电阻应变式称重传感器培训课程教学课件全册教学课件汇总

1、授课人：XX XX 传感器培训XX学院 XX 专业【全套课件】PPT讲义电阻应变式称重传感器 培训原则 加强基础：设计技术、工艺技术、应用技术基础。 提升能力：学习能力、实践能力、创新能力。教学原则 夯实基础：夯实称重传感器设计技术基础、工艺技术基础、测试技术基础。 拓展知识：与称重传感器技术、工艺有关的边缘学科的相关技术和移植工艺。 体现趋势：立足科学技术前沿，体现当前称重传感器专业技术发展趋势。 注重结合：理论与实践相结合、设计技术与工艺技术相结合。 PPT讲义目录 目录 幻灯画 画面 比例 面编号 数量 （%）第1章 概论 545 41 5.7 第2章 工作原理 4675 30 4.2

2、第3章 电阻应变计 76159 84 11.7第4章 结构设计与计算 160333 174 24.3第5章 弹性元件金属材料 334361 28 3.9 第6章 制造工艺 362438 77 10.8第7章 电路补偿与调整 439486 48 6.7 第8章 数字称重传感器 487528 42 5.9 第9章 高温称重传感器 529554 26 3.6 第10章 防爆称重传感器 555571 17 2.4第11章 称重传感器的可靠性 设计、控制与管理 572586 15 2.1第12章 称重传感器的故障 诊断与排除 587616 30 4.2 第13章 称重传感器国际建议 和国家标准 6176

3、35 19 2.7 第14章 称重传感器的性能测试 与试验方法 636692 57 8.0 第15章 称重传感器的发展趋势 与技术课题 693720 28 3.9 第1章 概论 第1节传感器的作用、分类与特点 一、传感器与现代科学技术 传感器技术是一项令人瞩目、迅猛发展的高新技术，也是当代科学技术发展的一个重要标志。传感器技术与通信技术、计算机技术构成信息产业三大支柱技术，其功能分别为信息技术系统的“感官”、“神经”和“大脑”。因此，传感器技术是现代信息社会的重要技术基础。 国内外一些学者评论说：“征服了传感器就等于征服了科学技术”；“如果没有传感器检测各种信息，那么支撑现代文明的科学技术，就

4、不能得到发展”；“唯有模仿人脑的计算机和传感器协调发展，才能决定技术的将来”。传感器与传感器技术的发展水平是衡量一个国家综 合实力的重要标志，也是判断一个国家科学技术现 代化程度与生产水平高低的重要依据。正因为如 此，世界发达国家都极其重视传感器的研究、开发 和应用，并把它定为国家优先考虑的重大科技项目。美国将“传感器及信号处理”列为对国家安全和经济发 展有重要影响的关键技术之一；西欧各国把传感器 技术作为优先发展的重点技术；日本把传感器列为 六大核心技术之一；我国政府在各重点科技公关项 目中，均把传感器研究放在十分重要的位置。美、日等国社会劳动力总数的一半以上，从事信息 工作。美国直接在传感

5、器领域工作的科技人员已占 总人数的25%。 我国传感器及敏感元件研制和生产企业有1500余 家，其中应变式称重传感器研制和生产企业就有160 多家。传感器技术是现代科技的前沿技术，传感器产业是 国内外公认的具有发展前途的高技术产业，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的工业与信息产业界所重 视。科学技术的进步，多种学科、多种高新技术的交叉融 合，推动了传感器技术的发展，但仍然满足不了各工 业和技术领域信息采集系统的需要。就总体而言，传感器技术的发展还比较滞后，目前工 业领域的复杂系统越来越复杂，自动化已陷入低谷， 其主要原因之一是传感器技术落后。可以从两

6、方面理 解，其一是传感器在感知信息方面的落后；其二是传 感器自身智能化和网络化方面的落后。从计算机发展史看，1945年第一台计算机研制成功后，主要用于复杂的计算，对传感器没有什么要求。1975年第一台集成电路计算机问世以后，便开始在工业控制等领域显示出卓越的功能，其处理信息的能力经过30多年的发展已相当完善，对采集信息源头的传感器，提出了智能化、网络化等许多新要求。作为检测信息的传感器并没有经历计算机这样的发展过程，传感器技术相对落后，因此出现了“信息处理能力过剩，信息获取能力不足”的问题。即“大脑发达，五官迟钝”。为解决这一问题，20世纪80年代世界各国几乎同时掀起了一股“传感器热”的风潮。

7、我国在多个五年计划中，都把发展传感器技术列为一级学科项目。20世纪80、90年代世界各国的投入，进入新世纪见到明显的效果，每年都有新功能敏感材料、新元件、新工艺问世，很快就应用于传感器，扩大了应用范围。目前，迅速发展的物联网技术，就是以传感器作为技术和物质基础。所谓“物联网”，就是通过信息传感设备，按约定协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络概念。从技术角度讲“物联网”就是传感网。今后智能传感器将不再是简单的传感器加微机系统，不光具有数据采集存储、信号处理、误差补偿功能，更重要的是具有判断能力、自学习能力，甚至具有创造能力。 二、

8、传感器的定义和分类 1.传感器的定义 传感器是获得信息的一种装置，其定义可分为广义和狭义两种。 广义定义的传感器，指凡能感受外界信息并按一定规 律转换成便于测量和控制的信息的装置。 狭义定义的传感器，指只有将外界信息按一定规律转 换成电量的装置才叫传感器。 传感器获取和转换的信息 获取的信息为各种物理量、化学量和生物量等， 转换后的信息，可以有各种形式。目前大部分传感器 还是把外部信息转换为电量，因为它与电子信息技术 和计算机技术更易配套。 “敏感元件”、“转换元件”的新定义 以前曾称传感器为“敏感元器件”、“传感元件”等，现已明确“敏感元件”是传感器的一部分，不能代替传感器的称呼。关于组成传

9、感器的转换部分，厉来称为 “转换元件”，因技术发展该部分除转换功能外，还可以具有其它功能，故称为预处理单元，此定义更具先进性。传感器技术范畴 狭义：仅包括传感器本身的制造与测试技术。 广义：既包括传感器本身的制造与测试技术，又包括制造传感器时所需要的相关技术及应用技术。 为了有利于传感器技术发展，我国对传感器技术范畴的定义是从广义着眼的。2.传感器的分类 按工作机理分有物理型、化学型和生物型。其中物理型应用的是物理效应，按构成原理又分为结构型和物性型两大类。 结构型：是利用物理学中场的定律构成的，以结构为基础，通过参数变化来实现信号的转换。例如电阻应变式、电容式、电感式等。 物性型：是利用敏感

10、器件材料本身物理性质的变化来实现信号的检测。例如近些年出现的半导体类、陶瓷类、光纤类及其他新型材料的传感器。 按变换原理分有应变式、电容式、电感式 、压电式、压阻式、压磁式、光电式、谐振式等。 按用途分类 通常可分为工业用、商业用、农业用、科研用、医 用、军用、民用、环保用、家电用传感器等。 按功能分类 因敏感元件功能不同，可分为：力敏、热敏、光敏、磁敏、湿敏、气敏、声敏、化学敏、生物敏传感器等。 按被测量分类 可分为物理量传感器、化学量传感器、生物量传感器三大类。 各类传感器又可分为若干族，每一族又可分为若干组。 按此分类应变式称重传感器属于物理量传感器中的机械量传感器族，力传感器组中的称重

11、传感器。同组中还有测力传感器、力矩传感器、张力传感器等。 三、称重传感器与电子称重技术 称重技术自古以来就被世界各国所重视，因为它与经 济发展和人民生活密切相连。称重技术是衡量一个国 家科学技术水平和工业发达程度的重要标志之一。 称重，实质上是测量物体的质量。质量是物体惯性和 引力大小的量度，是一个特征量，它不能自动的给出 信息，基本上不能直接测量。从古至今质量测量都是 通过物体在重力场下的重力测量来求得的。即牛顿运 动定律F=ma所描述的惯性质量的特殊形式 ： W=mg 式中g为重力场的重力加速度。 目前世界各国在用的衡器，不论是利用杠杆原理研制的秤或测力机，还是利用弹性元件的恢复力（弹力）

12、与被测物体的重力达到平衡来测量质量的秤，都离不开两个必须的条件：一是重力场，二是静力平衡。前者说明现代各种秤都不能用于无重力场的场合，后者说明必须保持静力平衡才能测量。因此，将其称为静态称重法，应用此法研制的各类秤称为静态秤。 静态机械秤及静态电子秤的发展可概括为：20世纪50年代之前为机械秤；50年代中期电子技术进入秤的外围，出现带打印机的杠杆秤；60年代机电结合秤；70年代电子秤；80年代中期研发出数字智能电子秤；90年代至今不断完善和创新电子称重技术和电子秤产品，例如电子转子秤；阵列式皮带秤等。 电子称重技术是60年代迅猛发展起来的一项高新技 术，它是集称重传感器技术、计算机技术、通信技

13、术、 测量与控制技术、软件编程技术、材料技术、现代制 造技术和工艺通程技术为一体的综合技术。 现代电子称重技术的进步，促进了称重传感器技术的 发展，而称重传感器的新技术、新工艺和新产品，又 为电子衡器产品和电子称重系统的发展提供了技术和 物质基础。 电子衡器（秤和天平）和称重传感器产品量大面广、 品种繁多，即涉及到国内外贸易结算，又关系到消费 者利益，是国家强制管理的法制计量器具，法规与标 准多，质量管理与监督十分严格。 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、称重计量。因此称重传感 器首当其冲，是称重信息采集系统的前端单元， 是电子称重系统的核心部件，它关系到一个称

14、重 计量系统的成败。 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。只有提高称重传感器的准确度、稳定 性和可靠性，才能促进现代电子称重技术的发展。 称重传感器技术在传统技术加数字技术和微机系 统支撑下，正向小型化、多功能化、集成化、智 能化和网络化方向发展。 四、传感器的种类与应用概况 目前，我国有455个从事敏感元件及传感器生产的厂 商，所涉及企业1400多家，呈现出良好的发展态 势，但综合实力较强的骨干企业较少。 世界上有40多个国家的5000多个企业研制生产敏感 元件及传感器，产品种类繁多，约为20000多种。 我国研制生产的敏感元件及

15、传感器共10大类，42小 类，6000多个品种。 2006年我国传感器产品总销售收入97.43亿元人民 币，并以每年12%的速度增长，预计2010年传感器 产品总销售收入可达200亿元人民币。 2006年我国传感器出口额为6.58亿美元，每年以9% 的速度增长，预计2010年传感器出口额可达93亿美元。 我国敏感元件及传感器的进口额从2004年的14.36亿 美元，迅速增长到2006年的23.72亿美元，其复合增 长率达29%。更为严重的是，进口金额占国内市场需 求份额的比例不断攀升，目前已达80%以上。 传感器可以说无处不用，其应用比例如下： 工业测量与控制 18.1%；家用电器 13.7%

16、； 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%。（家用秤用称重传感器不在统计之内） 在测力与称重传感器中，称重传感器约占95% 以上。 以电子汽车衡用双剪梁型称重传感器为例，我国每年 产生400万只左右。 据国际计量联合会统计，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。 我国的电子衡器和电子

17、称重系统所用的称重传感器， 几乎是电阻应变式的一统天下，约占98%以上。五、我国传感器技术发展重点1.传感器发展重点 多学科、多种高新技术的交叉融合，推动了新一代传感器的发展。当前，我国重点开发的新一代传感器主要有：MEMS（微电子与微机械结合）的新一代微结构传感 器；MEMS与微光学结合（MOMES）的微光学传感器；MEMS与CPU、信息控制技术结合的智能传感器；MEMS与生物、电化学技术结合的生物化学传感器；MEMS与 网络技术结合的网络化传感器；纳米技术与传感器技术结合的纳米传感器。2.传感器制造工艺发展重点微电子与微机械结合（MEMS）工艺、新一代固态传感器微结构制造工艺、无应力封装工

18、艺、多芯片组装 工艺。应用这些工艺可制造各种微传感器、微硅电容 传感器、汽车专用压力和加速度传感器等。集成工艺和多变量复合传感器微结构集成制造工艺。如：工业控制用的压力、静压、温度三变量传感器；气压、风力、温度、湿度四变量传感器等。智能化技术与智能传感器信号有线或无线探测、变换处理、功能计算、双向通讯、逻辑判断等智能化技术。可制造智能多变量传感器、各种智能传感器、变送器。网络化技术和网络化传感器，使传感器具有工业化标准接口和协议功能。3.传感器产业发展方向传感器产业化发展模式。要加速从传感器研究开发到 生产一条龙的产业化发展模式，走自主创新和国际合 作相结合的跨越式发展道路。传感器产品结构向全

19、面、协调、持续发展。产品品种 向高技术、高附加值倾斜，尤其要填补“空白”品种。企业生产规模（年生产能力）向规模经济或适宜规模 经济发展。生产格局向专业化发展。专业化生产的内涵为： 生产传感器门类少而精； 专门生产某领域、某系列产品，市场占有率高； 各传感器企业的专门化合作生产。传感器大生产技术向制度化方向发展。传感器门类、 品种繁多，敏感元件材料、结构各异，决定了其制 造技术的多样性和复杂性。综观当前传感器生产工 艺概况，应首先实现单道工序自动化，其次尽量实 现生产工艺流程自动化、网络化。企业的重点技术改造应加强从依赖引进技术向引进 技术的消化吸收与自主创新的方向转移。企业经营要加快从国内市场

20、为主向国内与国外两个 市场相结合的国际化方向跨越发展。企业结构将向“大、中、小并举”、“集团化、专业化 生产共存”的格局发展。 六、称重传感器的特性 1. 一般传感器的特性（包括总特性和工作特性） 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。 2.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

21、 衡对整个测量误差有贡献的每个因素。称重传感器的准确度、稳定性、可靠性直接决定了电子称重系统或电子衡器产品的质量。描准国际称重传感器发展潮流和战略前沿技术确立发展方向、选择研究课题。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，应将研究开发的重点确立为： 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与工艺研究； 新产品和自主知识产权产品开发； 称重传感器应用技术研究。 第2节 应变式称重传感器发展简史 发现： 1856年英国Kelvin发现金属丝应变与电阻变化存 在函数关系，可用电桥测量电阻变化，由此确立了应 变电测技术的基本原理。 发明：

22、1938年美国Simmons 和Ruge分别发明丝绕式纸基可 粘贴型电阻应变计，为研制应变式传感器打下理论与物质基础。1940年美国BLH 和Revere公司发明应变式负荷传感器，为电子称重技术和研制电子衡器打下理论与物质基础。 创新： 1952年英国Jackson研制出以环氧树脂为基底，采用 全新工艺制造的金属箔式电阻应变计，大幅度的提 高了负荷传感器的准确度和稳定性。 1954年C.S.Smith（史密斯）发现硅和锗半导体的压 阻效应，1957年研制出半导体电阻应变计，并逐渐 用于各种传感器。 1963年美国空间协会制订了NA942电阻应变计标准。 19711973年美国 Haggstom

23、 和 Hollistem分别研 制出切应力负荷传感器，形成了一个新的发展潮流。 1972年美国Stein建立数学模型设计、计算应变式负 荷传感器。 1973年德国Edom利用有限元分析、设计应变式负荷 传感器。1974年日本大井光四郎应用有限元法分析应变传递 原理，设计框状端头电阻应变计，减少了滞后误差。1975年前后美国KChatters、日本寺岗公司研制出 铝合金平行梁负荷传器用于电子计价秤，形成了负荷传感器又一个新的发展潮流。1976年原苏联学者.研制出蠕变自补偿电阻应变计，推动了铝合金负荷传感器的快速发展。1978年我国航天部研制出S形切应力负荷传感器，用于同时进行拉、压对称载荷的试验

24、测量。1979年瑞典Flintab（弗林特阿比）公司研制出双剪 梁型负荷传感器，用于电子吊车秤，安装在吊钩滑 轮组上。1979年美国Ned Sneed研制出弯曲型称重轨，在工 字型钢轨底部粘贴电阻应变计进行测量，是世界上 第一台集成化称重轨负荷传感器。1985年OIML颁发R60称重传感器计量规程国际 建议，从此将负荷传感器中的测力与称重传感器分开。20世纪80年代中期，美国TOLEDO(现METTLER TOLEDO)公司把数字技术与传统的应变式传感器技 术相结合，研制出数字称重传感器，突破模拟式称重 传感器的局限性，开创了数字称重新时代。 20世纪80年代，研制出轴对称扭转环、弯曲环式称重

25、 传感器和整体型称重轨（剪切式）、称重板、称重钩、 称重环等集成化称重传感器。 20世纪90年代初期，研制出分离型数字智能称重传感 器（即数字接线盒）。 1992年美国STS公司研制出整体三柱、四柱称重传感 器，是正应力柱式称重传感器结构设计的重大突破。 20世纪90年代末期，美国BLH公司研制出组件化设计 的“即插即用” 新式称重模块。 2000年OIML R60首次纳入装有电子装置的称重传感 器，首次引入族和组、分配系数PLc范围等新概念。 上述创新都在应变式称重传感器发展史上引起过 较大或重大变革，并产生了深远影响。 第3节 应变式称重传感器发展概况 一、国外发展概况20世纪90年代以来

26、，在电子称重技术快速发展的强力 牵引下，应变式称重传感器进入了大发展时期。 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。 处于国际市场引导地位企业：美国Vishay Measurements Group Vishay MicroMeasurements ：MM JP BLH Vishay Trans

27、ducers ：Sensortronics TedeaHuntleigh Celtron Revere BLH Vishay System ： BLH Nobel PM德国HBM公司 过去分为四个公司：称重计量公司 工业计量公司 标准计量公司 电测技术公司 现不分公司致力于：电阻应变计 测力与称重传感器 测量仪表 信号调整与数据采集系统 分析与标定软件 数字称重系统 扭矩、位移、压力传感器等研发 国外称重传感器技术发展特点：重视基础技术和共性关键技术的研究，保证基础技术与基础工艺一直处于世界领先地位；重视基础设施建设和制造技术、制造工艺的研究与应用，作到工艺装备最先进；描准世界称重传感器技术的

28、发展潮流和战略前沿技术，确定研究课题和产品开发方向；重视称重传感器的可靠性设计、控制与管理，努力使工艺兑现率达到百分之百；重视市场竞争，加强市场调查与分析，快速响应市场；重视相关法规和规程的学习，全面理解并认真执行，保证生产的每一个产品都符合要求。 二、国内发展概况20世纪80年代我国20多家企业，先后引进美国、日本、德国的设计与制造技术，通过学习、消化、吸收，经过仿制、试制后小批量生产称重传感器。20世纪80年代末、90年代初国内一些企业，开始自行设计并较大批量产生称重传感器，产品技术与工艺水平都有很大提高，质量和数量基本满足国内市场需求。当时的称重传感器市场是多品种、小批量；低成本、高收益

29、；投资小、见效快。于是导致各系统的企业纷纷进入此行业，生产厂迅速增加到160多个。20世纪90年代中期开始的价格大战，一直沿袭至今日，使得企业一味降价、一味让利，没有资本的原始积累，无法研究新技术、新工艺，开发新产品。尽管独资、合资企业的产品一直保持较高质量水平， 但迫于市场压力，只能减少内销量，主要靠国外定单。有些企业严格执行R60国际建议，产品具有国际水平 的质量和国际市场需求的结构，中、小批量出口。有些企业工艺装备、检测手段比较先进、完善，为国 外知名企业，中、小批量贴牌生产多种结构和规格的 称重传感器。一些有一定影响的民营企业，在工艺装备、人力资源 都有保障的前提下，靠大批量生产，低价

30、销售取胜。各种家用秤的铝合金称重传感器的研发、设计、制造、 生产中心在中国，主要是在广东。 第4节国际计量组织及美、欧等国衡器协会 国际三大计量组织： 国际计量局（BIPM） 国际法制计量组织（OIML） 国际计量测试联合会（IMEKO） 1.国际法制计量组织（OIML） 是一个从事法制计量工作的政府间组织。1955年10 月12日美、德等24个国家在巴黎签署的国际法制计量 组织公约成立。 最高权利机构是国际法制计量大会（CGML）， 一般每四年召开一次。 领导和咨询机构是法制计量委员会（CIML）， 每两年召开一次。 常设机构是国际法制计量局（BIML）地址巴黎。 OIML的主要任务：收集各

31、国法制计量机构及法制计量器具的文献和情报，确定法制计量的一般原则；制定并推荐国际性计量技术法规，组织新检定方法和国际交流；协调国际间制造、使用和检定计量器具中出现的计量和管理问题；推动国际计量立法的一致，促进国际贸易，促进成员国主管法制计量部门的联系。 OIML向成员国推荐的技术法规：国际建议国际文件按课题建立技术委员会（TC）和分技术委员会（SC），由各成员国分别承担TC和SC秘书处工作。OIML共有18个技术委员会，其中TC9为质量和密度技术委员会，起草过R60 2000称重传感器计量规程。我国于1985年4月25日成为OIML第50个成员国。2. 国际计量测试联合会（IMEKO）是一个非

32、政府间的国际计量测试技术学术组织，主要讨论研究反映当代计量测试和仪器制造发展动态与趋势的应用计量测试技术。IMEKO与联合国科教文组织（UNIDO）具有协商地位。基本宗旨是促进测量与仪器领域中科技信息的国际交流，加强本领域内科技人员间的国际合作。主要活动是召开IMEKO大会和技术委员会，组织学术讨论会，出版论文集、教材、术语集等。1961年我国以“中国计量技术与仪器制造学会筹备委 员会”名义参加IMEKO，后改由中国计量测试学会为 代表我国的IMEKO成员。1991年9月在北京召开了IMEKO第12届大会。 3.美、欧、日等国衡器协会： 美国国际称重与测量协会（ISWM） 美国国家工业衡器协会

33、（NISA） 美国衡器制造者协会（SMA） 欧洲衡器生产企业协会（CECIP） 德国机械设备制造联合会（VDMA） 日本计量机器工业连合会（JMIF）第5节 应变式称重传感器的特点 应变式称重传感器是知识密集型、技术密集型和技巧密集型的高技术产品， “高”就高在它的： 高技术性技术密集程度高，边缘学科色彩浓，是多 种学科和技术相互交叉、相互渗透的结晶。 高技巧性工艺复杂，难度较大，对工艺装备、检测 手段、职工素质要求高。 高综合性研制和生产所涉及内容多、离散大，是多学 科技术的运用与集成 ，必须运用综合技术与 工艺方法分析和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

34、繁 多，向其它领域渗透能力强。 应变式称重传感器研究、设计、制造、应用 特点可概括为：技术特点：设计和制造所涉及的技术与工艺内容离 散大，是多学科、多种技术的交叉融合。工艺特点：工艺难度大，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。管理特点：法规、标准、规程多，难度大，质量 控制与管理要求严格。应用特点：准确度、稳定性和可靠性是用户关心 的重要质量指标。研发特点：电子称重技术和电子衡器的需要是称重 传感器研发、创新的永久性课题。竞争基础制造技术、制造工艺、创新产品和自 主识产权产品。竞争焦点切合实际的市场开拓方式，国内、外 市场的响应速度。理论发展尚没有比应变电阻转换（电阻应

35、变 式）更好、更适用、更经济的原理。 发展战略创新竟争战略，创新被誉为21世纪的企 业发展与竞争战略。 创新标准技术先导性、工艺先进性、产品适用 性、市场扩散性。 对于称重传感器的结构设计与制造工艺而言，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。 第2章 应变式称重传感器工作原理在传感器通用术语国家标准（GB766687）中，传感器定义为：能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。 被测量 中间量 电量 电信号 敏感元件 转换元件 测量电路 传感器的机理是基于各种物理的、化学的、生物的效应，并受相应的定律和法则所支配，

36、 进行能量和信息转换。称重传感器利用的是表示物质本身内在性质的定律虎克定律。 第1节 应变式称重传感器工作原理 一、工作原理1.力学原理虎克定律 或 ，E E为材料的弹性模量，代表在外力作用下材料对弹性变形的抵抗能力。 虎克定律的适用条件： （1）应力不超过材料的比例极限； （2）计算L时，P、E、A均应为常数。 2.物理学原理即应变电阻转换原理。它是基于 金属导线的应变电阻效应。 由 可导出 式中K为电阻应变敏感材料的灵敏系数，其物理意 义为单位应变的电阻变化率。 在外力作用下，K受两个因素的影响： 其一敏感材料几何形状变化引起的（1+2）项； 其二敏感材料电阻率变化引起的（1/）（d/）项

37、。的变化是由于材料产生应变时，自由电子的活动能力和数量发生变化而引起的，至今对其变化规律还没有深入研究，所以K值只能从实验求得。 3.电学原理惠斯通电桥电路。 由四个电阻R1、R2、R3、R4连成四边形组成的电路称为惠斯通电桥电路，AC对角线连接直流电源，称为供桥端，Ui称为供桥电压；BD对角线连接测量仪表，称为输出端，U0称为输出电压。惠斯通电桥的作用是将桥臂的电阻变化转换成电压输出。测得此电压输出即可完成称重计量任务。 在供桥端AC施加供桥电压Ui后，便在输出端BD有一个初始电压U0，若桥臂的电阻发生变化，则输出电压也相应变化为U0+U0。 惠斯通电桥用于应变式称重传感器时有如下特点：起始

38、状态（桥臂电阻未发生变化）时，输出电压U0可以为零。工作时，以输出电压从零开始的变化量U0反映电阻的变化量，可以达到较高的分辨率，对放大、显示、记录十分有利；温度变化等影响通过全桥连接可以相互抵消；如果电阻应变计粘贴位置、方向和组桥合理，可以消除或减少偏心载荷、侧向载荷的影响；容易进行各项电路补偿与调整。 二、电压输出电桥 利用欧姆定律和克希霍夫定律，得因为 I1 I2所以 U0 下面讨论应变式称重传感器常用的全桥式等臂电桥。 设各桥臂的初始电阻为R1R2R3R4R，因此满足平衡条件，电桥初始处于平衡状态。 当四个桥臂电阻分别变化为 R+R1、R+R2、R+R3、R+R4时，代入上式可得 或改

39、写为 （1） 因为称重传感器是采用相同型号和规格的电阻应 变计，其电阻变化率与各应变之间的关系为 代入（1）式可得 （2） 由于 比1小得多，可忽略不计， 则（1）和（2）式可简化为 （3） （4） 下面重点对（2）式进行分析。 （2）式说明：在一般情况下，恒压电桥的输出电压与弹性元件上应变之间是非线性关系，这样，载荷与输出电压之间也呈非线性关系。 只有使弹性元件上电阻应变计的安装定位和电桥接线满足下列要求，即 1=3=；2=4=- （5） （2）式中的 此时（2）式就成为 U0=UiK （6） （6）式说明，只要弹性元件上安装的电阻应变计所感受的应变值，满足（5）式的要求时，电桥的输出电压与

40、弹性元件的应变呈线性关系。 为了得到较大的输出电压U0，可采取如下措施：增大电桥电压Ui。但应变计的工作电流也大，将使称重 传感器产生蠕变和零漂，因此不要超过电阻应变计的最 大工作电流。对于全等臂电桥，其最大桥压为 Ui（max）2RImax （7） 式中 R电桥的单臂电阻，即电阻应变计电阻； Imax电阻应变计的最大工作电流。 例如Imax=20mA ，则Ui（max）23500.02=14V增大桥臂电阻或减小通过应变计的电流。增大应变计的灵敏系数K值。在弹性元件上粘贴应变计及组焊电桥时，应使应变1、3和2、4的符号相反，这样式（2）中分子值就大。 三、电桥的灵敏度 电桥的输出电压与被测应变

41、在电桥一个桥臂上引起 的电阻变化率之间的比值，称为电桥的灵敏度Su。 令 则 式中n为电桥的工作臂系数。单臂工作电桥 只有R1为工作桥臂，电阻变化为R+R，其余各臂为固定电阻R，且R2=R3=R4=0，则（3）式变为双臂（相邻臂或相对臂）工作电桥 以相邻臂为例，电桥的R1、R2为工作桥臂，且有电阻增量R1=R、R2=R，R3、R4桥臂为固定电阻R，其增量R3=R4=0，则（3）式变为四臂工作电桥 为全桥差动电路。R1、R2、R3、R4皆为工作臂， 其电阻增量R1=R3=R，R2=R4=R，则（3）式变为 由上述推导，可以得出四臂工作电桥的灵敏度是双 臂工作电桥的2倍，是单臂工作电桥的4倍。 应

42、变式称重传感器多采用全桥式等臂电桥，其原因 是电桥的工作臂系数n4，电桥的灵敏度最高。等臂 电桥的各桥臂参数一致，各种干扰造成的影响容易相 互抵消。 第2节 应变式称重传感器并联输出原理 一、称重传感器组秤的联接方式及特点 1.称重传感器串联组秤 将参预组秤的称重传感器的输出端依次串联，输入端各自单独给电桥施加激励电压为串联输出。 U0Ui1Ui2Ui3Uin在称重显示控制器分辨率比较低的条件下，可以得到 较精确的测量结果，其总输出是参预串联组秤的称重 传感器单电桥电路输出之和。串联组秤增大了称重传感器总的输出电阻容易引入共 模干扰，共模电压可能扰乱低电平的应变信号电压。特别是每一个称重传感器

43、一定要有单独的供桥稳压电 源，否则将完全破坏电桥电路原有的关系，这就增加 了系统的复杂性。要把几个单独的稳压电源做得一样是比较困难的，如 果是直流那就更困难了，所以串联输出很少被采用。 2.称重传感器并联组秤 将参预组秤的称重传感器的输出端依次并联后与称重仪表相连接，输入端依次并联共用一个供桥电源为并联输出。U0Ui 称重传感器并联组秤特点：参预并联的各称重传感器共用一台稳压电源给电桥 施加激励电压，即节省设备，简化系统，又提高称 量可靠性；并联后还可以减小总的输出电阻，增强系统抗干扰 能力；并联输出利用的是平均值电路原理，所以对称重传 感器灵敏系数公差和输出电阻分散度要求较严格， 在目前的工

44、艺条件下这些要求都是很容易作到的， 因此称重传感器并联组秤得到了广泛应用。 3.称重传感器混联组秤称重传感器混联组秤是上述串联和并联输出电路的综 合，即有串联又有并联。以4只称重传感器参预组秤为例，有每两只先串联后 再并联和每两只先并联后再串联两种混联类型。先串联后并联的混联输出电路，仍需要4个单独的供 桥稳压电源，电桥总的输出电压或总电流均为单电桥 输出的两倍；先并联后串联的混联输出电路，只需要2个供桥稳压 电源，电桥输出的总电压或总电流也为单电桥输出的 两倍，混联输出电路也很少被采用。 二、应变式称重传感器并联输出原理 1.并联输出电路分析惠斯通电桥电路可简化为一个电势和一个内阻组成 的等

45、效电源电路，电势相当于称重传感器的灵敏度 S，内阻相当于称重传感器的输出电阻R0。 n只称重传感器并联的等效电路，为n个单只称重传 感器等效电路的并联。在实际应用中，各称重传感器的灵敏度S和输出电阻R0不可能做到绝对一致，总是存在一定的公差。因此应设法求出此公差对并联输出电压的影响，以确定灵敏度和输出电阻公差的大小。 2.并联输出电路原理 在并联输出等效电路中，设4个电源内阻不相等，即相当于4只称重传感器的输出电阻不相等，分别为 R1R（1-a）、R2R（1-b） R3R（1-c）、R4R（1-d） 其中a、b、c、d分别为输出电阻公差的相对值，它们的输出电压分别为 e1、e2、e3、e4。

46、为简化计算，先讨论2只称重传感器并联的称重系统。根据全电路欧姆定律，等效电路中1、2之间的电流为 （1） 等效电路的开路电压，即并联输出电压为 （2） 将式（1）代入式（2），得 （3） 将输出电阻及公差值代入式（3），得 （4） 将式（4）右边分子、分母同乘以2+a+b，则 整理后，略去最小项，得 （5） 式（5）为2只称重传感器并联，输出电阻存在公差时，总输出电压的计算公式。 同样可推导出3只称重传感器并联输出电压为 （6） 4只称重传感器并联输出电压为 （7） 在式（5）、（6）、（7）中，当各只称重传感器输出电阻的公差都为零或相等时，即abcd0 或 abcd时，则 2只称重传感器并联

47、输出电压为 （8） 3只称重传感器并联输出电压为 （9） 4只称重传感器并联输出电压为 （10） n只称重传感器并联输出电压 （11） 在此基础上，再使灵敏度公差为零或相等时，则总输出电压与每个称重传感器单独输出电压的关系为 2只称重传感器并联时 3只称重传感器并联时 4只称重传感器并联时 n只称重传感器并联时 （12） 式（12）说明，当负载端开路时，由于n个电源 的电动势相等，即n个称重传感器的灵敏度S相等，n 个电源的内阻相等，即n个称重传感器的输出电阻R0相 等，所以电路中没有电流，因此并联输出电压等于每 一个称重传感器的输出电压，其等效内阻为每一个称 重传感器内阻的1/n。 结论：n

48、只称重传感器并联时，由于灵敏度S和输 出电阻R0的公差为零或相等，所以并联输出电压没有 误差。当灵敏度S和输出电阻R0公差较大时，并联输出 电压将产生较大的附加误差。 第3节 应变式称重传感器并联输出误差 根据统计学原理，互相独立的各种误差对并联后 的合成误差都有影响，合成误差分布的方差可用下式 表达： 合成误差的标准偏差为： 以n误差限为依据的各个误差也可用同样的方式组合起来，即 有了上述基础，就可以讨论n个称重传感器误差的合成问题。 设：a1、a2、a3、an为1n个称重传感器的合成 误差（绝对单位）； aT为n个称重传感器并联后的总误差（绝对单位）； W1、W2、W3、Wn为每个称重传感

49、器的额定 容量； WT为并联称重传感器系统的总容量。 由上式有 在一个由同样准确度的n个称重传感器并联组成 的称重系统内，随机误差的分布是相同的，即 a1a2a3ana 一般，n个称重传感器系统是由同样量程的称重传感器并联组成，所以有 W1W2W3WnW W1+W+W3+WnnWWT 综合两式得 将上式两边除以并联称重传感器系统的总量程，就把绝对误差转换为相对误差，即 应用上式，得 令 则 式中eTn个称重传感器并联系统总的相对误差； ec每个称重传感器的相对合成误差。 由上式可以得出，n个称重传感器并联输出总的 相对误差为单个称重传感器相对合成误差的1/ 倍，也就是说，在由n个称重传感器并联

50、组成的称重 系统内，与单个称重传感器合成误差a/W相比，总的 误差减至1/ 。 结论：称重传感器除固有的非线性等系统误差外，所有 别的误差均为随机误差，其值有正有负通常按高 斯定律分布。根据误差理论可推导出n只称重传感器并联总的 相对误差为单个称重传感器相对合成误的 。并联“电模拟”试验证明：灵敏度S公差 0.1%， 输出电阻R0分散度0.29%，为并联输出的重要 条件。第3章 应变式称重传感器用电阻应变计第1节 电阻应变计的结构与工作原理 一、基本结构 敏感栅、基底、复盖层、胶粘剂、引线， 要求敏感栅、基底、复盖层结为一个整体。4321 1引线 2覆盖层 3基底 4敏感栅 敏感栅：用金属细丝

51、绕制或金属箔材蚀刻成栅形，其作用是将弹性元件的应变量转换成电阻变化量。基底：支持敏感栅，使其保持规定的几何形状，并保证敏感栅与弹性元件之间有很高的绝缘性能。覆盖层：保护敏感栅不受机械损伤，增强敏感栅与基底的粘结力。扁平引线：从敏感栅引出的扁平金属线，其作用是将电阻应变计与测量电桥电路相连接。 二、工作原理 在一定应变范围内，有 ，若已知R、 K，只要测量出 ， 就可推导出试件或弹性元件的 轴向应变L 。三、应变传递原理 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，故剪应力为零，两端剪

52、应力符号相反。 L0为等效长度。 剪应力拉压力Laa敏感栅基底胶粘剂层弹性元件XL0敏感栅所受的轴向力沿X轴分布，两端力为零，并 以指数曲线上升至一定值。在等效长度L0内应变均匀分布，但参加变形的长度 减小了2a，造成R减小，而R不变，故R/R变 小，使感受弹性元件应变的灵敏度降低了，这就是 电阻应变计的端部效应。 分析应变传递得出： （1）通过剪应力的传递作用，拉、压敏感栅实现应变传递，即敏感栅中心剪应力为零，两端呈指数曲线上升至最大值，称为剪应力传递区。（2） 弹性元件的应变经基底传递到敏感栅中，其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） 对应

53、于剪应力传递区的敏感栅部分，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，应合理选择电阻应变计 和应变胶粘剂，其选择原则是： 尽量选择框状端头的电阻应变计； 基底边缘至端头要有足够距离，厚度25m最好； 选择栅或丝时应越薄或越细越好； 胶粘剂层越薄越好，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。-t- 第2节应变电阻合金箔材轧制工艺 一、 粗轧工艺1.熔炼为了获得不同的电阻温度系数，康铜被熔炼成 不同成份的应变电阻合金；卡玛则被熔炼成标 准成份的应变电阻合金。2.重熔采用电渣重熔冶炼法，去除氧化物和其它非金 属内含物，细化电阻合金晶粒，是防止

54、箔材轧 制过程中由于针孔引起断裂的关键工序。重熔 后加工成直径14英寸，重量约1t的铸锭。3.高温渗透为使合金组织均匀，对铸锭进行高温渗透4.锻造将电阻合金铸锭锻打成厚钣，锻打有助于组织 结构进一步细化，并提供热轧的截面形状。5.表面加工通过研磨去除厚钣表面缺陷，保证表面 质量，为箔材轧制打好基础。6.热轧将厚钣重新热处理，轧制成大卷带材，通常 称为热带材，一般厚0.2英寸（5.08mm)，宽 12英寸(304.8mm)，长100英尺(30.48m)以上。7.冷轧将热带材去除氧化皮、酸洗后，冷轧至厚度 为0.15英寸(3.81mm)。8.碾压对带材进行碾压，实际上是第二次表面处 理，目的是消除

55、轧制过程中残留的表面缺陷。9.再次冷轧将大卷带材冷轧至厚度为1/16英寸 (1.59mm)。10.退火处理为使大卷带材软化，在有保护性气体的 退火炉中连续进行退火处理。 二、精轧工艺 1.森吉米尔20型高速轧机的特点世界上应变电阻合金超簿带材，几乎全部由森吉米尔20辊高速轧机轧制完成。扎机的电控系统由外围电控设备和计算机控制系统组成，完成对关键参数（轧制速度、带材张力、带材厚度）的自动控制。特别是厚度控制采用前馈反馈控制方法，厚度公差小、带材均匀度高。前馈控制用于修正入口的来料厚度变化；反馈控制通过检测出口测厚仪的厚度偏差信号，对轧制量进行反馈控制。系统按照计算出的前馈控制量及反馈控制量，通过

56、伺服阀控制压下装置的动作进行调节。 2.美国HPM公司精轧工艺 对合金成份纯度和洁净度要求高，是应变电阻合金箔材精轧工艺的最大特点。其工艺流程如下： 应变电阻合金成份、尺寸、表面质量检查。 酸洗为保证轧制时的洁净度，对带材进行酸洗 处理，去除带材残留的表面缺陷和氧化皮。 冷轧在森吉米尔20型高速轧机上对带材进行冷 轧，直至中间厚度（箔材最终厚度的10倍)。 清洗除去冷轧过程中产生的表面污物。 退火处理在有保护性气体的炉中进行退火处理， 使带材软化。 碾压将冷轧的中间厚度的带材，在箔材轧制机上 碾压至厚度为0.00010.0002英寸（2.5 5m），厚度变化小于0.00001英寸 （0.25m

57、）。 清洗除去碾压加工过程中产生的表面污物。 剪裁将大卷带材剪裁至应变计箔材要求的宽度。 箔材质量检查 在试验室检测b、 0.2 、E、等机械 性能和电阻率、电阻温度系数、热膨胀系数 、热导率等特性。所有检测信息将与箔材一起 提供给电阻应变计制造商。 第3节箔式电阻应变计传统制造工艺 1.图形设计 根据名义阻值、基长、基宽、箔材厚度、电阻率进行计算，确定栅条、横栅尺寸和焊点端部形状、面积。 2.刻图 按敏感栅参数放大50200倍，先绘制草图，再用刻图机在刻图模上刻出敏感栅图形，这就是照像制版用的 200倍负图。 3.制版 用负图经缩小20倍摄影成为大10倍正版图，再经缩小10倍摄影制成敏感栅图

58、形，并拼成一个版面上有数十个敏感栅的负图版。 4.箔材准备（检查、裁剪、清洗） 根据制造工艺要求，将检查合格的箔材裁剪成长方形小块，并逐块清洗干净。 5.箔材退火处理 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定。退火温度、保 温时间、循环次数是稳定性处理的三要素。 6.制基底膜（涂基底胶） 在箔材的一面涂基底胶，一般应在高性能离心式匀胶机上进行，保证厚度（ 0.020.0

59、3mm ）均匀和版与版之间的一致性。特别要保证胶层固化充分。 7.涂光刻胶 在箔材的另一面涂上一层光致抗蚀剂，此剂在光 线照射下，分子会发生化学反应而产生抵抗腐蚀的性 能，保护处于下面的箔材。 8.光刻 用爆光及显影的方法，使图形保留在箔材表面， 除去其余部分光刻胶，裸露出箔材，以便进行蚀刻。 9.粗蚀刻 目的是除掉裸露的箔材留下箔栅，为了蚀刻均 匀用三氯化铁蚀刻液盐酸和甲醇进行蚀刻。蚀 刻液成份、蚀刻方式、蚀刻时间是关键。 10.细蚀刻 可人工用毛笔蘸蚀刻液逐片进行涂刷蚀刻， 此工艺较费事、效率低，也可在智能蚀刻机上进 行蚀刻。如果粗蚀刻箔栅电阻值大小及分散度符 合工艺要求，可减掉此工序。

60、如采用智能型蚀刻机，可省去此工序。 11.蚀刻质量检查 蚀刻质量检查方法对应变计质量的影响较大，传 统应变计生产工艺的蚀刻质量检查为人工放大镜检 查，不科学、不严格，人为的因素对产品合格率影响 较大，有些应变计生产企业的合格率高达90 左右。 12.调阻 机械调阻法 用金相砂纸研磨敏感栅表面，提高电阻值使其达到规定的标准，实际是一种冷加工，不仅损坏敏感栅表面，而且在敏感栅表面产生较大 预应力，造成阻值缓慢变化；温度特性变差；阻值分散度增大；劳动强度较大，工作效率不高。 化学调阻法 利用蚀刻液的化学蚀刻作用，改变敏感栅丝的 宽度调整电阻值，多为人工手动涂刷蚀刻液。其特 点是：不产生予应力，不会造