本文分別從地磅稱重傳感器的彈性元件材料、彈性元件結(jié)構(gòu)設(shè)計和機械加工、 制造工藝及檢測設(shè)備四個方面闡述了在產(chǎn)品制造時對質(zhì)量影響的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。文中所闡述的產(chǎn) 品質(zhì)量包括性能指標(biāo)、產(chǎn)品的長期穩(wěn)定性及故障周期等。本文目的在于對提高地磅稱重傳感器整 體性能指標(biāo)和產(chǎn)品質(zhì)量提供充分的參考依據(jù)。

一、前言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，傳感器也得到了日益 廣泛的應(yīng)用。工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航空航天、軍事國防，從陸地到海洋，從天空到太空，從各種復(fù)雜的工 程系統(tǒng)到生活的衣食住行，幾乎每一個現(xiàn)代化項 目都離不開各種類型的傳感器。作為信息采集和 信息傳遞的主要構(gòu)成要素，傳感器已經(jīng)成為現(xiàn)代 信息技術(shù)系統(tǒng)三大支柱之一。這也是許多工業(yè)發(fā) 達(dá)國家把傳感器技術(shù)作為未來科學(xué)研究與發(fā)展重 點的一個重要原因。

在我國，盡管航空、航天工業(yè)部門早在20世 紀(jì)50年代末期就開始研究及應(yīng)用電阻應(yīng)變式負(fù)荷 傳感器，但并未向民用發(fā)展。就全國而言，負(fù)荷 傳感器的研制與生產(chǎn)起步較晚，60年代只有幾個 廠家生產(chǎn)普通精度等級的電阻應(yīng)變式測力傳感器。 結(jié)構(gòu)單一，基本不進(jìn)行電路補償與調(diào)整，有的產(chǎn) 品甚至用外部平衡箱調(diào)整零點。80年代初，全國 有20余家企業(yè)用資一億元人民幣，用匯1300萬 美元，從美、日等國引進(jìn)應(yīng)變式負(fù)荷傳感器制造 技術(shù)與工藝裝備，進(jìn)行學(xué)習(xí)、消化和吸收。經(jīng)過仿制和試生產(chǎn)后，開始多品種小批量生產(chǎn)，推向 市場后，取得了相當(dāng)可觀的效益。稱重傳感器盡 管是國家強制管理的法制計量器具，應(yīng)當(dāng)比較難 進(jìn)入此行業(yè)，但由于種種原因?qū)е乱恍┢髽I(yè)和個 人很容易進(jìn)入，造成市場擁擠，加劇了市場競爭。 終于在90年代后期爆發(fā)了價格大戰(zhàn)，誰的價格 低，誰就是大贏家，而且逐年升級越演越烈，己 經(jīng)到了走火入魔的程度。價格大戰(zhàn)的惡果是技術(shù) 進(jìn)步緩慢，工藝水平下降，質(zhì)量問題嚴(yán)重且管理 監(jiān)督失控。帶著這些問題進(jìn)入21世紀(jì)，稱重傳感 器與工業(yè)發(fā)達(dá)國家的差距非但未縮小，反而加大 了。近幾年國家監(jiān)督抽查結(jié)果和終端客戶的反饋 就是很好的例證。

因此，如何提高我國地磅傳感器的性能和品質(zhì)， 顯得迫在眉睫。如何才能做好？我國著名電阻應(yīng) 變式稱重傳感器專家劉九卿老師曾總結(jié)為“材料 是基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵，工藝是核心，檢測是保 障”。本文也就是從稱重傳感器彈性元件的材料及 結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝及檢測設(shè)備四個方面進(jìn)了分 析研究，為提高我國稱重傳感器的競爭力提供參 考。

二、彈性元件的材料對稱重傳感器品質(zhì)影響

在額定載荷作用下，彈性元件應(yīng)變區(qū)的應(yīng)變 程度，對稱重傳感器的線性、滯后、蠕變和疲勞 壽命都有較大影響。實際上，保證應(yīng)變穩(wěn)定并與 載荷成較嚴(yán)格線性關(guān)系的應(yīng)變范圍，它與彈性元 件所用的材料密切相關(guān)。

目前，稱重傳感器的彈性元件材料主要分為 三類：鋁合金（LY12、合金鋼（40CrNiMoA、 不銹鋼（0Cr17Ni4Cu4ND，前兩種材料應(yīng)用最為 普遍，加工工藝、熱處理工藝、制作工藝已十分 成熟。以不銹鋼作為彈性元件材料的稱重傳感器， 可以進(jìn)行金屬膜片焊接密封，具有防腐、防爆、 高可靠性、高穩(wěn)定性的特點，在腐蝕性場合、食 品、化工等行業(yè)，將成為合金鋼稱重傳感器的替 代品，市場容量逐漸放大。

提高彈性元件應(yīng)變的穩(wěn)定性是提高傳感器的 整體穩(wěn)定性的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。因此彈性元件的材料 不僅是結(jié)構(gòu)材料而且是功能材料。一般來講，彈 性元件采用的金屬材料除了對化學(xué)成分和冶煉條 件嚴(yán)格要求外，還要有優(yōu)良的綜合性能，在保證 彈性和應(yīng)力的同時，盡量選用抗塑變形（彈性滯 后)能力高的材料，且材料的純度要高，成分的 均勻性好。選擇彈性材料時，還應(yīng)特別注意材料 的彈性模量E以及材料的彈性后效（蠕變）和熱 彈性效應(yīng)對稱重傳感器性能的影響。 因此材料選 擇及成分的確定是第一步，其次，熱處理工藝和 與應(yīng)變片的匹配成為關(guān)鍵點。

稱重傳感器是技術(shù)、工藝密集型產(chǎn)品，性能 的一致性需要合理嚴(yán)格的工藝作保障，熱處理工 藝在稱重傳感器的生產(chǎn)中是十分重要的。以不銹 鋼稱重傳感器為例的熱處理工藝流程為：清洗— 固溶處理—深冷處理—時效處理。熱處理工藝的 冷卻介質(zhì)為水冷、油冷或強制惰性氣體冷卻，冷 卻速率有很大區(qū)別，同時要考慮彈性元件尺寸的 大小，降溫速率要有所不同，使冷卻速度達(dá)到相 應(yīng)要求，固溶時的冷卻介質(zhì)、冷卻速度對稱重傳 感器的指標(biāo)影響很大，工藝參數(shù)不合理對稱重傳 感器指標(biāo)是有害的。

三、彈性元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和機械加工對稱重傳感器品質(zhì)的影響

彈性元件的形式是由稱重傳感器的量程確定 的，一般常見的形式有：懸臂梁式、剪切梁式、 雙孔彎曲梁式、柱式、扭環(huán)式等。彈性元件的設(shè) 計基本屬于機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的范圍，但因測力性能 的需要，其結(jié)構(gòu)上與普通的機械零件和構(gòu)件有所 不同。一般說來，普通的機械零件和構(gòu)件只須滿 足在足夠大的安全系數(shù)下的強度和剛度即可，對 在受力條件下零件或構(gòu)件上的應(yīng)力分布情況不必 嚴(yán)格要求。然而，對于彈性元件來說，除了需要 滿足機械強度和剛度要求以外，必須保證彈性元 件上粘貼電阻應(yīng)變片部位的應(yīng)力（應(yīng)變）與彈性 元件承受的載荷（被測力）保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系 (最好是線性關(guān)系)；同時，為了提高測力傳感器測 力的靈敏度，還應(yīng)使電阻應(yīng)變計貼片部位達(dá)到較 高應(yīng)力狀態(tài)，彈性元件的設(shè)計必須滿足以下兩項 要求：）貼片部位的應(yīng)力（應(yīng)變）應(yīng)與被測力保 持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系； 2 貼片部位應(yīng)具有較高的應(yīng) 力（應(yīng)變）水平。為了滿足上述兩項要求，在測 力傳感器的彈性元件設(shè)計方面，應(yīng)用“應(yīng)力集中” 的設(shè)計原則，確保貼片部位的應(yīng)力（應(yīng)變）水平 較高，并與被測力保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，以提高 所設(shè)計測力傳感器的測力靈敏度和測力精度。

稱重傳感器的工作頻率由彈性元件及粘貼其上的電阻應(yīng)變計決定，電阻應(yīng)變計的頻率響應(yīng)是 很高的，通常根據(jù)彈性元件確定工作頻率。在設(shè) 計動態(tài)下使用的稱重傳感器時，應(yīng)盡量提高它的 固有頻率。彈性元件固有頻率的計算公式為：

式中：K——單位位移需要的力值；m——彈 性元件的相對質(zhì)量。

(一）彈性元件切削加工過程中的殘余應(yīng)力對 稱重傳感器品質(zhì)的影響

彈性元件中殘余應(yīng)力，主要來自原材料在乳 制或拉制工藝成形過程中產(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；在機械加工中，因切削力作用而產(chǎn) 生的殘余應(yīng)力。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)力越大。車削 加工時不同進(jìn)刀量軸向和徑向的殘余應(yīng)力也不相 同，在彈性元件表面為最大殘余拉應(yīng)力，距表面 約40^ m?80^ m深處為最大殘余壓應(yīng)力。磨削 加工時產(chǎn)生的殘余應(yīng)力最大，磨削深度越大，產(chǎn) 生的殘余應(yīng)力就越大，其最大殘余應(yīng)力位于距表 面約20^ m?40^ m處。為提高彈性元件的加工精 度，宜采用先進(jìn)的數(shù)控加工工藝提高加工質(zhì)量。 熱處理后彈性元件的精加工盡量不采用磨削加工。

彈性元件切削加工后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，彈性和疲勞壽 命降低。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，將造成稱重傳感 器的非線性誤差。

(二）彈性元件的形位誤差對稱重傳感器品質(zhì) 的影響

稱重傳感器一般設(shè)計成只受垂直方向的載荷， 而對側(cè)向載荷不敏感，或把力矩和側(cè)向載荷的影 響限制在規(guī)定的誤差范圍內(nèi)。這樣稱重傳感器的 輸出僅僅取決于沿主軸或與主軸平行的載荷的大 小，這就要求彈性元件具有較高的尺寸精度和形 位精度，同時保證應(yīng)變片粘貼位置的準(zhǔn)確性和對 稱性。實際上彈性元件的制造精度是有一定限度 的，總存在一定的尺寸、形位誤差。所以，稱重 傳感器對迭加在主分量上的力矩和側(cè)向載荷都是 敏感的，而側(cè)向靈敏度的大小和方向不能預(yù)先知 道，且結(jié)構(gòu)量程不同，靈敏度也不同。側(cè)向靈敏 度與彈性元件的形位誤差和應(yīng)變片粘貼位置有關(guān)。 有試驗證明，若有額定載荷5%側(cè)向載荷存在，對 高精度的稱重傳感器，側(cè)向靈敏度的影響會出現(xiàn) 滿量程± 0.1%的誤差；對于一般精度的稱重傳感 器，此誤差可達(dá)± 0.6%。

(三）彈性元件的表面質(zhì)量和硬度對稱重傳感 器品質(zhì)的影響

通常稱重傳感器有兩個承受載荷的接觸面， 即引入載荷的接觸面和傳遞載荷的接觸面。對于 承受壓向載荷的稱重傳感器，兩個承受載荷的接 觸面為彈性元件的上平面（有時設(shè)計成球勵和 下底面。與稱重傳感器的上壓頭、下壓墊接觸的 面都影響載荷的引入與傳遞。一般要求上壓頭的 硬度小于彈性元件的硬度，但不能太低，因為壓 頭的硬度越低，彈性元件的表面粗糙度越大，在 較小的載荷下會產(chǎn)生較大的變形，會使合力的作 用點發(fā)生變化，從而引起稱重傳感器靈敏度的變 化。此外，英國物理實驗室測力研究室，用環(huán)氧 樹脂模型進(jìn)行接觸面粗糙度影響試驗得出：接觸 面表面粗糙度越小，載荷傳遞性能越好，輸出就 越大。

四、制造工藝對稱重傳感器品質(zhì)的影響

制造工藝是稱重傳感器生產(chǎn)過程中最活躍、 最積極的因素，是研究成果轉(zhuǎn)化為商品的橋梁。 它不僅是基礎(chǔ)的工藝技術(shù)，而且是稱重傳感器生 產(chǎn)過程中起核心作用的專業(yè)技術(shù)。稱重傳感器的 競爭，主要是制造技術(shù)、制造工藝的競爭，因此 它是企業(yè)的核心競爭技術(shù)。

稱重傳感器的通用制造工藝流程如下：

(1）電阻應(yīng)變計準(zhǔn)備：自然時效或人工老化處 理—外觀檢查—阻值測量—分組—清洗—電阻應(yīng) 變計粘貼。

(2）彈性元件準(zhǔn)備：冷熱加工質(zhì)量檢查、刻寫 號碼—整體清洗—第一次穩(wěn)定處理—應(yīng)變區(qū)表面 打磨—表面清洗—電阻應(yīng)變計粘貼。

(3）電阻應(yīng)變計與彈性元件準(zhǔn)備合并為如下工 藝流程：電阻應(yīng)變計粘貼→安裝夾具、施加壓力—固化—后固化—外觀、阻值、絕緣檢查—電 阻應(yīng)變計防潮處理—連線組橋—線性、滯后等性 能工序檢測—各項電路補償與調(diào)整—防護(hù)與密封處理—第二次穩(wěn)定性處理—綜合技術(shù)性能測試— 測試結(jié)果存檔、產(chǎn)品入庫。

在稱重傳感器的制造工藝過程中，每個環(huán)節(jié) 都必須重視。只有重視了工藝過程中的每個環(huán)節(jié)， 才能確保產(chǎn)品的性能和品質(zhì)要求。一般情況下， 工藝過程中打磨、貼片、固化會直接影響稱重傳 感器的技術(shù)性能指標(biāo)，即就是說，只要材料和結(jié) 構(gòu)沒有問題，產(chǎn)品的固有精度已經(jīng)形成，只是沒 有連接成惠斯通電橋進(jìn)行測試而已。工藝過程中 對絕緣的檢查、防護(hù)和密封處理等對稱重傳感器 品質(zhì)穩(wěn)定性起到關(guān)鍵性作用 。 關(guān)于測試和補償方 面的重要性不言而喻，它主要與檢測設(shè)備有關(guān)， 本文下一小節(jié)將詳細(xì)闡述。

總之，制造工藝中的相關(guān)工序過程，可能對 產(chǎn)品性能起關(guān)鍵作用，也可能對產(chǎn)品長期穩(wěn)定性 和壽命周期起關(guān)鍵作用，還可能是對兩者同時起 到關(guān)鍵作用。明確問題后，將更有利于優(yōu)化和完 善制造工藝，也會進(jìn)一步提高稱重傳感器的性能 指標(biāo)和品質(zhì)穩(wěn)定性。

五、檢測設(shè)備對稱重傳感器品質(zhì)的影響

在稱重傳感器的制造過程中，用于檢定、校 準(zhǔn)稱重傳感器的力標(biāo)準(zhǔn)裝置稱之為力標(biāo)準(zhǔn)機。力 標(biāo)準(zhǔn)機通常有四種類型：靜重式、杠桿式、液壓 式和疊加式。用于控制環(huán)境溫度的裝置稱之為高 低溫試驗箱。在檢測設(shè)備中還包括高精度數(shù)字萬 用表，絕緣電阻測試儀，硬度計等。而在實際當(dāng) 中，以力標(biāo)準(zhǔn)機和高低溫試驗箱最為關(guān)鍵。本文 也就主要針對這兩種檢測設(shè)備及檢測方法對稱重 傳感器性能和品質(zhì)的影響進(jìn)行闡述。

力標(biāo)準(zhǔn)機在整個制造過程中，主要對稱重傳 感器的非線性、滯后、重復(fù)性、蠕變等性能指標(biāo) 進(jìn)行測試，同時完成對其靈敏度測試和補償。產(chǎn) 品性能和品質(zhì)的優(yōu)劣，檢測數(shù)據(jù)是直觀的反應(yīng)。 因此檢測設(shè)備的準(zhǔn)確度和長期穩(wěn)定性就變得尤為 重要。要保證產(chǎn)品的性能和品質(zhì)，先要確保力標(biāo) 準(zhǔn)機是否能達(dá)到要求，力標(biāo)準(zhǔn)機上所配的標(biāo)準(zhǔn)傳 感器或砝碼、標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷測試儀等都要達(dá)到測試精 度的要求外，測試方法以及受力位置和傳力構(gòu)建 是否滿足要求也是至關(guān)重要的。建議稱重傳感器 的制造企業(yè)，除了第三方機構(gòu)每年定期對力標(biāo)準(zhǔn) 機檢定外，還要養(yǎng)成對公司內(nèi)不同力標(biāo)準(zhǔn)機進(jìn)行 比對測試或校準(zhǔn)的習(xí)慣。重視力標(biāo)準(zhǔn)機的維護(hù)及 測試方法將會最大化的降低因檢測設(shè)備對稱重傳 感器造成的質(zhì)量隱患。

高低溫試驗箱是對稱重傳感器溫度特性進(jìn)行 測試時的關(guān)鍵設(shè)備，溫度對稱重傳感器零點的影 響、 溫度對稱重傳感器靈敏度的影響、 溫度對稱 重傳感器非線性的影響等有關(guān)溫度的性能指標(biāo)是 通過該設(shè)備進(jìn)行的。將高低溫試驗箱通過支架或 支架上的導(dǎo)軌推入力標(biāo)準(zhǔn)機中，以實現(xiàn)加載情況 下的測試。特別要強調(diào)的是，在整個測試過程中， 溫度從20°C—-10^—50^—20^，一定要注意測 試砝碼和產(chǎn)品本身出現(xiàn)結(jié)露的情況。建議高低溫 試驗箱必須密閉且?guī)в谐凉窆δ?。對于小量程?/span> 稱重傳感器在進(jìn)行測試時也有杜絕高低溫試驗箱 在工作時產(chǎn)生振動造成的影響。綜合概括即為：

(1)確保高低溫試驗箱的溫度場均勻，且有充 分的時間保證稱重傳感器達(dá)到內(nèi)外等溫。

(2）要充分重視高低溫試驗箱的密封性，確保 在溫度切換過程中結(jié)露對測試的影響降到最低點。

(3 ）整體式高低溫試驗箱工作時的振動對小量 程稱重傳感器的測試結(jié)果有很大的影響，務(wù)必對 其要重視。

高低溫試驗的測試數(shù)據(jù)是直接為后續(xù)補償工 藝服務(wù)的，倘若不重視高低溫測試設(shè)備和測試方 法，會對稱重傳感器的技術(shù)性能及品質(zhì)留下嚴(yán)重 的隱患，而且在出廠時也是無法察覺。

六、結(jié)論

本文從稱重傳感器的彈性元件材料、 彈性元 件結(jié)構(gòu)設(shè)計和機械加工、 制造工藝及檢測設(shè)備四 個方面闡述了在稱重傳感器制造時的關(guān)鍵環(huán)節(jié) 這里需要強調(diào)的是，其實稱重傳感器制造過程中 每個環(huán)節(jié)都是必須依據(jù)嚴(yán)格的按照規(guī)程要求完成， 之所以稱之為關(guān)鍵環(huán)節(jié)，實際上也是相對的，譬 如說：所有的環(huán)節(jié)都很重視，但電阻應(yīng)變計本身 不符合要求或有質(zhì)量瑕疵，也是無法生產(chǎn)出性能 優(yōu)良、品質(zhì)合格的稱重傳感器。

本文所闡述的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是基于普遍情況下而 言，可能對于不同的制造企業(yè)又有不同的實際情 況，本文旨在通過匯總梳理，讓大家在整體思路 上對其進(jìn)行充分認(rèn)識。實際上，只有集思廣益、 不斷總結(jié)，我們才會得到更加寶貴的經(jīng)驗，進(jìn)而 為稱重傳感器制造技術(shù)的發(fā)展起到推動作用，也 有利于我國稱重傳感器制造技術(shù)躋身世界一流水平，推動我國衡器工業(yè)持續(xù)、健康的發(fā)展。