本文介紹了近些年來國內(nèi)外地磅稱重傳感器設(shè)計與制造技術(shù)及其相關(guān)的電阻應(yīng) 變計、防護與密封等技術(shù)發(fā)展概況。重點介紹了技術(shù)研究的方向與課題以及納入的新技術(shù)、 新工藝，研發(fā)的新產(chǎn)品。在分析這些新技術(shù)、新工藝、新產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國地磅稱重傳感 器設(shè)計與制造技術(shù)的差距，提出我國地磅稱重傳感器技術(shù)攻關(guān)方向與內(nèi)容。

一?概述

稱重傳感器是知識密集、技術(shù)密集和技巧密 集型的高技術(shù)產(chǎn)品。研制和生產(chǎn)所涉及的內(nèi)容多、 離散大，技術(shù)密集程度高，邊緣學(xué)科色彩濃，是 多種學(xué)科相互交叉、相互滲透的結(jié)晶。批量生產(chǎn) 稱重傳感器對工藝裝備和檢測手段要求較高，制 造工藝比較復(fù)雜，是支持工藝、基礎(chǔ)工藝、核心 工藝、特殊工藝的科學(xué)運用和集成。

電子稱重技術(shù)的快速發(fā)展，電子衡器產(chǎn)品的 新需求，對稱重傳感器的研制和生產(chǎn)提出了新的 更加嚴(yán)格的要求，主要是與稱重系統(tǒng)的匹配性， 即除與后接儀器或計算機組成的稱重系統(tǒng)的輸入、 輸出匹配外，還要求品種多、規(guī)格全，適用于各 種地磅產(chǎn)品；防止震動、沖擊影響的機械特 性;靜態(tài)、動態(tài)和環(huán)境特性都十分優(yōu)良的工作特 性;特別是要有較長的無故障工作時間的可靠壽 命。這都要求稱重傳感器的研制與生產(chǎn)企業(yè)，必 須應(yīng)用新技術(shù)、新工藝努力提高稱重傳感器的可 匹配性、機械特性、工作特性、長期穩(wěn)定性和工 作可靠性，迎接電子稱重技術(shù)和地磅產(chǎn)品的 新挑戰(zhàn)。只有在稱重傳感器的研制和批量生產(chǎn)中 納入新技術(shù)、新工藝，研發(fā)新產(chǎn)品和自主知識產(chǎn) 權(quán)產(chǎn)品，才能提高企業(yè)的核心競爭力，在以創(chuàng)新 競爭戰(zhàn)略為主導(dǎo)的國內(nèi)外市場競爭中立于不敗之 地。

二、電阻應(yīng)變計的新技術(shù)與新工藝

電阻應(yīng)變計是應(yīng)變式稱重傳感器的核心器件， 其敏感柵結(jié)構(gòu)與應(yīng)變電阻合金材料，基底、覆蓋 層材料與厚度，制造工藝的科學(xué)性與合理性，熱 輸出、機械滯后、蠕變、漂移、靈敏系數(shù)穩(wěn)定性 等工作特性，直接影響應(yīng)變式稱重傳感器的準(zhǔn)確 度、穩(wěn)定性和可靠性。國內(nèi)外許多企業(yè)都把電阻應(yīng)變計的生產(chǎn)列入應(yīng)變式稱重傳感器的基礎(chǔ)工藝， 穩(wěn)定批量生產(chǎn)質(zhì)量都是從電阻應(yīng)變計這一源頭抓 起，或建立與稱重傳感器產(chǎn)品配套的電阻應(yīng)變計 生產(chǎn)部門，或經(jīng)過嚴(yán)格考察確定長期供貨的電阻 應(yīng)變計生產(chǎn)企業(yè)。20世紀(jì)90年代以來，以美國 HPM公司、V — MM公司為代表的應(yīng)變電阻合金箔 材軋制企業(yè)，以美國V — MM、BLH公司，德國 HBM公司為代表的電阻應(yīng)變計設(shè)計與制造企業(yè)和 我國北京紫微浩陽科技有限公司等電阻應(yīng)變計生 產(chǎn)設(shè)備制造企業(yè)，在應(yīng)變電阻合金研究、箔材乳 制與熱處理、電阻應(yīng)變計設(shè)計技術(shù)與制造工藝、 關(guān)鍵工藝裝備的研制與應(yīng)用上都取得一些突破性 進展，其新技術(shù)與新工藝成果如下：

1.采用三維有限單元方法設(shè)計電阻應(yīng)變計

處于國際市場引導(dǎo)地位的企業(yè)普遍采用二維 和三維有限單元法，建立相應(yīng)的力學(xué)模型，分析 電阻應(yīng)變計的應(yīng)變傳遞系數(shù)，提出敏感柵結(jié)構(gòu)設(shè) 計原則。美國V — MM公司建立三維有限單元六面 體力學(xué)模型，取一萬多個節(jié)點，在大容量電子計 算機上進行計算，其目的是研究電阻應(yīng)變計結(jié)構(gòu)， 解決敏感柵結(jié)構(gòu)的力學(xué)效應(yīng)，覆蓋層的力學(xué)效果， 基底、敏感柵、覆蓋層厚度對機械滯后的影響， 敏感柵結(jié)構(gòu)與蠕變自補償問題。保證電阻應(yīng)變計 敏感柵的結(jié)構(gòu)形狀、幾何尺寸、基底與覆蓋層厚 度最合理。

2.在學(xué)術(shù)領(lǐng)域形成了應(yīng)變電阻合金學(xué)術(shù)分科

進行應(yīng)變電阻合金材料、力學(xué)與電學(xué)性能測

試、箔材軋制與熱處理工藝研究。主要任務(wù)是研 制滿足各種類型電阻應(yīng)變計工作特性要求的應(yīng)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(yīng)變計的質(zhì)量。箔材 粗軋工藝中的合金熔煉、電渣重熔應(yīng)保證合金成 份不變，嚴(yán)格鍛造、冷軋、碾壓等工藝要求為精 軋工藝作準(zhǔn)備。箔材精軋工藝是在潔凈度較高的 環(huán)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(tǒng)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?5m m的帶材，厚度變化小于0.00001英寸

(0.25U m。

3.應(yīng)變電阻合金箔材智能真空熱處理設(shè)備

箔材在多次軋制、碾壓過程中，晶格產(chǎn)生位 錯、滑移、空位、破裂等缺陷，其附近的原子處于熱力學(xué)上的不穩(wěn)定狀態(tài)，是電學(xué)性能不穩(wěn)定的 重要原因。因此必須進行穩(wěn)定性處理，即退火處 理，在達(dá)到退火溫度時這些原子吸收熱能產(chǎn)生擴 散，使晶格缺陷遷移和消失，電阻率和電阻溫度 系數(shù)趨于穩(wěn)定。

智能真空熱處理爐，能在極高的真空條件下， 精確的按照設(shè)定的熱處理工藝曲線，對應(yīng)變電阻 合金箔材進行熱處理，并采用正壓氫氣體保護技 術(shù)，保證金屬箔材不被氧化和化學(xué)成分不變，在 此前提下調(diào)整其熱輸出性能。

4.超薄應(yīng)變電阻合金箔材

為研制大阻值、低功耗電阻應(yīng)變計，美國 V-MM公司研究軋制出0.00006?0.00008英寸 (1.5?2^ m厚的應(yīng)變電阻合金箔材。

5.漫射光光刻技術(shù)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(zhǔn)確，真空吸附式曝光， 箔材與光刻板接觸緊密。

6.離子束投影光刻技術(shù)dPD與光刻裝備 被稱為新一代光刻技術(shù)，其光刻工藝為： 離子源—離子束—掩膜片—靜電透鏡系統(tǒng)—參考平面—步進掃描承片臺。

特點：分辯率高，能達(dá)到50nm的特征尺寸; 光線均勻，爆光快速、準(zhǔn)確。

7.精密刮膠工藝與裝備

刮膠棒間隙可調(diào)，傳送臺采用高精度伺服電 機，控制性能極佳，膠膜均勻，厚度偏差小。

8.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(jiān)控加速度、勻膠速度、減速 度，可獲得較高的膠膜均勻性。

9.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(jié)構(gòu)，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(tài)配合，有效的控制每版應(yīng)變計電阻值的誤差。

10.采用帶基底的箔材制造電阻應(yīng)變計 在專用的加壓加溫設(shè)備上，將熱處理后清洗干凈的箔材，與已制成20?25U m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(yīng)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(yīng)變計的均一性和穩(wěn)定性。

11.圖形識別蝕刻質(zhì)量檢查系統(tǒng)

電子計算機控制圖形識別蝕刻質(zhì)量檢查系統(tǒng)， 檢查嚴(yán)格、科學(xué)、合理，應(yīng)變計合格率只有60% 左右，電阻應(yīng)變計質(zhì)量控制嚴(yán)格，工作特性均一 性好特別適合用于稱重傳感器。

12.新型全密封覆蓋層技術(shù)與工藝

敏感柵與端頭焊點全覆蓋，通過電火花加工 裸露出焊點，為真正的全密封型電阻應(yīng)變計，排 除了只密封電阻應(yīng)變計敏感柵絲的半密封狀態(tài)的 固有缺陷。

13.電阻應(yīng)變計智能調(diào)阻新工藝

①智能電化學(xué)調(diào)阻工藝

智能電化學(xué)調(diào)阻是利用金屬在電解液中受到 電化學(xué)陽極溶解使其尺寸改變的原理，對細(xì)腐蝕 后的電阻應(yīng)變計，通過耐腐蝕材料制成的陰極和 它噴射出的電解液，逐片對敏感柵進行電解加工 調(diào)整電阻值。在調(diào)阻時工作陰極和敏感柵表面互 不接觸，敏感柵表面無變形層不產(chǎn)生殘余應(yīng)力。 整個調(diào)阻過程采用了 PC操作系統(tǒng)控制，自動進 行，調(diào)阻精度和效率高、阻值分散和溫度系數(shù)小、 穩(wěn)定性好。我國已研制出智能電化學(xué)調(diào)阻裝備。

(2)智能光化學(xué)調(diào)阻工藝 智能光化學(xué)調(diào)阻是近年來工藝研究的新成果。 對細(xì)蝕刻后的整版電阻應(yīng)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， 蝕刻液只有在光束照射下才能發(fā)揮蝕刻作用，進 行光化學(xué)調(diào)阻，直到自動測量系統(tǒng)發(fā)出電阻值達(dá) 到標(biāo)準(zhǔn)時為止。不產(chǎn)生予應(yīng)力和溫度特性變差， 電阻標(biāo)稱值精度高，阻值分散度小，溫度系數(shù)小， 穩(wěn)定性好，特別適合作高準(zhǔn)確度的稱重傳感器。 德國已研制出智能光化學(xué)調(diào)阻裝備。

14.激光自動剪片工藝

激光自動剪片效率高，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(zhǔn)。 我國已研制出智能激光自動剪片設(shè)備。

15.應(yīng)變計自動性能檢測與靈敏系數(shù)測定裝備 主要是標(biāo)準(zhǔn)梁自動加載和檢測系統(tǒng)，即通過多路自動掃描測量儀及電子計算機控制與數(shù)據(jù)處 理系統(tǒng)。

16.靈敏系數(shù)溫度自補償電阻應(yīng)變計

美國V-MM公司利用卡瑪合金，開發(fā)出 EMC (有效模量補償）系列電阻應(yīng)變計，將它與 彈性元件材料適當(dāng)匹配，就可以實現(xiàn)靈敏系數(shù)的 溫度自補償。在很多情況下這種補償效果可優(yōu) 于± 0.0014%/°C。根據(jù)不同彈性元件材料EMC系 列電阻應(yīng)變計有4種類型：

M1靈敏系數(shù)隨溫度變化-2.70%/100°C用于不 銹鋼；

M2靈敏系數(shù)隨溫度變化-4.23 %/100°C用于鋁 合金；

M3靈敏系數(shù)隨溫度變化-2.25%/100°C用于工 具鋼；

M4靈敏系數(shù)隨溫度變化-2.43%/100°C適用于 和之間的“中間區(qū)域”（不銹鋼與工具鋼之一 的補償。

尚未解決問題：目前國內(nèi)外對電阻應(yīng)變計的 力學(xué)、電學(xué)性能都有專業(yè)或國家標(biāo)準(zhǔn)，但對于電 阻應(yīng)變計的幾何形狀、基底、覆蓋層、引出線等 質(zhì)量評定，尚沒有明確的規(guī)定，這是用戶與生產(chǎn) 企業(yè)出現(xiàn)分歧的主要原因。

三、稱重傳感器的新技術(shù)與新工藝

1.技術(shù)研究方向和特點

近些年來，應(yīng)變式稱重傳感器技術(shù)研究的方 向之一是把準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性和可靠性作為極其重 要的質(zhì)量指標(biāo)，以制造技術(shù)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(chǎn)問 題和應(yīng)用問題進行基礎(chǔ)研究、工藝研究和應(yīng)用研 究，其研究方向和特點是：

(1）在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造工藝中，吸取了 工程化產(chǎn)品設(shè)計中的計算機擬實技術(shù)和虛擬技術(shù)， 加快開發(fā)速度，減少開發(fā)風(fēng)險。

（2）在彈性元件加工中，從單元加工技術(shù)發(fā) 展到集成化加工技術(shù)；從剛性制造發(fā)展到柔性制 造；從簡單化經(jīng)驗判斷發(fā)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(tǒng)。

（3）生產(chǎn)工藝已不是傳統(tǒng)關(guān)念中的“作坊手 藝”，而是技術(shù)與管理相結(jié)合的一項系統(tǒng)工程。為 適應(yīng)多品種、大批量生產(chǎn)，保證產(chǎn)品技術(shù)性能的 均一性，生產(chǎn)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(fā)展， 例如：采用計算機控制，人機一體化工藝系統(tǒng)和 測試技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化信息系統(tǒng)等。

(4）與穩(wěn)定性和可靠性有關(guān)的穩(wěn)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(chǔ)上，又研究出振動時效、共振時效新工藝。

2.重視彈性元件應(yīng)變程度的影響

提高彈性兀件應(yīng)變的穩(wěn)定性是提高稱重傳感 器整體穩(wěn)定性的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。因此，彈性元件材 料不僅是結(jié)構(gòu)材料而且是功能材料。

在產(chǎn)生應(yīng)變的彈性元件材料所要求的各種性 能中，最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、減小滯后和蠕變最有 效的方法，就是把彈性元件應(yīng)變區(qū)的應(yīng)變程度限 制在一個較低的范圍內(nèi)，一般高準(zhǔn)確度的稱重傳 感器的應(yīng)變程度都較低，其最大應(yīng)力僅為材料彈 性極限的1/4?1/3范圍內(nèi)。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(yīng)變 區(qū)應(yīng)變程度減至最小而獲得改進，較低的應(yīng)力、 應(yīng)變意味著對理想線性彈性性能的偏差最小，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(xiàn)一定程度的非線性影響，彈性元件應(yīng)變區(qū)應(yīng)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 誤差減至最小。

3.加強在制造過程中盡量減少彈性元件殘余 應(yīng)力的研究

彈性元件中的殘余應(yīng)力，主要來自原材料在 軋制或拉制等工藝成形過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力； 在熱處理過程中，由于冷卻溫度不均勻和相變而 產(chǎn)生的殘余應(yīng)力；在機械加工過程中，因切削力 作用而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。后者在彈性元件表面形 成變質(zhì)層，使其組織處于不穩(wěn)定狀態(tài)，隨著時間 的變化內(nèi)應(yīng)力松弛，而導(dǎo)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(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，切削用量越大，表面的 殘余應(yīng)力就越大。因此應(yīng)把消除彈性元件殘余應(yīng) 力研究的重點確定為，在全部生產(chǎn)過程中如何減 少殘余應(yīng)力，其次才是如何消除殘余應(yīng)力。

4.稱重傳感器制造工藝的新發(fā)展

(1）新型電阻應(yīng)變計粘貼技術(shù)與工藝

美國MS公司創(chuàng)造了在高溫下，將半導(dǎo)體電阻應(yīng)變計與無機玻璃熔于小型彈性元件上，制成低 成本新型稱重傳感器。這種無機玻璃粘貼電阻應(yīng) 變計的新技術(shù)與新工藝，消除了傳統(tǒng)的用環(huán)氧樹 脂或酚醛環(huán)氧樹脂粘貼電阻應(yīng)變計所帶來的不穩(wěn) 定性，極大的提高了稱重傳感器的長期穩(wěn)定性和 工作可靠性。其特點是結(jié)構(gòu)緊湊、體積小重量輕; 固有頻率高，動態(tài)響應(yīng)快；低量程分辨率高；已 經(jīng)過一千萬周期以上的測試，其壽命基本是無限 的。目前量程較小只有680g?1t，有無放大和放 大輸出兩種產(chǎn)品。

(2）防護與密封材料的改進與創(chuàng)新

①聚氨酯類密封膠

具有優(yōu)良的電氣、力學(xué)、工藝性能，良好的 防潮、密封、耐老化、抗霉菌等性能。耐熱可達(dá) 150℃。

②柔性聚酰亞胺密封膠

具有非常好的高低溫性能，可耐260°C高溫， 低溫-46°C也柔軟，對鋁、鈦合金有高粘結(jié)性。

③高度防潮耐水密封膠

將鹵素引入高聚物中或用桂氧鍵肷入高聚物 中，都可達(dá)到提高抗水耐濕的目的。國外已采用 含氟聚酰亞胺、含氟環(huán)氧樹脂、含氟丙烯酸脂， 硅氧/亞酰胺共聚物、苯基有機硅和硅化苯乙烯為 基礎(chǔ)材料制作密封膠。

(3)電阻應(yīng)變計輔助與自動粘貼系統(tǒng)

梅特勒一托利多中國公司已在稱重傳感器生 產(chǎn)線上采用電阻應(yīng)變計自動粘貼系統(tǒng)，寧波柯力 公司正在研制自動貼片系統(tǒng)。

目前國內(nèi)應(yīng)用較多的是北京紫微浩陽科技有 限公司開發(fā)的電阻應(yīng)變計輔助粘貼系統(tǒng)。該粘貼 電阻應(yīng)變計輔助系統(tǒng)，是在分析粘貼電阻應(yīng)變計 傳統(tǒng)工藝優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，為保證電阻應(yīng)變計定位 準(zhǔn)確度和各彈性元件粘貼位置的一致性，提高粘貼 效率進行的半自動化改造。系統(tǒng)采用了高清晰液晶 視頻圖像技術(shù)，可根據(jù)彈性元件結(jié)構(gòu)、外形尺寸、 電阻應(yīng)變計定位尺寸，自主放大粘貼區(qū)域，提供了 清晰適合貼片放大倍數(shù)的動態(tài)視頻圖像。只要將放 大的電阻應(yīng)變計定位標(biāo)記，對準(zhǔn)視頻顯示的彈性元 件上的定位叉絲，就是正確的貼片位置。消除了用 目測對位、定位造成的誤差，提高了電阻應(yīng)變計定 位準(zhǔn)確度和粘貼位置的一致性。

粘貼電阻應(yīng)變計的輔助系統(tǒng)，采用了 PC操作系統(tǒng)控制，軟件功能強大，操作方便，界面直觀 實用。主視頻區(qū)主要提供實時彈性元件粘貼區(qū)域 視頻的預(yù)覽，采用軟件定位叉絲替代在彈性元件 上劃線，消除了對彈性元件表面因劃線帶來的物 理傷害。粘貼電阻應(yīng)變計的輔助系統(tǒng)操作簡便可 靠，手腦視野合一，極大程度的降低了電阻應(yīng)變 計粘貼難度，同時還可以根據(jù)相關(guān)產(chǎn)品生產(chǎn)日期， 查詢和回顧當(dāng)時電阻應(yīng)變計粘貼情況的歷史記錄 圖像，便于查找和分析問題。

5.稱重傳感器的新結(jié)構(gòu)與新功能 在新技術(shù)與新工藝支持下，稱重傳感器的品 種和結(jié)構(gòu)又有創(chuàng)新，技術(shù)功能和應(yīng)用范圍不斷擴 大，主要成果有：

(1)美國Revere公司研制出PUS型的具有 大氣壓力補償功能的拉壓兩用稱重傳感器，用于 高準(zhǔn)確度檢驗平臺、稱重平臺，準(zhǔn)確度可達(dá) 5000d；

(2）德國HBM公司研制成功C2A、C16A兩種不同結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)；

(3)美國斯凱梅公司研制出新一代高準(zhǔn)確度不 銹鋼F60X系列5?5000kg稱重傳感器，準(zhǔn)確度 6000d。用于濕度大，腐蝕性強的環(huán)境中，而且防水；

(4）德國塞特內(nèi)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(tài)響應(yīng)快。獨創(chuàng)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(zhǔn)確度可達(dá)4000d；

(5）美國THI公司研制的1410型5?30kg 鋁合金稱重傳感器，準(zhǔn)確度等級優(yōu)于C3級，可承 受離心力和機械振動，內(nèi)裝特制的粘性阻尼器， 保證稱量時有較快的穩(wěn)定時間，一般低于50ms；

(6)美國V—BLH公司開發(fā)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(diào)節(jié)位置，不受攪 拌、偏心和振動影響。

以上幾例，足以體現(xiàn)了稱重傳感器制造企業(yè) 用新技術(shù)迎接新挑戰(zhàn)的發(fā)展理念和新產(chǎn)品的技術(shù) 先導(dǎo)性、工藝先進性的開發(fā)方向。就技術(shù)含量而 言，有高準(zhǔn)確度（4000d?6000d稱重傳感器制 造技術(shù)；大氣壓力補償技術(shù)；用于快速、動態(tài)測 量稱重傳感器的粘性阻尼器的快速穩(wěn)定技術(shù)；隔 爆型耐壓外殼的設(shè)計與制造技術(shù)；組件化新式稱 重模塊的設(shè)計與應(yīng)用技術(shù)等。

四、值得關(guān)注的幾種新型稱重傳感器

1.集成化稱重傳感器

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：信 號處理電路和稱重顯示控制都集于一體的輪輻式 稱重傳感器。

2.多分量稱重傳感器

目前多為測量垂直和水平載荷兩個分量，例 如汽車檢測線用的稱重板，其結(jié)構(gòu)原理是在稱重 板上加工出同時感受垂直載荷和水平載荷的彈性 元件，相當(dāng)于互不影響的兩個獨立的稱重傳感器。

3.碳纖維稱重傳感器

碳纖維稱重傳感器利用的是碳纖維復(fù)合材料， 在外載荷作用下電阻值增大的特性。日本學(xué)者柳 田博明研制的碳纖維復(fù)合功能材料，以乙烯樹脂 為基體，含0.3%?0.6%的碳纖維和31.6%的玻璃 纖維。其特點是：在外載荷作用下，在一定的變 形范圍內(nèi)，其電阻變化與應(yīng)變呈線性關(guān)系。利用 這一特性，日本研制出碳纖維稱重傳感器。

4.Z-元件稱重傳感器

Z-元件是俄羅斯傳感器專家Zotove (佐托夫) 教授于1983年發(fā)現(xiàn)的。它是用N型硅單晶，采用 平面擴散工藝進行A1擴散形成PN結(jié)，然后用特 制溶液在高溫下進行Au的擴散制成硅片，經(jīng)單面 打磨、鍍Ni電極形成歐姆接觸，然后劃片、切 割、焊接引線和封裝制成。過去只有溫敏、光敏 和磁敏乙元件，目前力敏乙元件已有應(yīng)用。其 應(yīng)用特點是：體積極??；反應(yīng)靈敏；工作電壓低， 工作電流小，測量電路簡單；輸出頻率信號，可 直接與計算機連接。是研制新一代數(shù)字稱重傳感 器的理想元件，有可能促成稱重傳感器、稱重儀 表結(jié)構(gòu)和電子稱重控制方式的重大變革。

5.納米稱重傳感器

納米，即10-9m，相當(dāng)10個氫原子緊密排在 一起。納米技術(shù)是在納米空間（0.1?100nn)內(nèi) 研究電子、原子、分子運動規(guī)律及特性，以制造 具有特定功能的材料和器件。 納米材料是納米級 的超細(xì)微粒經(jīng)壓制燒結(jié)而成，其特點是材質(zhì)完全純凈，結(jié)構(gòu)沒有缺陷，具有抗紫外線、紅外線、 電磁干擾等特殊功能。

納米固體材料是指具有一定納米尺寸結(jié)構(gòu)和 特殊性能的塊體材料，它也具有上述優(yōu)異性能， 如合成的TiO2納米晶體陶瓷在室溫下可被彎曲， 塑性變形可達(dá)100%；氮化硅陶瓷在納米狀態(tài)時出 現(xiàn)與極性相聯(lián)系的壓電效應(yīng)。美國學(xué)者利用納米 固體材料在外載荷作用下，其體積變化與載荷成 正比這一特性，研制出納米微型稱重傳感器。

五、稱重傳感器技術(shù)攻關(guān)方向與內(nèi)容

1.稱重傳感器技術(shù)攻關(guān)方向

根據(jù)我國稱重傳感器技術(shù)發(fā)展的總體水平和 與工業(yè)發(fā)達(dá)國家稱重傳感器產(chǎn)品的主要差距，應(yīng) 將技術(shù)攻關(guān)的方向確立為：

（1）共性關(guān)鍵技術(shù)與工藝研究；

(2） 稱重傳感器產(chǎn)品工程化研究；

(3） 穩(wěn)定性與可靠性技術(shù)研究；

(4）新產(chǎn)品和自主知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品的開發(fā);

(5)稱重傳感器應(yīng)用技術(shù)研究。

2.稱重傳感器技術(shù)攻關(guān)內(nèi)容

稱重傳感器的總特性一般可理解為：與稱重 系統(tǒng)的匹配性，即指和后接儀器（或計算抑組 成的稱重系統(tǒng)的輸入、輸出的匹配，例如數(shù)字稱 重系統(tǒng)的通信接口等；機械特性，其目的是便于 運輸和安裝，防止震動、沖擊影響稱重傳感器的 結(jié)構(gòu)和性能；工作特性，可分為靜態(tài)特性、動態(tài) 特性、環(huán)境特性；可靠性，是指稱重傳感器的無 故障工作時間，即可靠壽命。保證上述特性，對 稱重傳感器的設(shè)計技術(shù)、 工藝技術(shù)、 檢測技術(shù)和 原材料、元器件的環(huán)境應(yīng)力篩選等都提出較高的 要求。根據(jù)稱重傳感器攻關(guān)方向，結(jié)合上述要求 和我國稱重傳感器技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，稱重傳感器技 術(shù)攻關(guān)內(nèi)容為：

(1） 共性關(guān)鍵技術(shù)與工藝研究

共性關(guān)鍵技術(shù)與工藝是稱重傳感器技術(shù)的重 要組成部分，是稱重傳感器設(shè)計成果工程化和新 產(chǎn)品、自主知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品開發(fā)的基礎(chǔ)，是企業(yè)強 化競爭能力，提高經(jīng)濟效益的重要手段。共性關(guān) 鍵技術(shù)與工藝研究應(yīng)適合稱重傳感器行業(yè)需要和 技術(shù)發(fā)展趨勢，對影響稱重傳感器發(fā)展的設(shè)計技 術(shù)、制造（冷、熱加工）技術(shù)、關(guān)鍵工藝和可靠 性技術(shù)進行研究，是提高我國稱重傳感器研究開 發(fā)水平，縮小與工業(yè)發(fā)達(dá)國家同類產(chǎn)品差距的有 效途徑。共性關(guān)鍵技術(shù)與工藝研究的課題主要是：

1)結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算

開展多種稱重傳感器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，較高精 度的非線性應(yīng)力狀態(tài)分析，彈性元件的建模和動 態(tài)仿真技術(shù)，并進行主要制造工藝的計算機模擬， 確保工藝設(shè)計的科學(xué)性、合理性。采用有限單元 等現(xiàn)代應(yīng)力分析手段和建立數(shù)學(xué)模型的方法推算 和定量分析稱重傳感器的誤差。

2） 機械加工與熱處理

主要是確保彈性元件的綜合性能和盡量少產(chǎn) 生殘余應(yīng)力的研究。

3)改善稱重傳感器性能

仔細(xì)研究稱重傳感器的零點溫度漂移、靈敏 度溫度影響、蠕變等性能如何受外界多種環(huán)境條 件作用，以及通過殼體、防護與密封涂層、自然 溫度梯度、電阻應(yīng)變計類型所造成的影響。在測 試與應(yīng)用中，開展力標(biāo)準(zhǔn)機、稱重傳感器及有關(guān) 壓頭、壓墊間至今尚不完全清楚其機理的“寄生 效應(yīng)”的研究。在內(nèi)在機理上發(fā)現(xiàn)較苛刻的指標(biāo) 是與工業(yè)發(fā)達(dá)國家同類產(chǎn)品差距最大的穩(wěn)定性和 可靠性，因此必須重視稱重傳感器的可靠性設(shè)計、 控制和管理，加強對原材料、元器件的環(huán)境應(yīng)力 篩選和穩(wěn)定性處理工藝的研究與應(yīng)用。

4）屏蔽、隔離與干擾抑制技術(shù)研究，從彈性 元件的結(jié)構(gòu)和電橋電路上保證稱重傳感器的性能 波動最小，從而提高稱重傳感器的固有穩(wěn)定性和 可靠性。

5）改進生產(chǎn)工藝

在工藝流程中，增加以計算機為核心的自動 控制工序，并在網(wǎng)絡(luò)軟件管理下形成生產(chǎn)工藝流 程網(wǎng)絡(luò)化。

6）采用濺射型電阻應(yīng)變計的新工藝研究（屬 于超前研究）。近年來隨著薄膜工藝水平的提高， 促進了濺射型電阻應(yīng)變計的迅速發(fā)展，即采用濺 射技術(shù)直接在彈性元件表面形成電阻應(yīng)變計，其 厚度僅為箔式電阻應(yīng)變計的1/10，故又稱薄膜電 阻應(yīng)變計。其特點是精度高，可靠性好，無滯后 和蠕變現(xiàn)象，具有良好的耐熱性和耐沖擊性能， 容易制成高阻值的小型電阻應(yīng)變計?？稍诟邷睾?/span> 特殊用途稱重傳感器上應(yīng)用。

(2）稱重傳感器產(chǎn)品工程化研究產(chǎn)品工程化研究，主要是解決工程化產(chǎn)品的 全型設(shè)計、生產(chǎn)工藝、質(zhì)量保證、穩(wěn)定性與可靠 性考核等規(guī)模生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)與工藝，形成完 整的設(shè)計、制造和質(zhì)量保證體系。作到稱重傳感 器結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝設(shè)計與產(chǎn)品工程化研究相結(jié)合， 達(dá)到優(yōu)選結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定工藝、保證質(zhì)量、降低成本、 提高C3級成品率等目的。建成適度規(guī)模的生產(chǎn) 線，使批量生產(chǎn)的稱重傳感器符合《稱重傳感器》 國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

(3)稱重傳感器的穩(wěn)定性與可靠性技術(shù)研究

1)稱重傳感器的穩(wěn)定性及穩(wěn)定性處理工藝

準(zhǔn)確度、 穩(wěn)定性和可靠性是稱重傳感器的重 要質(zhì)量指標(biāo)，其中穩(wěn)定性是基礎(chǔ)，沒有穩(wěn)定性何 談稱量準(zhǔn)確度和工作可靠性。稱重傳感器的穩(wěn)定 性分為三個時期，即初始不穩(wěn)定期、穩(wěn)定期和疲 勞不穩(wěn)定期。

①初始不穩(wěn)定期：性能波動較大，主要表現(xiàn) 為零點和靈敏度不穩(wěn)定，應(yīng)盡量在生產(chǎn)過程中度 過初始不穩(wěn)定期。

②穩(wěn)定期：當(dāng)稱重傳感器經(jīng)過各種穩(wěn)定性處 理后，不穩(wěn)定因素很少，往往是一些隨機的原因， 即進入了穩(wěn)定期，對應(yīng)于這個時期的使用時間稱 為使用壽命。

③疲勞不穩(wěn)定期：在經(jīng)歷了一個比較穩(wěn)定的 工作時期后，由于防護與密封性能下降，電阻應(yīng) 變計老化，補償元器件變化等原因，不穩(wěn)定因素 開始增加，即進入了疲勞不穩(wěn)定期。

稱重傳感器穩(wěn)定性研究的重點是采用何種穩(wěn) 定性處理工藝，使其在生產(chǎn)過程中盡快渡過初始 不穩(wěn)定期，用戶組裝電子秤后即將進入穩(wěn)定期。

2）稱重傳感器的可靠性及試驗方法

①稱重傳感器的可靠性

在規(guī)定的使用條件下和一定時間內(nèi)，保持各 項技術(shù)性能并穩(wěn)定工作的能力，稱為稱重傳感器 的可靠性，多以無故障工作時間或可靠壽命來度 量。根據(jù)上述定義，把不能完成規(guī)定功能的狀態(tài) 稱為故障或失效?？煽啃缘暮诵氖枪收?，即可靠 性是由稱重傳感器的故障引發(fā)出來的。稱重傳感 器從開始使用到失效前的時間是不確定的，可靠 性就是研究在規(guī)定的條件和時間內(nèi)，稱重傳感器 的平均無故障工作時間或可靠壽命。各國專家一 致認(rèn)為稱重傳感器屬于半永久性器件，其無故障 工作時間或可靠壽命，對于IP67、IP68防護密封 等級的稱重傳感器應(yīng)能穩(wěn)定的工作10年以上?？?靠性理論就是研究分析各種影響稱重傳感器可靠 性的系統(tǒng)性和隨機性因素，科學(xué)合理的提出可靠 性的定性和定量要求，例如故障模式及影響分析， 無故障工作時間等。

可靠性分析貫穿于稱重傳感器設(shè)計、制造、使 用的全過程，它是可靠性研究的重要環(huán)節(jié)。主要是 故障、失效機理分析，查找故障原因，摸清故障的 內(nèi)在規(guī)律，從而采取相應(yīng)對策，提高可靠性。

②稱重傳感器可靠性的試驗方法

跟蹤測試是經(jīng)濟適用的研究稱重傳感器可靠 性的簡易方法，主要是在試驗室跟蹤測試貯存壽 命；在使用環(huán)境跟蹤測試無故障工作時間，即使 用壽命。壽命試驗是可靠性試驗中的重要內(nèi)容， 除貯存壽命試驗外還有損耗壽命試驗，加速壽命 試驗等。

(4）開發(fā)新產(chǎn)品和自主知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品

開發(fā)新產(chǎn)品和自主知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品是企業(yè)競爭 的核心。其競爭的基礎(chǔ)是制造技術(shù)、制造工藝; 競爭的焦點是切合實際的市場開拓方式，國內(nèi)、 外市場的響應(yīng)速度；創(chuàng)新的要求是適度跟蹤世界 稱重傳感器技術(shù)發(fā)展趨勢，結(jié)合國情開發(fā)著力于 國內(nèi)外市場急需的產(chǎn)品；創(chuàng)新的標(biāo)準(zhǔn)是技術(shù)先導(dǎo) 性、工藝先進性、產(chǎn)品適用性、市場擴散性；創(chuàng) 新的形式是除原創(chuàng)型設(shè)計外，集成型設(shè)計、移植 型設(shè)計、嫁接型設(shè)計也是創(chuàng)新。

(5）應(yīng)用技術(shù)研究

稱重傳感器是高滲透性產(chǎn)品，功能多樣，性 能極好，產(chǎn)品系列、種類繁多，向其他領(lǐng)域滲透 能力極強。各國稱重傳感器制造企業(yè)都遵循“加 強基礎(chǔ)，擴大應(yīng)用”的原則開發(fā)新產(chǎn)品和自主知 識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品，將其滲透到各個行業(yè)。稱重傳感器 作為地磅的基礎(chǔ)部件進入工業(yè)、商業(yè)、家用領(lǐng) 域十分廣泛。稱重傳感器技術(shù)與電子稱重技術(shù)滲透 到新的學(xué)科領(lǐng)域和技術(shù)門類，逐年增加。例如生物 力學(xué)、能源、環(huán)保、交通運輸、公共安全等領(lǐng)域， 大流量計量、質(zhì)量法計數(shù)點鈔等新技術(shù)項目。

五、結(jié)語

由于稱重傳感器是知識密集、 技術(shù)密集和技 巧密集型的產(chǎn)品，其技巧密集突出體現(xiàn)在手工操 作多，制造工藝流程是支持工藝、基礎(chǔ)工藝、核心工藝和特殊工藝的科學(xué)運用和集成。因此，稱 重傳感器不是一般的工業(yè)計量產(chǎn)品，而是一種需 要“精雕細(xì)刻”的完美的工藝品。這就是稱重傳 感器技術(shù)攻關(guān)以共性關(guān)鍵技術(shù)和工藝研究；產(chǎn)品 的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化與工程化研究和新產(chǎn)品、自主 知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品開發(fā)為內(nèi)容的重要原因。