称重传感器的应用发展史

机械式衡器，我国始于19世纪末（清朝末期），我国商业、工矿企业过去普遍使用的案秤、磅秤和各种机械式汽车衡、轨道衡急即属于此类。早期的机械案秤、磅秤是由国外引入的，我国的工匠从使用、修理中理解了它的工作原理，并建立了自己的机械衡器作坊。至今，我国的机械式衡器制造业已有一百多年的生产历史，已具有相当的技术水平和生产规模。就目前状况而言，我国使用中的各种商业衡器和各种工业上使用的地中衡，几大部分仍然是机械衡器。随着计量工作的日趋加强，机械衡器仍保持着一定的销售市场。随着国际、国内贸易的发展，机械师衡器已不能满足现代化管理对商业称重快速、精确的要求，尤其随着工业生产过程自动化程度的不断提高，称重装置已发展成为过程控制中的一种必须的设备。控制系统要求称量装置快速、可靠、准确地提供与被称量物料秤比例的电信号，以便经过电脑处理后，发出执行指令去控制生产过程。显然，这对于原有的、未经改造的机械秤是无法实现的。

人类社会生产力的发展，对传感器的称量手段产生了强烈的冲击。

60年代，研究成功了一种机电结合的自动秤——光栅秤。它由杠杆系统、光栅装置和电子线路三部分组成。杠杆系统在载荷作用下产生位移，光栅装置将这一位移转换成数字信号送入电子线路，最后用数码管直观的显示重量。光栅秤的刀刃和刀垫容易磨损和锈蚀，因此维修工作量大，并且系统的结构庞大，故未能获得大量的推广。60年代迅猛发展的以电阻应变式力传感器为转换原价您的电子秤，由于它据偶以下一些列长处，赈灾日益广泛的取代原来的机械式衡器，而向各称重领域渗透，给称重技术带来了彻底的更新。

（1）能实现快速自动称量，效率高。

（2）秤台结构简单，没有刀刃、刀垫和杠杆等运动部件，维修简单，使用寿命长。

（3）不受安装地点限制，能安装在设备本体上。

（4）能把重量信息进行远距离传输，从而可进行数据处理和遥控遥测。

（5）传感器能做成全密封型，并可对温度影响进行各种补偿，能用在恶劣环境中。

（6）坑基小而浅，甚至可制成无坑式、可移式垫子衡器。

各种物理效应的力传感器相继问世，就称重领域而言，瑞典ASEA公司生产的0.03~0.05级压磁传感器，成功的应用于商贸用垫子汽车秤和电子吊钩秤。但由于电阻应变式传感器具有制作方便、工艺城市、价格便宜、精度高、稳定性好和已有系列产品等方面的独到长处。所以不论在国内和国外，仍占有绝对的优势。

电阻应变式传感器的工作原理，基于四个基本的转换环节：力（重力）——应变（e）——电阻变化（ΔR）——电压输出（ΔU）。

1856年，英国物理学家W.Tomson首先发现了金属材料的应变效应：即一根金属导线，在其拉长时电阻增大，在受压缩短时电阻减小。这个自然规律，以后成为金属材料的电阻应变效应。事隔八十多年，于1937年，美国科学及E.SI mmons和A.Ruge制成了世界上第一片纸基丝绕电阻应变计。1940年，研制发明了第一代电阻应变式传感器，经过50年来的努力，应变式传感器的设计技术和工艺技术日趋完善，测量精度和使用可靠性日趋提高。至今，它已几乎应用到了所有称量领域和各种测力领域。

微处理机的出现，给称重技术带来了更新。二次仪表以较低的价格和较小的体积来完成许多复杂的计算功能，使电子秤在传统市场意外的广阔领域内也得到了应用。由于微处理机可以利用任何教学上可定义的函数来修正力传感器的输出特性，所以对力传感器的制作和补偿技术也带来了革新。世界上所有先进工业国家都已大量采用电子秤。从世界水平来看，50年代钱式机械秤的时代，60年代式机电结合秤的时代，70年代则是全电子秤的时代，80年代式电子秤与微处理机结合的时代。

电子应变式传感器的另一个广阔应用领域是力值测量，更确切地说，是广泛应用于以质量为基本量的各种导出量的测量。例如力（N）、压强（Pa或MPa）、密度（g/cm3或kg/cm3）、扭矩（N.m）等。几年来，人们都已习惯于负荷传感器（Load-cell）或称重传感器（Weighing cell）的称呼。而就其本质而言，这两个含义一致的传感器都是以质量（KG）为量值单位的。尽管从理论上说，表征实体性质的质量与上述导出量毫无关系，但从测量技术而论，又是密切相关的。起义，质量不能直接测量，他是利用地球重力场中质量的力效应来精密测量的，而重量本身就是专指地球与物体之间引力的一种力学量。所以，就这点而论，负荷传感器与测力传感器有类同之处。其二，力是一个向量，不是材料的性质，所以力的标准器又是从质量标准器导出的。尽管两者有如此密切的关系，但测力传感器作为电阻应变式传感器的一个并列的分支，除计量单位不同外，在测量范围、误差带的表示法、使用中的工作温度、载荷特性及设计时的刚度、固有频率均有其特殊要求。在力值测量的很多场合，被测的力值有时远比重力复杂，要求测力传感器不干扰地分别输出被测力值各个力值分量对应地电信号，所以结构上和电子线路上就比称重传感器复杂，再则，被测力值往往是时间地函数，频率从几赫到几千赫。为使幅频特性不失真，传感器本身地自振频率对测力传感器而言就成为一个重要地技术参数。

随着电子衡器制作水平地提高和应用地日趋普及，电子衡器检定规程和产品标准地日趋完善，与此并列地测力传感器地确切定义及统一地检定规程和标准，正有待建立。鉴于上述原因，本书不致分类过细，把与力相关与不相关地一些物理量测量，力图压强、扭矩、密度等暂且都包含在测力传感器地范围之内加以阐述。用电阻应变式测力传感器获取力值信息具有以下优点：转换元件体积小、反应快、是真小、测力范围宽（几千克到几千吨）及效率高、使用简便、可远距离传递信号、可同现代地计算机配套。由于电阻应变式传感器在测力领域内地应用，力值测量技术正激励这一场深刻地变革。

• 钢铁工业早在50年代就已经把力传感器作为轧制力地检控元件应用在轧钢机地监控系统中。
• 其他工业部件近年来也相继用力传感器作为生产工艺过程中力值的监控元件，来解决许多传统的工艺难题。
• 航空工业部门早年就已用多分量力传感器在风洞中研究各种飞机模型的力学特性。
• 金属切削机床研究所用多分量传感器测量车削力，钻削力、磨削力、和铣削力。
• 农机研究所所用多分量传感器研究农具耕作是的受力状况。
• 工程建筑部门已普遍应用一种连续灌入的双桥静力触探探头来快速了解土层的结构和性能。转矩传感器作为装配线上自动工装器械的一次元件而有广阔的市场需求，测力传感器作为测功仪的关键元件近年来的需求量已日益递增。从大型公里设备到微型家用电器，有效公里处的实测可为设备本身的改进提供数字依据。
• 轮船牵引力、锚链拉力、桩基锤击贯入力、桩基长期承载力等工程测试中，需要几百吨 、甚至几千吨的大力值传感器，而生物医学工程的基础研究和临床测试，则需要测力范围为几毫牛的力传感器。

机械式材料试验机已日益广泛被电子化，数字化的材料试验机所取代。由于力传感器制作水平的提高，一种精心制作的力值比对传感器，综合误差已可达0.006%，因此力传感器已普遍用来做力值比对和力值传递的工具。50t、100t、2000t力值比对式标定设备，已在近年研制成功并已投入生产和使用。

法国、波兰等许多国家近年来相继研制成功多分量力值比对传感器，它不仅可以把需要比对的力值精确地测量出来，还可以把测力计自身因执行器件摩擦、间隙、旋转、横向运动及非轴向加荷等因素产生地“寄生负荷”分别测量出来。不难期望，用这种多分量力值比对传感器作为标准力值信号源地新一代测力计，将不需要庞大地装置，对此已引起大家地注目。

在称重测力传感器地研究及应用领域内，国内外地学术活动和商业活动近年来相当活跃。国际法制计量组织（OIML）、国际计量联合会（IMEKO）以及各种科学团体，都定期组织学术交流会议。国内有关传感器技术的学术活动活跃频繁，相应的检定规程和产品标准也日趋完善。

美国把传感器技术列为2000年内重点开发的十五项关键技术之一，日本把传感器技术同计算机、激光、半导体、超导同列为溜达核心技术，我国各部、省、市也都把传感器技术的研究和产业开发列为七五期间的重点项目。

传感器技术式信息社会的关键技术，传感器技术的水平在一定程度上标志一个国家的科学技术水平。电阻应变式传感器作为传感技术中的一个重要分支，作为国民级经济中已具有相当规模，并已部分进入国际市场的新颖产业，正受到政府各部门的重视。

在人类设备已跨入信息时代的今天，我们必须尽快的普及传感器技术，尤其式应用方面的技术。传感器产品的应用开发， 不仅能提高工业自动化程度，而且还将进一步促进传感器技术的提高和传感器产业的兴旺发达。