影响应变式称重传感器性能的设计与工艺问题

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,PPT,讲义,影响应变式称重传感器性能的结构设计与制造工艺问题,中国运载火箭技术研究院,刘九卿,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：,一,、应变式称重传感器技术与工艺的新发展,二,、影响称重传感器性能的一些设计与工艺技术问题,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,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,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。,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,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,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,地位。,家庭电子秤用称重传感器的研发和生产中心在中,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,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,1993,2001,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，提出敏感栅结构设计原则。,美国,V,MM,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,L,X,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,0.0001,0.0002,英寸,（,2.5,5,m,）的带材，厚度变化小于,0.00001,英寸,（,0.25,m,）。,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。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,0.00006,0.00008,英寸（,1.5,2,m,）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,12.5,25m,胶膜的基底材料，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，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。,电阻应变计的疲劳寿命有较大提高，从过去承受,1000,时的,10,7,10,8,次，提高到现在承受,1500,时的,10,7,10,8,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,10,65,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，,1,100t,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,5,5000kg,的称重传感,器，准确度可达,6000d,。主要用于湿度大、腐蚀性强,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。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,-9,m,，相当,10,个氢原子紧密排在一,起。纳米技术是在纳米空间（,0.1,100nm,）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。,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、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,边界条件的主要参数。,对于,50t,的压式称重传感器，当,L/D,3.7,（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/D,1,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,Ra,6.3m,，在相同载荷作用下其变形分,别为,2.2m,、,3.6m,、,5.4m,；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,D108mm,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,E,m,和压垫直径,D,、所用材料弹性模量,E,s,的不同有关：,当,D,d,、,E,m,=E,s,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,E,m,变区变形。,d,当,D=d,、,E,m,E,s,时，在接触,E,s,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,V,BLH,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：,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,1/4,1/3,范围内。,实际上称重传感器的线性、滞后、蠕变和疲劳寿命,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,40,80m,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,20,40m,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,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/mm,2,，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,4.1,单柱式：圆柱、圆筒、方柱、棱柱结构。,输出灵敏度 （,mv,v,）,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：,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,M,B,0.182PR,M,B,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,应根据板环的平均半径,R,0,与宽度,h,的比值,R,0,/h,求,出修正系数,G,，其灵敏度计算公式为,例：,P,10000kg,板环式称重传感器，结构尺寸为,R,1,25mm,、,R,2,50mm,、,h,45mm,。,由修正系数曲线查得,G,0.9,，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,（,J,2,L,J,1,a,）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=2r,P,1,B,d1,D1,D=2R,h1,H,b,h,h2,2,rF,tF,tF,H,b,P,d,D,P,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）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,、,h,50mm,）；,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,r,hSin,其周长减少,L,，即,L,2,（,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，,K,1.003,0.955,。,取,K,0.955,，则六面环的厚度为,D/d,较大时，可取大的,K,值及较小的结构尺寸，,一般,D/d,2.0,2.2,。,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,Y,1,、底环,位移,Y,2,和顶环位移,Y,3,之和，即,式中,C,常数，,C,0.67,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,10,50,倍。,例题,一,10t,轴对称扭环型称重传感器的尺寸参数为,P,10000kg B,30mm b,16mm,、,h,21mm D,110mm d,50mm,、,h,1,6mm h,2,15mm,1,4mm,、,2,15mm H,h/4,5.25mm,理论计算如下：,D/d,2.2,取,K,0.955,六面环上、下表面最大压缩应力为,kg/mm,2,六面环上、下表面最大压缩应变为,灵敏度,S,2.062,mv/v,经计算总位移为,Y,Y1+Y2+Y3,0.104+0.005+0.007,0.116mm,顶环与六面环连接处的剪应力为,kg/mm,2,底环与六面环连接处的剪应力为,kg/mm,2,5.,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,45,0,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,45,0,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,J,y,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/h,1,。,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