应变式称重传感器技术的现状和发展趋势样稿

应变式称重传感器技术现实状况和发展趋势

一、应变式称重传感器发展和技术创新

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，以她们名字字头和各有二位助手命名为SR-4型，由美国BLH企业专利生产。为研制应变式负荷传感器奠定了理论和物质基础。

1940年美国BLH企业和Revere企业总工程师A.Thurston（瑟斯顿）利用SR一4型电阻应变计研制出圆柱结构应变式负荷传感器，用于工程测力和称重计量，成为应变式负荷传感器创始者。1942年在美国应变式负荷传感器已经大量生产，至今已经有60多年历史。

前30多年，是利用正应力（拉伸、压缩、弯曲应力）柱、筒、环、梁式结构负荷传感器一统天下。在此时期内，英国学者杰克逊研制出金属箔式电阻应变计，为负荷传感器提供了较理想转换元件，并发明了用热固胶粘贴电阻应变计新工艺。美国BLH企业和Revere企业经过多年实践发明了负荷传感器电路赔偿和调整工艺，提升了负荷传感器正确度和稳定性，使正确度由40年代百分之几量级提升到70年代初0.05量级。但在应用过程中出现问题也很突出，关键是：加力点改变会引发比较大灵敏度改变；同时进行拉、压循环加载时灵敏度偏差大；抗偏心和侧向载荷能力差；不能进行小载荷测量。上述缺点严重制约了负荷传感器发展。

器两项重大变革；90年代在结构设计和制造工艺中不停纳入高新技术迎接新挑战，加速了称重传感器技术发展。

1973年美国学者霍格斯特姆为克服正应力负荷传感器固有缺点，提出不利用正应力，而利用和弯矩无关切应力设计负荷传感器理论，并设计出圆截工字形截面悬臂剪切梁型负荷传感器。打破了正应力负荷传感器一统天下，形成了新发展时尚。这是负荷传感器结构设计重大突破。

1974年前后美国学者斯坦因和德国学者埃多姆分别提出建立弹性体较为复杂力学模型，利用有限单元计算方法，分析弹性体强度、刚度，应力场和位移场，求得最好化设计。为利用现代分析手段和计算方法设计和计算负荷传感器开辟了新路径。

70年代初中期，美、日等国衡器制造企业开始研发商业用电子计价秤，急需小量程负荷传感器。传统正应力和新研制切应力负荷传感器全部不能实现几千克至几十千克量程范围内测量。美国学者查特斯提出用低弹性模量铝合金做弹性体，采取多梁结构处理灵敏度和刚度这对矛盾。设计出小量程铝合金平行梁型负荷传感器，
同时指出平行梁负荷传感器是基于不变弯矩原理，使利用平行梁表面弯曲应力正应力结构，含有切应力负荷传感器特点，为平行梁结构负荷传感器设计和计算奠定了理论基础，形成了又一个发展时尚。

蠕变是电阻应变计和铝合金负荷传感器常常碰到和必需处理关键问题。1978年前苏联学者科洛考娃经过对一维力学模型和应变传输系数分析，提出控制电阻应变计敏感栅栅头宽度和栅丝宽度百分比，能够制造出不一样蠕变值电阻应变计理论，并成功研制出系列蠕变赔偿电阻应变计。对低容量铝合金负荷传感器减小蠕变误差，提升正确度起到至关关键作用，使电子计价秤用铝合金负荷传感器多品种、大批量生产成为可能。

因为电子称重技术快速发展，负荷传感器性能评定方法，已不能满足采取阶梯公差带评定正确度等级电子衡器需要，急需和电子衡器正确度评定方法相适应计量规程。80年代初，国际法制计量组织（OIML）质量测量指导秘书处决定将用于电子称重传感器和用于测力传 经过OIML组员感器根本分离，由美国负责第8汇报秘书处起草《称重传感器计量规程》。

国书面表决后，在1984年10月第7届法制计量大会上正式同意，并于1985年以OIML，R60国际提议颁布，下发到各组员国。现在各国正在实施是R60。能够说R60《称重传感器计量规程》是各国称重传感器进入国际市场“通行证”。

伴随数字技术和信息技术发展，各行业对数字化电子衡器需求愈来愈多，提出用数字称重系统突破模拟称重系统不足要求，对此模拟式称重传感器就为力了。因为在此之前，称重传感器研究全部集中在硬件方面，比如：创新弹性体结构，改善制造工艺，完善电路赔偿和调整等。模拟式称重传感器输出信号小，抗干扰能力差，传输距离短，称重显示控制仪

和CARDINAL企业，德国HBM企业等前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，成为数字化电子衡器和自动称重计量和控制系统必选产品，形成一个开发烧点。

90年代，因为称重传感器设计和计算等基础技术趋于成熟，称重传感器发展侧重于工艺研究和应用研究，在产品标准化、系列化、工程化设计和规模化生产工艺等方面全部有很大进步，关键是：

应用技术研究也有突破性进展：在传统称重模块基础上，研制出新式称重模块。这是应用新技术面对新挑战经典产品。其特点是组件化设计，含有“即插即用”功效，可降低因为偏重、热效应影响，偶然超载等引发称重误差，并可承受因为振动、冲击、搅拌或其它外力引发偏重。总而言之，70年代两项技术突破，80年代两个重大变革，90年代纳入高新技术面对新挑战研发理念，极大地促进了称重传感器技术发展。

二、国外称重传感器技术现实状况及快速发展原因

工业和商业电子秤用称重传感器技术和制造工艺，美、德等工业发达国家著名制造企业处于国际市场引导者领先地位，中国含有一定规模称重传感器制造企业处于市场挑战者或市场追随者地位。家用电子秤用称重传感器研发和生产中心在中国，在深圳，制造技术、工艺水平、产品质量和年产量逐年提升。

当今国际市场称重传感器技术竞争，集中表现在产品正确度、稳定性和可靠性竞争；制造技术和制造工艺竞争；应用高新技术研发新产品和自主知识产权产品竞争。各称重传感器制造企业全部在努力培植自己关键竞争技术和打造关键竞争产品。

从近几年国际衡器工业展览会上展出产品和对多家处于市场引导者地位企业产品分析能

够得出这些企业共同追求是：弹性体材质更精良；电阻应变计、赔偿元器件技术要求和环境

应力筛选更严格；制造工艺更精细；电路赔偿工艺更完善；外观质量更完美。

称重传感器正确度、稳定性和可靠性是关键质量指标，同时也是用户最关心问题。对此，

这些企业在结构设计、制造工艺、电路赔偿和调整和稳定性处理等方面进行很多研究和试验

工作，取得较大进展，关键结果有：

（1）在结构设计和计算过程中，引入计算机拟实技术进行动态仿真，动力学分析；在工

艺设计过程中引入计算机虚拟技术，对弹性体生产工艺进行模拟和检验；

（2）在弹性体加工中，纳入优异制造技术，变刚性制造为柔性制造。普遍采取加工中心、

柔性制造单元和柔性制造系统；

（3）在生产全过程中，尽可能降低手工操作、人为控制，增加半自动和自动控制、自动

检验工序，并在生产工艺中采取计算机网络技术；

（4）改善、创新工艺装备，实现高效智能电路赔偿，建立全自动快速检测系统，提升C3

级产品成功率和大批量生产产品抽检合格率；

（5）移植优异稳定处理技术和装备，实施振动时效或共振时效新工艺，提升称重传感器

长久稳定性和工作可靠性；

（6）应用高新技术开发新产品和自主知识产权产品，增强关键竞争力。处于国际市场引

导地位企业全部有自己关键竞争技术、工艺和产品，比如：正负蠕变电桥“O蠕变”称重传感

器；铍青铜动态称重传感器；整体型和分离型数字式智能称重传感器；高正确度不锈钢3

柱、4柱高温称重传感器；组件化设计“即插即用”型新式称重模块等。

国外称重传感器技术发展特点及快速发展原因：

（1）重视基础技术、基础工艺和共性关键技术研究，作到基础研究和预先研究并行；共

性关键技术研究和应用技术研究并行；经典产品开发和产品工程化并行。确保基础技术和基

础工艺（电阻应变计、应变粘结剂、赔偿元器件、防护和密封材料等）一直处于世界领先地位。

（2）重视基础设施建设和制造技术、制造工艺研究和应用。配置优良工艺装备和检测仪器，尤其是智能化工艺设备，作到工艺装备最优异；

（3）描准世界称重传感器技术发展时尚和战略前沿，确定研究课题和产品开发方向。重视新产品和自主知识产权产品开发，增强关键竞争力。其技术创新和新产品开发标准是：含有较高技术先导性，工艺优异性，市场扩散性，效益增殖性。使技术和工艺一直处于世界领先地位。

（4）重视称重传感器可靠性设计、控制和管理，严格设计符合性控制和工艺可靠性控制，努力使工艺兑现率达成百分之百。

（5）重视市场竞争，加强市场调查和分析，快速响应市场。二十一世纪市场竞争，是以市场响应速度为焦点，以改善和创新产品为基础。

（6）重视相关法规和规程学习，全方面了解并认真实施，确保生产每一个产品全部符合要求。

正因为如此，国外称重传感器品种繁多，规格齐全，合金钢、铝合金、不锈钢、铍青铜制品应有尽有；水下、钻井下测量，耐压防爆、抗辐射、耐腐蚀产品；微小和超大量程；多称量和动态称量；集成化和模块化结构任用户选购。并作到产品内在和外观质量并重，近几年外观质量改善和提升十分显著，基础没有喷漆产品，几乎全部是亮光或亚光化学镀镍、镀铬，烤漆，喷塑，瓷质阳极化和不锈钢产品。部分产品外形已融入人性化设计。

现在研发烧点是：

三、中国称重传感器技术现实状况及关键差距

尽管中国航空、航天工业部门早在20世纪50年代末期就开始研究应用应变式负荷传感器，但并未向民用发展。就全国而言，负荷传感器研制和生产起步较晚，60年代只有多个厂家生产一般精度等级应变式测力传感器。结构单一，只有圆柱、圆环两种结构，基础不进行电路赔偿和调整，有产品甚至用外部平衡箱调整零点。

80年代初，全国有20余个企业用资一亿元人民币，用汇1300万美元，从美、日等国引进应变式负荷传感器制造技术和工艺装备，进行学习、消化、吸收。经过仿制和试生产后，开始多品种小批量生产，推向市场后，取得相当可观效益。当初大家对此产品总结是：多品种、小批量、低成本、高收益、投资少、见效快。引发不少行业个人和企业关注，纷纷进入此行业，生产厂家从70年代20多个快速增加到100多个，年产量和日本相当，达成100多万只。

伴随国民经济发展，各行业对电子衡器需求不停增加，极大促进了称重传感器技术发展。80年代中期到90年代中期，是中国称重传感器技术稳步发展，品种和规格快速增加，产品质量不停提升十年。不少厂家全部改善或增加工艺装备、检测仪表，购置智能温度赔偿装置和灵敏度温度赔偿设备，实现了规模化生产。90年代中期称重传感器生产企业增加到160多个，年产量200多万只。除满足中国市场需求外，十余个企业开始小批量出口，展现出很好发展势头。

尽管称重传感器是国家强制管理法制计量器具，应该比较难进入此行业，但因为种种原因导至部分企业和个人很轻易进入，造成市场拥挤，加剧了市场竞争。最终在90年代中期爆发了价格大战，谁价格低，谁就是大赢家，而且逐年升级越演越烈，已经到了走火入魔程度。价格大战恶果是技术进步缓慢，工艺水平下降，质量问题严重，管理监督失控。最初受害者是广大用户，最终受害者是企业自己，是整个称重传感器行业。带着这些问题进入二十 近几年国家监督抽查结一世纪，称重传感器和工业发达国家差距非但未缩小，反而加大了。

果就是例证。

国家监督抽查7省市，16个企业，共48只称重传感器，合格18只，合格率37.5%。30

只不合格产品来自10个企业，不合格原因全部是温度性能超差。更为严重是在16个企业中，

只有一个企业严格实施国家标准。假如变抽查为全方面检验，合格率会更低。国家监督抽查

结果真实反应了中国称重传感器总体技术、工艺和管理水平。合格率低关键原因是：质量意

识差，不依法组织生产；对R60国际提议和国家标准不了解、不实施，错误把0.02级和C3

级等同起来；在利益驱使下改材料、换元件、减工艺，只求勉强合格或人为合格。

中国称重传感器和工业发达国家处于市场引导地位企业产品关键差距是：

坊手艺”痕迹较深，人为原因对产品质量影响较大；

际市场融合。

总而言之，制造工艺差距最大，通常将制造工艺分为：

其中基础工艺和特殊工艺差距最大。

家用电子秤（人体秤、健康秤、脂肪秤、厨房秤、营养秤、珍宝秤、口袋秤和手提秤等）

用称重传感器及其电阻应变计，90年代中期以来，其研发和生产由世界各国逐步移向中国，

关键在广东、在深圳。近些年来在设计技术、制造工艺和产品产量上全部取得了令人震惊飞速发展。生产企业有三种类型：其一设计、生产、组装多种家用电子秤；其二为家用电子秤生产厂配套生产多种称重传感器（或自己生产电阻应变计，或外购电阻应变计）；其三只生产家用电子秤称重传感器用电阻应变计。现在这三种类型生产厂家已达60多个。据国家海关统计家用电子秤出口量3860多万台，出口值1.47亿美元，并以每十二个月30％速度增加。当初估计家用电子秤出口量5000多万台，出口值2亿多美元。以此出口量计算，共生产家用电子秤称重传感器共1.2亿只，和其配套电阻应变计（以单轴片计算）约4.8亿片。

经过多年研究和生产实践，处理了称重传感器量程小、弹性体小、电阻应变计敏感栅尺寸小等制造工艺上难题。因为家用电子秤称重传感器正确度为一般等级，不进行电路赔偿，必需大批量生产，通常中型以上生产厂日产电阻应变计12万片以上，称重传感器3万多只。她们用高质量温度和模量自赔偿电阻应变计很好处理了这一难题，为大批量生产家用电子秤称重传感器发明了条件。

四、多年来称重传感器技术发展动向

国际上关键有两种发展路径：以美国为代表先军工后民用，先提升后普及路径和以日本为代表实用化商品化，先普及后提升路径。中国应属于后者，尽管军工部门研究应用较早，但并未转为民用，快速发展和普及还是在近20年。近几年是关键时期，急需提升中国称重传感器总体技术、工艺和质量水平。

国际称重传感器技术发展动向是，把称重传感器正确度、稳定性和可靠性作为极其关键质量指标，把制造技术和制造工艺作为关键竞争力，紧紧抓住称重传感器特征问题、生产问题和应用问题进行基础研究、工艺研究和应用研究，其研究方向和特点是：

（1）在产品结构设计和制造工艺中，吸收了工程化产品设计中计算机拟实技术和虚拟技术，加紧开发速度，降低开发风险；

（2）在弹性体加工中，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；从简单化经验判定发展到智能化定量分析。普遍采取柔性制造单元和柔性制造系统；

（3）生产工艺已不是传统关念中“作坊手艺”，而是技术和管理相结合一项系统工程。为

适应多品种、大批量生产，确保产品技术性能均一性，生产工艺必需向尽可能降低手工操作、

人为控制，增加半自动化和自动化工序方向发展。比如：采取计算机控制，人机一体化工艺

系统和测试技术网络化信息系统等；

（4）和稳定性和可靠性相关稳定处理工艺在高温处理，低温深冷，脉动疲惫，超载静压

等方法基础上，又研究出振动时效、共振时效新工艺，共振10分钟，可消除绝大部分残余

应力。

在上述设计和制造技术支持下，称重传感器品种和结构又有创新，技术功效和应用范围

不停扩大，关键结果有：

（1）美国Revere企业研制出PUS型含有大气压力赔偿功效拉压两用称重传感器，用于

高正确度检验平台，称重平台，正确度可达5000d；

（2）德国HBM企业研制成功C2A、C16A两种不一样结构1一100t含有“耐压外壳”保

护防爆称重传感器，其防爆性能符合欧洲EN50014和EN50018“d”级标准；

（3）美国斯凯梅企业研制出新一代高正确度不锈钢F60X系列5一5000kg称重传感器，

正确度6000d。用于湿度大，腐蚀性强环境中，而且防水；

（4）德国塞特内尔企业研制出以铍青铜为弹性体材料，快速称重用200型称重传感器。

其特点是线性好，固有频率高，动态响应快。独创油阻尼装置和过载保护装置一体化，确保

称量时速度快，工作寿命长。组装3一30kg电子平台秤，正确度可达4000d；

（5）美国THI企业研制1410型5一30kg铝合金称重传感器，正确度等级优于C3级，

可承受离心力和机械振动，内装特制粘性阻尼器，确保称量时有较快稳定时间，通常低于

50ms；

（6）美国VT一BLH企业开发出新式称重模块，含有合理组件化功效和极高称重效率，

出厂后“即插即用”，可自动调整位置，不受搅拌，偏心和振动影响。

仅以上几例，足以代表了新产品开发方向，表现了技术先导性，工艺优异性。就技术含

量而言，有高正确度（4000d一6000d）称重传感器制造技术；大气压力赔偿技术；用于快

速、动态测量称重传感器粘性阻尼器快速稳定技术；隔爆型耐压外壳设计和制造技术；组件

化新式模块设计技术等。

五、称重传感器技术发展趋势

应变式称重传感器发展趋势，可用“四化”来概括，即设计技术虚拟化，制造技术柔性化，

生产工艺网络化，企业管理信息化。

设计技术虚拟化：包含弹性体结构设计拟实技术和工艺设计虚拟技术。

结构设计拟实技术：是指面向弹性体结构和性能分析技术，包含动态仿真、动力学分析、

强度和刚度有限单元法计算、敏感区应变大小和分布等，以达成优化设计目标。

工艺设计虚拟技术：是指面向弹性体生产过程模拟和试验，检验弹性体可加工性，加工

方法和工艺合理性，确保制造工艺最好化。

设计技术虚拟化关键是有限单元计算和计算机动态仿真。经过仿真软件来模拟真实受载

情况，发觉并立即处理设计和工艺缺点或错误，以确保结构设计和生产工艺合理性。

制造技术柔性化：是指在多品种、大批量生产弹性体加工中，纳入优异制造技术：柔性

制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统。它是计算机技术、信

息技术、自动控制技术等和传统制造技术相结合形成全新制造系统。

生产工艺网络化：是指在生产工艺全过程中，经过通讯线路和设备把各生产工序含有独

立操作和控制功效计算机系统相互连接起来，在网络软件管理下，实现信息搜集、存放和处

理。和传统“作坊手艺”生产工艺相比，大大降低了手工操作，最大程度排除了人为原因对产

品质量影响。

企业管理信息化：是指按计算机处理要求，依据结构化系统分析和设计方法，建立企业

信息系统，实现企业管理全方面现代化。包含CAD、CAM系统，生产管理系统，商务决议

系统和经营管理系统等。

为适应电子称重技术从静态称重向动态称重发展；计量方法从模拟测量向数字测量发展；

测量特点从单参数测量向多参数测量发展，和电子衡器对称重传感器新要求，以下课题将是

以后一个时期研发关键：

分析多年来电子衡器对称重传感器新要求，不难得出小型化，集成化，多功效化和智能

化将是称重传感器关键特点和发展趋势。

弯曲环式结构，其外形尺寸分别为外径120mm和150mm，高度只有50mm和60mm。

集成化：有结构集成和功效集成两种形式。结构集成是指弹性体和秤体合二为一新型结

构，比如：称重板、称重轨、称重钩、称重环等。功效集成是指将重量信息采集、放大、变

换、传输、处理和显示全部集于一体称重传感器，比如：将敏感元件（弹性体）、转换元件（电

阻应变计）、信号处理电路和称重显示控制全部集于一体轮辐式称重传感器，其数字显示位

置就在传统轮辐式称重传感器接线盒处，通常称为轮辐式称重仪。

多功效化：是指称重传感器本身除含有检测重量信息功效外，还能同时检测其它信息。

比如：电子吊秤用称重传感器在检测重量信息同时还可检测加速度信息；汽车检测平台用称

重传感器，可同时检测垂直方向重量信息和水平方向侧向载荷，即多分力测量。

智能化：是因为模拟式称重传感器输出信号小，抗干扰能力差，传输距离短，称重显示

控制仪复杂，组秤调试周期长，根本不适应数字式智能电子衡器发展。称重传感器智能化就

是研制新型数字式智能称重传感器。有两种结构：整体型一一在称重传感器内部增加放大、

滤波、A/D转换器、微处理器、温度传感器等数字处理电路，利用数字赔偿技术和工艺实现

各项赔偿。分离型一--将整体型数字式智能称重传感器内数字电路置于外部接线盒内，称为

数字模盒。将一般模拟式称重传感器接入数字模盒，就可变模拟输出为数字输出，通常将其

称为分离型数字称重传感器系统。

数字式智能称重传感器含有以下特点：

把凡含有一个或多个敏感功效，能够完成信号探测和处理、逻辑判定、双向通讯、自检、自

校、自赔偿、自诊疗和计算等全部或部分功效器件叫做智能传感器。它能够是集成，也能够

是分离件组装。数字式智能称重传感器完全符合此定义。以后一个时期，智能化数字赔偿技

术和工艺还需深入完善和提升。

最终期望中国称重传感器行业，立即结束疯狂价格大战，实施“质量竞争战略”和二十一

世纪“创新竞争战略”，以制造技术和制造工艺为突破口，快速提升中国称重传感器总体质量

水平和信誉度，培养叫得响，用得好，站得住名牌产品，立即融入国际市场，参与国际竞争。