初始不稳定期 性能波动较大，主要表现为零点和灵敏度不稳定，应尽量在生产过程中渡过初始不稳定期。 稳定期 当称重传感器经过各种稳定性处理后，不稳定因素很少，往往是一些随机的原因，即进入了稳定期。 对应于这个时期的使用时间称为使用寿命。 疲劳不稳定期 在経历了一个比较稳定的工作时期后，由于防护与密封性能下降，应变计老化，补偿元器件变化等原因，不稳定因素开始增加，即进入了疲劳不稳定期。 可见称重传感器稳定性处理工艺的重要性。 8.2 热处理法稳定性处理 反淬火法 国内称深冷急热法。将铝合金弹性元件置于-196的液氮中，保温12小时后，迅速用新生的高速蒸汽喷射或放入沸水之中。
73、因深冷与急热产生的应力方向相反而相互抵消，达到释放残余应力的目的。 冷热循环法 工艺为-1964小时/1904小时，循环3次，可使残余应力下降90左右，并且组织结构稳定，微量塑性变形抗力高，尺寸稳定性好。 恒温时效法 恒温时效即可消除机械加工产生的残余应力，又能消除热处理引入的残余应力。 8.3机械法稳定性处理 脉动疲劳法 施加下限为(1/51/3)额定载荷，上限为额定载荷或120额定载荷，以每秒35次的频率进行500010000次的循环。 超载静压法 对称重传感器施加125额定载荷，保持48小时，或施加110额定载荷，保持24小时。 振动时效法 在额定正弦推力满足振动时效要求的振动台上，根据
74、称重传感器的额定量程估算频率，来决定施加的振动载荷、工作频率和振动时间。能耗低，周期短，效果好，不损坏弹性元件表面，而且操作简单。 三、称重传感器的焊接密封技术 与膜片边界条件影响1. 防护与密封在称重传感器、制造工艺中的地位与作用防护与密封是称重传感器耐受客观环境和感应环境 影响而能稳定可靠工作的根本保障。粘贴在弹性元件上的电阻应变计，以及所用的应变 胶粘剂，都会受到空气中水份和氧气的影响，因为 水能渗入几乎所有的聚合物，而产生增塑。潮气并不完全是H20，通常是许多复杂的水溶液，它能渗入各种聚合物，使其改变性能。盐雾是一种气溶胶状体，主要成份是氯化钙、氯化 镁和其它杂质，对弹性元件、电阻应变
75、计和应变胶 粘剂有较强的腐蚀作用。如果防护与密封不良，电阻应变计和应变胶粘剂吸 收空气中的水份，就会使胶粘剂层膨胀增塑，造成 绝缘电阻、粘结强度和刚性急剧下降，引起零点漂 移和输出无规律变化，直至称重传感器失效。稳定性和可靠性是称重传感器的前提性技术指标， 确保此项指标必须进行有效的防护与密封，提高称 重传感器防潮、防水、防盐雾性能和抗振动、冲击 的能力。 2. 防护与密封的基础与方法 称重传感器防护与密封的基础，是涂刷电阻应变 计防护面胶。 对防护面胶的要求是： 绝缘强度5000M，体积电阻10141018.cm； 与金属表面有很强的粘结力，防止潮湿气体从界面 渗入； 吸潮性小，内聚强度大；
76、 固化反应不释放有害化合物，对电阻应变计无腐蚀 作用； 固化成膜后柔软并在弹性元件应变范围内恒弹性。电阻应变计防护面胶的涂刷时机与涂刷前的清洗至关 重要。一般是在完成下列兩项工作后进行： 其一是贴片、加压固化、卸压后固化、质量检查、粘贴端子、焊线组桥和测量绝缘电阻各工序质量合格； 其二是对工序质量合格弹性元件进行整体清洗。弹性元件整体清洗后必须尽快放入高温试验箱内，加 温40并保温一定时间，从箱内取出弹性元件应在 干燥的环境条件下涂刷防护面胶。其目的是防止电 阻应变计在生产过程中受潮，并为最后的防护与密 封打好基础。 国内外应用较多的电阻应变计防护面胶主要有：单组份丙烯酸酯胶粘剂应用较为普遍，
77、其特点是活性 大，涂层薄、弹性好、粘结力强、界面密封性能好。 主要品种有美国专利产品液态的氯丁橡胶，美国BLH公司J型防护面胶，美国VMM公司MCoat C型、 D型防护面胶，以及我国研制的P5型防护面胶。橡胶型胶粘剂应用较多的胶型主要有：美国Dow- Corning公司的3140和日本东芝株式会社的TSE397、 TSE399单组份硅橡胶。国内此类胶型的产品较多， 主要有室温固化单组份硫化硅橡胶ND703、ND 704、ND705、ND81、ND901等20余个品种，基本符合电阻应变计防护面胶的技术要求。3. 对焊接密封技术与装备的要求 焊接时的热影响区尽量小，这就要求在进行结构设计 时焊缝
78、尽量远离电阻应变计粘贴位置； 焊缝应均匀、整齐、美观、可靠，尽量不使膜片变 形，因此要求焊接膜片设计成波纹膜片、杯形膜片， 以减少焊接变形，降低残余应力和对灵敏度的影响；弹性元件的坡口和焊接膜片尖角应符合焊接要求， 焊缝位置开敞易于焊接作业，以保证焊缝质量；工艺简单，焊接效率高。 4.焊接方法、原理与特点 焊接方法主要有电子束焊接、激光焊接、脉冲氩弧焊接、弱等离子焊接等。 4.1 电子束焊接 在电子束焊机真空腔内，利用电子束聚焦产生的热能进行焊接。其焊接工艺是焊机通入电流加热阴极，使它成为一个能发射电子的电子枪系统，带有负电荷的电子束高速飞向处于高电位的称重传感器外壳、密封模片与弹性元件相贴合
79、的焊缝。焊机的聚焦系统使电子束聚焦，并以极高的速度冲击到极小面积的焊缝上，将动能转变为热能。电子束聚焦越细能量就越高度集中，可在几分之一微秒内，使被焊接的极小面积焊缝的温度升高到几千度，从而熔化被焊材料进行焊接密封。 电子束焊接的特点是：焊接在102103pa压力真空腔内进行，不受各种污 染物影响；焊接时能量快速高度集中，热影响区小，被焊件不变 形；适用范围广，可焊接各种合金钢、不锈钢和有色金属 材料，焊接最小厚度为0.1mm；焊接后弹性元件或电阻应变计处于102103pa真空 中，是最佳的密封状态，密封等级可达IP68；没有焊渣，无需清除氧化膜。 电子束焊接的缺点是设备昂贵，焊接成本高。 4
80、.2激光焊接 在激光焊接机上，利用功率密度能达到 107 W/cm2以上的高能激光脉冲束进行焊接。对弹性元件焊接坡口、膜片尖角的要求与电子束焊接相同。焊接时脉冲激光电源首先把氙灯点亮，使其处于预燃状态，计算机控制激光电源使氙灯脉冲放电，从而形成一定频率、一定脉宽的光波，该光经过聚光腔辐射到激光晶体上并使其发光，再经过激光谐振腔谐振后发出波长为1.06m的激光，激光经扩束、反射、聚焦后射向被焊接称重传感器的焊缝上，焊缝吸收光能，局部产生高热而熔化，使弹性元件和膜片、外壳熔合为一体。激光焊接的特点是：激光焊是不接触焊接，可将弹性元件放在透明真空 罩内，实现真空焊接密封；能量集中，热影响区小，焊接的
81、弹性元件、膜片和 外壳不变形；可熔合不同金属和合金，并能完成不同材料的异性 焊接，例如金属与陶瓷等；没有焊渣，也不需要清除氧化膜。 4.3 称重传感器焊接密封的工艺特点焊接密封的称重传感器，应设计有结构合理的波纹平膜片与弹性元件和密封外壳组合；杯形膜片与盲孔外环组合。弹性元件或外壳上，一必须设计有柯伐合金焊线端子的焊接口。该焊线端子是在称重传感器焊接密封后，抽真空充惰性气体前，焊接在出线口处。柯伐合金焊线端子的作用是在焊接密封腔外，调节因焊接应力对零点输出等技术指标的影响量，即在密封腔外精调有关技术性能指标。无法焊接时，应采用多层密封措施柯伐合金焊线端子和电桥电路图如下。密封腔内焊线端子接线盒
82、内 接地 A D C BRL2RM2RS2Rt Rz RoRi柯伐合金焊线端子R1R2R3R4焊线端子的6个焊线柱，是通过玻璃粉烧结在由柯 伐合金制成的圆盘上的6个圆孔内。由于柯伐合金 与玻璃粉的温度系数一致，当环境温度变化时两者 同步变化，保证焊接密封的可靠性和工作稳定性。采用电子束焊接、在真空条件下焊接、焊接后腔内 空气很少的称重传感器，不必进行抽真空充氮气处 理，可直接使用。外部调整接线盒、接线插座或电缆线也需要有严格 有效的密封措施。焊接密封后内腔较大的称重传感器，例如圆柱式、 圆筒式、轮辐式、轴对称式结构必须进行抽真空充 氮气处理。在称重传感器外壳上或弹性元件上，留有一个抽真空充氮气
83、的锥形孔，同时也是打入铜锥销的密封孔。抽真空充氮气多在专用设备上进行，也可在经过改造 的带有氮气瓶的真空干燥箱内进行，要求充入干燥的氮气。抽真空充氮气后应对绝缘电阻和零点输出进行检查， 如有超差应采取措施排除或进行腔外调整，最后对腔 外调整与电缆出线盒实施激光焊接密封或聚胺酯密封胶灌封。 4.4 波纹膜片及其边界条件影响 圆柱式结构通过环形平膜片或波纹膜片与弹性元件 和外壳焊接实施密封。 轮辐式结构通过环形平膜片或波纹膜片与轮毂和轮箍焊接实施密封。 双剪粱或悬臂剪切粱型结构通过杯形膜片与盲孔周边焊接实施密封。 其焊接密封的关键是即要保证密封，又要允许弹性元件与密封外壳之间、轮毂与轮箍之间有较小
84、的相对运动，此问题处理不好将埋下故障隐患。 因此，必须对膜片的应用、性质和制造方法进行研究。波纹膜片与弹性元件或外壳的焊接坡口600600P0.30.50.30.511 对膜片、弹性元件的要求 圆柱式结构焊接波纹膜片、悬臂梁结构焊接波纹管后，膜片也成受一定的载荷，弹性元件变成超静定结构，因此对膜片、弹性元件、外壳和焊接要求如下：外壳材料必须与弹性元件具有相同的线膨胀系数或采 用相同的材料，防止温度变化，由于超静定结构变形不协调而产生内应力，使得称重传感器产生漂移。需要考虑温度补偿方法。因为温度变化时，外壳尺寸 改变导致密封腔内气体压力变化，膜片承受的内外压 力差也要改变，会引起称重传感器的温度
85、漂移，因此 要求波纹膜片应有调节功能。 波纹膜片的结构及其特性波纹膜片的结构及其特性波纹膜片是一种压有同心折皱的圆形薄板，为便于和弹性元件、保护外壳焊接在一起，在膜片中央和外圆周边须留下一光滑部分，并弯成2mm高的直角边。如果波纹膜片沿中心和周界固定，而又在中心产生一定的位移时，根据此位移的数值就能确定作用力的大小。d=2rD=2Rh波纹膜片作为一种密封膜，在称重传感器弹性元件产 生位移（一般为0.2mm左右）时，其挠度可以补偿此 位移，并基本保持 固有的弹性性能。波纹膜片折皱的深度 和形状，即膜片表面 的波纹，可以设计成 多种多样，有正弦波 纹、圆形波纹、梯形 波纹、锐角波纹等。压力或位移与
86、波纹形状的关系图，证明在一定压力或位移下， 正弦波 纹膜片 给出最 大的挠 度。锯 齿形波 纹线性 度好。压力与位移一般多根据位移或力与挠度之间的关系进行选择，但波纹小的膜片具有明显的非线性特征，且膜片的刚度随同其挠度的增大而增大。随着膜片波纹深度的减小，膜片的性质就接近于普通平簿板，完全没有波纹膜片刚度小、能过分弯曲的特征。与平板膜片相比，将波纹膜片周边弯成2mm高的直角边，对波纹膜片的特性无明显影响，可保证其有足够的挠度适应称重传感器弹性元件的变形。波纹的波数、间距、由波纹部分到中心和周边光滑部分的方式等问题，尚无试验研究，总之尽量短小即可。波纹膜片的原始刚度（在小挠度时）比平板膜片的原始
87、刚度要高一些，但其工作行程要比平板膜片大很多，可以调节较大的位移量。平板膜片在很大程度上会遭到结构形状、周边固定等局部缺陷的影响，当弹性元件产生位移时，就会出现变形不均匀的特征。通过理论计算和试验研究的方法，确定波纹形状，挑选必须的特征，都是非常困难的，因为对于每一种新的波纹都必须制造出冲膜，成本太高。在设计时，通常遵循根据经验选定一方案，经试验最后确定。波纹膜片的厚度通常在0.050.3mm的范围内变化。用于制造波纹膜片的主要材料是铍青铜、磷青铜、不锈钢和铁铬镍合金。用薄片材料制造波纹膜片时，该材料照例须预先进行冷轧加工，一方面提高机械性能的均匀性，而另一方面使得坯材厚度与膜片厚度一致。通常
88、使用压模机裁切出光滑圆盘，作为制造波纹膜片的坏料，圆盘的直径通常由圆盘面积与波纹膜片曲面面积相等的条件来确定。将裁切出光滑圆盘首先放在车床或压力机上，压出波纹、周边和中心2mm高的直角边。膜片的简易计算 以圆柱式称重传感器上膜片为例进行简易计算： 弹性元件承受压向载荷作用时，产生轴向位移，此位移就是膜片的中心挠度f0，可用下式表示 膜片中心所受力为 膜片的厚度为 利用此公式计算出膜片厚度，经试验测试后确定。 4.5 常见的焊接密封故障焊接密封膜片变形和产生较大的残余应力。结构设计不合理，膜片厚度未经理论计算和试验测试，造成焊接后内应力较大，即消耗输出灵敏度，又增大非线性误差。密封膜片材料选择不
89、当，与弹性元件材料可焊接性较差，焊接时易产生缺陷，影响焊接质量。焊接方法与焊接工艺选择不当，焊接时热影响区大，造成防护胶、应变胶粘剂过固化，使胶层变脆，粘结强度减小，疲劳寿命降低，埋下可靠性故障隐患。焊接时，焊缝不是一次焊接完成，反复多次焊接，不但焊缝质量差，而且膜片因多次加热产生变形和较大的残余应力，增大了称重传感器的非线性误差。膜片与弹性元件和外壳，膜片与盲孔焊接后，沒有 在正规检漏设备上进行检漏，抽真空充氮气后缓慢 泄漏。焊接后虽经检漏合格，但充入的氮气未经干燥处 理，使防护剂层、应变胶粘剂层吸潮而使绝缘电阻 缓慢下降，引起零点漂移。焊接密封后由于内腔空间较大，又未进行抽真空充 氮气处理
90、，密封腔内空气中的水份使电阻应变计等 受潮，使绝缘电阻下降。焊线端子或引线咀焊接密封不良，进入潮湿气体或 水分，使密封材料、焊线板、电阻应变计等受潮， 造成绝缘电阻下降等故障隐患。四、高温称重传感器制造工艺特点及工艺稳定性 1.概述目前我国高温称重传感器的温度界定，是来至于钢铁企业的生产实践，即以炼钢和连铸工艺中回转台大包电子秤所受的高温传导热180，连续浇铸8炉次以上也不超过200为依据，因此将200定为使用温度上限。高温技术性能指标中应有安全极限温度，一般高于使用温度上限50，其定义为：达到安全极限温度后，高温称重传感器不会在其性能特征上产生超出规定的永久性迁移。瑞士ABB公司压磁式，德国
91、Philips公司、Schenck公司，意大利Kelk公司的高温称重传感器使用温度均为150。 必须重视高温称重传感器的安装方式 高温称重传感器的安装方式对其技术性能指标影响很大，对安装方式的要求是：（1）尽量采取缓冲措施，减小振动、冲击；（2）保证线性传递载荷；（3）使高温称重传感器只感受轴向力，不受侧向和偏心载荷的影响；（4）对称重传感器本体、引线嘴、电缆线尽量采用隔热措施；（5）电缆线更换简单方便。 最佳方案是设计组件化的称量箱，将高温称重传感器置于箱内，使其得到很好的保护。 2.高温与常温称重传感器的根本区别 常温时不用考虑的可以忽略不计的问题，在高温时都表现出来。因为温度是状态参数，
92、是能量跃迁的反应，高温时必然导致物理和机械性能变化。2.1 高温对弹性元件材料的影响强度极限、弹性模量降低，塑性增加，硬度降低；刚度下降，变形增大，固有频率变低；产生附加热应力与工作应力叠加，影响灵敏度；与外壳产生的变形不协调，影响零点稳定性；高温载荷持续时间对机械性能有较大影响。 2.2 高温对电阻应变计的影响 电阻应变计的工作温度只要超出常温使用的温度 范围（-3060）时，其工作特性将会发生较大变 化，主要是：对大多数敏感栅箔材，灵敏系数不断减小（少数应 变计稍有增加）；热输出、热滞后、零漂、和蠕变都会增大；绝缘性能下降；应变极限和疲劳寿命降低。 可见工作温度的变化对电阻应变计性能的影响
93、 是多方面的，不同的应变计只能在一定的温度范围 内应用。2.3 高温称重传感器弹性元件材料的选择 高温称重传感器弹性元件材料应具有： 较好的高温力学性能，主要是抗高温微塑变形和 高温蠕变能力； 较高的高温持久强度和高温疲劳性能； 良好的高温耐腐蚀性能，主要是耐高温氧化、硫 化性能； 弹性模量E的温度系数E尽量小； 优良的冷、热加工性能。 出于安全性和稳定性考虑250oC高温称重传感器 可选用中碳合金钢40CrNiMoA，实践证明是可行的。 2.4 高温电阻应变计的选择 国内外应用较多的是采用卡玛合金（K2.1）、铂钨合金（K4.5）作敏感栅，以玻璃纤维增强的聚酰亚胺为基底和复盖层的中温电阻应变
94、计。典型产品是美国VMM公司的J5K系列，并附有MBond450高温胶粘剂(-269oC260oC)。 安全极限温度为250oC时，不能选择以康铜合金为敏感栅的电阻应变计，因为康铜在200oC时开始相变，使电阻率发生变化，无法保证各项技术性能指标。 3. 高温称重传感器关键制造工艺 一般常温称重传感器的结构都适用于高温， 但制造工艺和工艺装备却有较大不同，主要是： 温度补偿范围 常温为10oC40oC，高温称重传感器的 补偿温度范围为10到最高使用温度。 元器件环境应力筛选 常温按常规要求进行，高温必须达到使用温 度上限。 工艺装备与检测设备 常温为通用装备，高温为特制的高温试验与 灵敏度温度
95、补偿热源。 3.1 高温称重传感器的零点输出补偿 与常温称重传感器相比，高温称重传感器的 零点输出均较大，且分散度也较大，补偿时应作 到： 高温电阻应变计阻值偏差大，应严格测量分选； 扁引线与高温连接导线在布线组桥时的长度 尽量相等； Rz的电阻温度系数应尽量小，且稳定。 3.2 高温称重传感器的零点温度补偿 因工作温度高、梯度大，除常温零点温度漂移因素外，常温补偿时可以忽略的一些问题，高温时都表现出来。（1）与常温零点温补的主要区别 电阻应变计基底和应变胶粘剂的绝缘电阻、剪 切强度、材料延伸率随温度而变化； 敏感栅材料高温氧化； 引线、焊点接触电阻的变化。 这都将引起零点温度漂移，因此补偿要
96、精细、完善。 （2）零点温度补偿要点应变计在常温筛选基础上，增加对电阻温度系的筛选；组桥线实际是一个热敏电阻，长度尽量相等；Rz过大时，也会引起零漂应采取措施使Rz尽量小；Rz、Rt应在高温应变计附近与其处于同一温度场。 3.3 高温称重传感器灵敏度温度补偿补偿温度上限为最高工作温度，使用弹性模量自补 偿高温电阻应变计也不例外（因其温度自补偿为 100oC）；灵敏度随温度变化的主要原因，常温为E，高温为 E和K，而且分散大，尽管也是系统误差，用常温补 偿方法很难保证补偿精度，必须逐个进行补偿；在常温至最高工作温度范围内，进行多点测量补 偿，一般多以50oC为一个温度间隔，在稳定的额 定载荷下进
97、行测量，直到最高工作温度。 4. 高温称重传感器工艺稳定性问题 4.1影响高温电阻应变计稳定性诸因素 高温电阻应变计的结构、制造工艺和应变传递原理决定了大批量生产的各种产品，不可避免的产生一些工艺缺陷，直接影响高温电阻应变计的长期稳定性和工作可靠性。归纳起来影响稳定性和可靠性的因素主要有：敏感栅箔材及热处理工艺的影响基底、覆盖层和应变胶粘剂的影响残余应力的影响工艺缺陷的影响残余蚀刻液的影响 4.2 电路补偿与调整原材料、元器件的选用 电路补偿与调整所用的原材料、元器件与高温电阻应变计一样，都影响高温稳定性、应遵循下列原则选择：在广泛调研基础上编制高温原材料、元器件优选目录，避免盲目选用而引入档
98、次低或不合格原材料、元器件；对高温原材料、元器件进行综合评价，主要是高温可靠性和生产一致性指标，以保证各项电路补偿与调整指标的稳定性、可靠性，应在试验的基础上决定是否选用；对高温原材料、元器件的生产厂家进行质量认证，必须经权威机构认证合格，并以此作为选点和选用依据；对可靠性有较大影响的关键高温一元器件应进行严格的环境应力筛选。 4.3 电桥及补偿电路的简化设计 提高稳定性、可靠性的重要措施之一，是对电桥及补偿电路进行简化设计。尽量减少补偿电阻、焊线端子、焊线板等元器件的数量，优化制造工艺，避免或减少重复焊接，尽量作到工序作业一次成优。电侨及补偿电路简化设计对于高温称重传感器稳定性、可靠性的主要
99、贡献是：元器件数量减少，使焊点数量也随之减少，从而减少了出现故障的机会；提高了工艺性，便于生产过程质量控制，减少了降低可靠性的因素；容易实现标准化、通用化的高效智能电路补偿与调整工艺，有利于多品种、小批量生产，并能较大限度的减少人为差错。 4.4 工艺可靠性控制 因为工艺方法不当会引入使高温称重传感器稳定性、可靠性下降的系统性因素，埋下故障隐患。工艺可靠性控制的主要途径是：通过对工艺可靠性的研究和试验，优选科学、合理的制造工艺方法。工艺方法和工艺流程一旦选定，就必须维持工艺稳定性，不得随意简化或更改。严格工艺管理和工艺纪律，杜绝违反工艺规程、违反操作规程和检测差错，必须保证工艺兑现率达到100
100、%。在各道工序，提倡自检，关键工序设检验点，严格控制不合格率，最大限度的减少工艺缺陷。 4.5 高温称重传感器的稳定性处理由于生产条件、工艺条件，原材料、元器件等因素，不可避免的总是存在着某些随机的波动，使得生产出来的高温称重传感器可能潜在着某些缺陷和故障隐患。在高温称重传感器生产完成后和出厂前，通常经过筛选的方法剔除不合格产品，但这种筛选只能提高出厂产品中的合格品比例，由于制造工艺并未进行改进，所以不能提高批量生产的产品合格率。根据生产后和出厂前技术性能测试出现的问题，在生产工艺中对原材料、元器件进行环境应力筛选，对出厂前的高温称重传感器增加老化和稳定性处理，使其在生产过程中渡过初始不稳定期
101、，一出厂就进入稳定期。 高温稳定性和可靠性是重要质量指标，主要是 高温灵敏度的稳定性； 高温稳定性同样分为初始不稳定期、稳定期、 疲劳不稳定期； 高温稳定处理工艺：高温循环老化； 高温脉动疲劳； 高温振动时效。 后者因设备昂贵很少采用，在生产实践中多采 用称重传感器带电高温循环老化处理和在高温下进 行循环加载老化处理。 4.6 制造工艺稳定性应注意的问题高温应变胶粘剂 高温应变胶粘剂除具有高粘结性、高绝缘性和蠕变小外，还应特别注意它的热膨胀系数与弹性元件材料的热膨胀系数尽量接近，其热膨胀系数的差值应小于210-6/，防止高温时粘结剂错位、裂开。高温防护面胶 重视防护面胶的作用，在应变计和应变区
102、较大面积上涂一层高温防护面胶，可提高抗温度梯度的能力。 焊锡、引线、电缆线的选择 焊锡熔点280300，使用专用中性助焊剂； 引线最好用卡玛丝，工作温度350，选择不 当直接影响灵敏度和温度漂移； 电缆的绝缘电阻一定要高，最好使用500全玻 璃纤维屏蔽电缆。 高温老化处理 为提高称重传感器的高温稳定性，减少不可逆 热滞后，在后固化工序完成后，对质量检查合格的 半成品，进行第一次250 3个以上循环持续高温老 化处理。 5. 特殊工艺装备 特殊工艺装备是指灵敏度温度补偿和高温稳定处理热源，即辐射加热器。（1）300以下高温称重传感器的热源，其热辐射元件为电阻丝或红外线元件。（2）300以上高温称
103、重传感器的热源，其热辐射元件为： 镍铬丝 熔点1400，最高工作温度1200。其特点是：高温不氧化，寿命长，容易加工成形。 一般多以石英或氧化铝陶瓷棒为支撑绕成螺旋体使用，可通大电流加热。 6. 高温电阻应变计、称重传感器的技术课题加强高温称重传感器共性关键技术的研究，解决产 品设计、高温元器件筛选、科学合理的工艺流程、 质量保证、可靠性考核等问题。根据高温称重传感器制造工艺特点，研发高温电路 补偿与高温稳定性处理工艺装备，提高高温电路补 偿与调整技术和工艺水平。重视高温称重传感器稳定性研究，特别是温度补偿 前的稳定化处理工艺研究，它对减小和稳定电阻应 变计热输出至关重要。高温称重传感器支撑和引入载荷的边界条件分析，及其组件化高温称重模块或测量箱的设计与应用研究。描准高温称重传感器战略前沿技术提出新课题，例如采用陶瓷纤维和碳纤维材料制成敏感栅的新型电阻应变计，其敏感栅的相变温度远远高于金属材料，且电性能好，抗氧化能力强。加强对溅射式高温电阻应变计结构设计和制造工艺的应用研究，尽快应用于高温称重传感器，提高准确度、稳定性和可靠性。
