应变式称重传感器技术的现状和发展趋势 传感器技术指标

一、应变式称重传感器的发展与技术创新

1938年美国加利福尼亚理工学院教授E.Simmons（西蒙斯）和麻省理工学院教授A.Ruge（鲁奇）分别同时研制出纸基丝绕式电阻应变计，以他们名字的字头和各有二位助手命名为SR-4型，由美国BLH公司专利生产。为研制应变式负荷传感器奠定了理论和物质基础。

1940年美国BLH公司和Revere公司总工程师A.Thurston（瑟斯顿）利用SR一4型电阻应变计研制出圆柱结构的应变式负荷传感器，用于工程测力和称重计量，成为应变式负荷传感器的创始者。1942年在美国应变式负荷传感器已经大量生产，至今已有60多年的历史。

前30多年，是利用正应力（拉伸、压缩、弯曲应力）的柱、筒、环、梁式结构负荷传感器的一统天下。在此时期内，英国学者杰克逊研制出金属箔式电阻应变计，为负荷传感器提供了较理想的转换元件，并创造了用热固胶粘贴电阻应变计的新工艺。美国BLH公司和Revere公司经过多年实践创造了负荷传感器电路补偿与调整工艺，提高了负荷传感器的准确度和稳定性，使准确度由40年代的百分之几量级提高到70年代初的0.05量级。但在应用过程中出现的问题也很突出，主要是：加力点变化会引起比较大的灵敏度变化；同时进行拉、压循环加载时灵敏度偏差大；抗偏心和侧向载荷能力差；不能进行小载荷测量。上述缺点严重制约了负荷传感器的发展。

后30多年，经历了70年代的切应力负荷传感器和铝合金小量程负荷传感器两大技术突破；80年代称重传感器与测力传感器彻底分离，制定R60国际建议和研发出数字式智能称重传感器两项重大变革；90年代在结构设计和制造工艺中不断纳入高新技术迎接新挑战，加速了称重传感器技术的发展。

1973年美国学者霍格斯特姆为克服正应力负荷传感器的固有缺点，提出不利用正应力，而利用与弯矩无关的切应力设计负荷传感器的理论，并设计出圆截工字形截面悬臂剪切梁型负荷传感器。打破了正应力负荷传感器的一统天下，形成了新的发展潮流。这是负荷传感器结构设计的重大突破。

1974年前后美国学者斯坦因和德国学者埃多姆分别提出建立弹性体较为复杂的力学模型，利用有限单元计算方法，分析弹性体的强度、刚度，应力场和位移场，求得较佳化设计。为利用现代分析手段和计算方法设计与计算负荷传感器开辟了新途径。

70年代初中期，美、日等国的衡器制造公司开始研发商业用电子计价秤，急需小量程负荷传感器。传统的正应力和新研制的切应力负荷传感器都不能实现几公斤至几十公斤量程范围内的测量。美国学者查特斯提出用低弹性模量的铝合金做弹性体，采用多梁结构解决灵敏度和刚度这对矛盾。设计出小量程铝合金平行梁型负荷传感器，同时指出平行梁负荷传感器是基于不变弯矩原理，使利用平行梁表面弯曲应力的正应力结构，具有切应力负荷传感器的特点，为平行梁结构负荷传感器的设计与计算奠定了理论基础，形成了又一个发展潮流。

蠕变是电阻应变计和铝合金负荷传感器经常遇到和必需解决的关键问题。1978年前苏联学者科洛考娃通过对一维力学模型和应变传递系数的分析，提出控制电阻应变计敏感栅的栅头宽度与栅丝宽度的比例，可以制造出不同蠕变值电阻应变计的理论，并成功的研制出系列蠕变补偿电阻应变计。对低容量铝合金负荷传感器减小蠕变误差，提高准确度起到至关重要的作用，使电子计价秤用铝合金负荷传感器多品种、大批量生产成为可能。

由于电子称重技术的迅速发展，负荷传感器性能的评定方法，已不能满足采用阶梯公差带评定准确度等级电子衡器的需要，急需与电子衡器准确度评定方法相适应的计量规程。80年代初，国际法制计量组织（OIML）质量测量指导秘书处决定将用于电子称重的传感器与用于测力的传感器彻底分离，由美国负责的第8报告秘书处起草《称重传感器计量规程》。经过OIML成员国书面表决后，在1984年10月第7届法制计量大会上正式批准，并于1985年以OIML，R60国际建议颁布，下发到各成员国。目前各国正在执行的是R60的2000年版。可以说R60《称重传感器计量规程》是各国称重传感器进入国际市场的“通行证”。

随着数字技术和信息技术的发展，各行业对数字化电子衡器的需求愈来愈多，提出用数字称重系统突破模拟称重系统局限性的要求，对此模拟式称重传感器就无能为力了。因为在此之前，称重传感器的研究都集中在硬件方面，例如：创新弹性体结构，改进制造工艺，完善电路补偿与调整等。模拟式称重传感器的输出信号小，抗干扰能力差，传输距离短，称重显示控制仪表复杂，组秤调试周期长等缺点依然如故。为满足数字化电子衡器的需求，美国TOLEDO、STS和CARDINAL公司，德国HBM公司等先后研制出整体型和分离型数字式智能称重传感器，并以其输出信号大，抗干扰能力强，信号传输距离远，易实现智能控制等特点，成为数字化电子衡器和自动称重计量与控制系统的必选产品，形成一个开发热点。

90年代，由于称重传感器的设计与计算等基本技术趋于成熟，称重传感器的发展侧重于工艺研究和应用研究，在产品标准化、系列化、工程化设计和规模化生产工艺等方面都有很大进步，主要是：

在结构与工艺设计中引入计算机拟实技术和虚拟技术；
在弹性体加工中纳入柔性制造技术；
在生产工艺中采用计算机网络技术；
在稳定处理中移植了振动时效、共振时效新工艺；
在测试检定中创造了自动快速检测和动态比对方法。
应用技术研究也有突破性进展：在传统称重模块的基础上，研制出新式称重模块。这是应用新技术面对新挑战的典型产品。其特点是组件化设计，具有“即插即用”功能，可减少由于偏重、热效应影响，偶然超载等引起的称重误差，并可承受由于振动、冲击、搅拌或其它外力引起的偏重。总之，70年代两项技术突破，80年代两个重大变革，90年代纳入高新技术面对新挑战的研发理念，极大地促进了称重传感器技术的发展。

二、国外称重传感器技术现状及快速发展原因

工业与商业电子秤用称重传感器技术与制造工艺，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比较好地位，我国具有一定规模的称重传感器制造公司处于市场挑战者或市场追随者地位。家用电子秤用称重传感器的研发和生产中心在中国，在深圳，制造技术、工艺水平、产品质量和年产量逐年提高。

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。

从近几年国际衡器工业展览会上展出的产品和对多家处于市场引导者地位的企业产品的分析可以得出这些企业的共同追求是：弹性体材质更精良；电阻应变计、补偿元器件的技术要求和环境应力筛选更严格；制造工艺更精细；电路补偿工艺更完善；外观质量更完美。

称重传感器的准确度、稳定性和可靠性是重要的质量指标，同时也是用户最关心的问题。对此，这些企业在结构设计、制造工艺、电路补偿与调整和稳定性处理等方面进行许多研究与试验工作，取得较大进展，主要成果有：

（1）在结构设计与计算过程中，引入计算机拟实技术进行动态仿真，动力学分析；在工艺设计过程中引入计算机虚拟技术，对弹性体生产工艺进行模拟和检验；

（2）在弹性体加工中，纳入先进制造技术，变刚性制造为柔性制造。普遍采用加工中心、柔性制造单元和柔性制造系统；

（3）在生产全过程中，尽量减少手工操作、人为控制，增加半自动与自动控制、自动检验工序，并在生产工艺中采用计算机网络技术；

（4）改进、创新工艺装备，实现高效智能电路补偿，建立全自动快速检测系统，提高C3级产品成功率和大批量生产产品的抽检合格率；

（5）移植先进的稳定处理技术与装备，实施振动时效或共振时效新工艺，提高称重传感器的长期稳定性和工作可靠性；

（6）应用高新技术开发新产品和自主知识产权产品，增强核心竞争力。处于国际市场引导地位的企业都有自己的核心竞争技术、工艺和产品，例如：正负蠕变电桥的“O蠕变”称重传感器；铍青铜动态称重传感器；整体型和分离型数字式智能称重传感器；高准确度不锈钢3柱、4柱高温称重传感器；组件化设计的“即插即用”型新式称重模块等。

国外称重传感器技术发展特点及快速发展的原因：

（1）重视基础技术、基础工艺和共性关键技术的研究，作到基础研究与预先研究并行；共性关键技术研究与应用技术研究并行；典型产品开发与产品工程化并行。保证基础技术与基础工艺（电阻应变计、应变粘结剂、补偿元器件、防护与密封材料等）一直处于世界比较好地位。

（2）重视基础设施建设和制造技术、制造工艺的研究与应用。配置优良的工艺装备和检测仪器，特别是智能化工艺设备，作到工艺装备先进；

（3）描准世界称重传感器技术的发展潮流和战略前沿，确定研究课题和产品开发方向。重视新产品和自主知识产权产品的开发，增强核心竞争力。其技术创新和新产品开发的标准是：具有较高的技术先导性，工艺先进性，市场扩散性，效益增殖性。使技术与工艺始终处于世界比较好地位。

（4）重视称重传感器的可靠性设计、控制与管理，严格设计符合性控制和工艺可靠性控制，努力使工艺兑现率达到百分之百。

（5）重视市场竞争，加强市场调查与分析，快速响应市场。21世纪的市场竞争，是以市场响应速度为焦点，以改进和创新产品为基础。

（6）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。

正因为如此，国外的称重传感器品种繁多，规格齐全，合金钢、铝合金、不锈钢、铍青铜制品应有尽有；水下、钻井下测量，耐压防爆、抗辐射、耐腐蚀产品；微小和超大量程；多称量与动态称量；集成化与模块化结构任用户选购。并作到产品的内在与外观质量并重，近几年外观质量的改进与提高十分明显，基本没有喷漆产品，几乎全部是亮光或亚光化学镀镍、镀铬，烤漆，喷塑，瓷质阳极化和不锈钢产品。个别产品的外形已融入人性化设计。

目前的研发热点是：

数字式智能称重传感器的数字补偿技术与补偿工艺，及其应用技术；
快速、低速动态、动态称重传感器的研制及阻尼技术；
高温称重传感器制造工艺，高温稳定性及应用技术；
耐压、防爆型称重传感器及耐压外壳设计与试验技术；
组件化设计的“即插即用”的新式称重模块；
利用钡和铌代替镍制作灵敏度温度补偿电阻的研究。
三、我国称重传感器技术现状及主要差距

尽管我国航空、航天工业部门早在20世纪50年代末期就开始研究应用应变式负荷传感器，但并未向民用发展。就全国而言，负荷传感器的研制与生产起步较晚，60年代只有几个厂家生产普通精度等级的应变式测力传感器。结构单一，只有圆柱、圆环两种结构，基本不进行电路补偿与调整，有的产品甚至用外部平衡箱调整零点。

80年代初，全国有20余个企业用资一亿元人民币，用汇1300万美元，从美、日等国引进应变式负荷传感器制造技术与工艺装备，进行学习、消化、吸收。经过仿制和试生产后，开始多品种小批量生产，推向市场后，取得相当可观的效益。当时人们对此产品的总结是：多品种、小批量、低成本、高收益、投资少、见效快。引起不少行业的个人和企业的关注，纷纷进入此行业，生产厂家从70年代的20多个迅速增加到100多个，年产量与日本相当，达到100多万只。

随着国民经济的发展，各行业对电子衡器的需求不断增加，极大的促进了称重传感器技术的发展。80年代中期到90年代中期，是我国称重传感器技术稳步发展，品种和规格迅速增加，产品质量不断提高的十年。不少厂家都改进或增加工艺装备、检测仪表，购置智能温度补偿装置和灵敏度温度补偿设备，实现了规模化生产。90年代中期称重传感器生产企业增加到160多个，年产量200多万只。除满足国内市场需求外，十余个企业开始小批量出口，呈现出较好的发展势头。

尽管称重传感器是国家强制管理的法制计量器具，应当比较难进入此行业，但由于种种原因导至一些企业和个人很容易进入，造成市场拥挤，加剧了市场竞争。终于在90年代中期爆发了价格大战，谁的价格低，谁就是大赢家，而且逐年升级越演越烈，已经到了走火入魔的程度。价格大战的恶果是技术进步缓慢，工艺水平下降，质量问题严重，管理监督失控。最初的受害者是广大用户，最终的受害者是企业自己，是整个称重传感器行业。带着这些问题进入21世纪，称重传感器与工业发达国家的差距非但未缩小，反而加大了。近几年国家监督抽查结果就是例证。

2002年国家监督抽查7省市，16个企业，共48只称重传感器，合格18只，合格率37.5%。30只不合格产品来自10个企业，不合格原因全部是温度性能超差。更为严重的是在16个企业中，只有一个企业严格执行国家标准。如果变抽查为全面检查，合格率会更低。国家监督抽查结果真实的反应了我国称重传感器总体技术、工艺和管理水平。合格率低的主要原因是：质量意识差，不依法组织生产；对R60国际建议和国家标准不理解、不执行，错误的把0.02级与C3级等同起来；在利益驱使下改材料、换元件、减工艺，只求勉强合格或人为合格。

我国称重传感器与工业发达国家处于市场引导地位企业产品的主要差距是：

结构类型偏少，品种规格不全，特种用途产品奇缺；
准确度等级较低，C3级成功率不高；
稳定性和可靠性较差，返修率高，工作寿命低；
产品标准化、工程化水平和企业产业化程度较低，产品技术指标的均一性差；
外观质量虽有提高，但仍有较大差距；
工艺装备、检测手段不够先进且不配套，生产工艺中手工操作、人为控制成份大，“作坊手艺”痕迹较深，人为因素对产品质量影响较大；
创新产品和自主知识产权产品少，低水平重复产品多，贴牌加工、直接出口产品少；
企业没有核心竞争技术和产品，市场调查不够，市场响应速度太慢，造成无法与国际市场融合。
总之，制造工艺差距最大，通常将制造工艺分为：

支持工艺一一弹性体锻造、机械加工、热处理和表面处理等；
基础工艺一一电阻应变计、应变粘结剂、电路补偿元器件和防护密封材料等；
核心工艺一一电阻应变计粘贴与固化、零点与灵敏度智能温度补偿和防护与密封等；
特殊工艺一一热处理法时效工艺和机械法稳定处理工艺等。
其中基础工艺和特殊工艺差距最大。

家用电子秤（人体秤、健康秤、脂肪秤、厨房秤、营养秤、珍宝秤、口袋秤和手提秤等）用称重传感器及其电阻应变计，90年代中期以来，其研发与生产由世界各国逐渐移向中国，主要在广东、在深圳。近些年来在设计技术、制造工艺和产品产量上都取得了令人震惊的飞速发展。生产企业有三种类型：其一设计、生产、组装各种家用电子秤；其二为家用电子秤生产厂配套生产各种称重传感器（或自己生产电阻应变计，或外购电阻应变计）；其三只生产家用电子秤称重传感器用电阻应变计。目前这三种类型的生产厂家已达60多个。据国家海关统计2003年家用电子秤出口量3860多万台，出口值1.47亿美元，并以每年30％ 的速度增长。当时预计2004年家用电子秤出口量5000多万台，出口值2亿多美元。以此出口量计算，2004年共生产家用电子秤称重传感器共1.2亿只，与其配套的电阻应变计（以单轴片计算）约4.8亿片。

经过多年的研究与生产实践，解决了称重传感器量程小、弹性体小、电阻应变计敏感栅尺寸小等制造工艺上的难题。由于家用电子秤称重传感器的准确度为普通等级，不进行电路补偿，必需大批量生产，一般中型以上的生产厂日产电阻应变计12万片以上，称重传感器3万多只。他们用高质量的温度和模量自补偿电阻应变计较好的解决了这一难题，为大批量生产家用电子秤称重传感器创造了条件。

四、近年来称重传感器技术发展动向

国际上主要有两种发展途径：以美国为代表的先军工后民用，先提高后普及的途径和以日本为代表的实用化商品化，先普及后提高的途径。我国应属于后者，尽管军工部门研究应用较早，但并未转为民用，快速发展和普及还是在近20年。近几年是关键时期，急需提高我国称重传感器的总体技术、工艺和质量水平。

国际称重传感器技术的发展动向是，把称重传感器的准确度、稳定性和可靠性作为极其重要的质量指标，把制造技术和制造工艺作为核心竞争力，紧紧抓住称重传感器的特性问题、生产问题和应用问题进行基础研究、工艺研究和应用研究，其研究方向和特点是：

（1）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；

（2）在弹性体加工中，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；

（3）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；

（4）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，共振10分钟，可消除绝大部分残余应力。

在上述设计与制造技术支持下，称重传感器的品种和结构又有创新，技术功能和应用范围不断扩大，主要成果有：

（1）美国Revere公司研制出PUS型具有大气压力补偿功能的拉压两用的称重传感器，用于高准确度检验平台，称重平台，准确度可达5000d；

（2）德国HBM公司研制成功C2A、C16A两种不同结构的1一100t具有“耐压外壳”保护的防爆称重传感器，其防爆性能符合欧洲EN50014和EN50018“d”级标准；

（3）美国斯凯梅公司研制出新一代高准确度不锈钢F60X系列5一5000kg称重传感器，准确度6000d。用于湿度大，腐蚀性强的环境中，而且防水；

（4）德国塞特内尔公司研制出以铍青铜为弹性体材料，快速称重用200型称重传感器。其特点是线性好，固有频率高，动态响应快。独创油阻尼装置与过载保护装置一体化，保证称量时速度快，工作寿命长。组装3一30kg电子平台秤，准确度可达4000d；

（5）美国THI公司研制的1410型5一30kg铝合金称重传感器，准确度等级优于C3级，可承受离心力和机械振动，内装特制的粘性阻尼器，保证称量时有较快的稳定时间，一般低于50ms；

（6）美国VT一BLH公司开发出新式称重模块，具有合理的组件化功能和极高的称重效率，出厂后“即插即用”，可自动调节位置，不受搅拌，偏心和振动影响。

仅以上几例，足以代表了新产品的开发方向，体现了技术的先导性，工艺的先进性。就技术含量而言，有高准确度（4000d一6000d）称重传感器制造技术；大气压力补偿技术；用于快速、动态测量称重传感器的粘性阻尼器快速稳定技术；隔爆型耐压外壳的设计与制造技术；组件化新式模块设计技术等。

五、称重传感器技术的发展趋势

应变式称重传感器的发展趋势，可用“四化”来概括，即设计技术虚拟化，制造技术柔性化，生产工艺网络化，企业管理信息化。

设计技术虚拟化：包括弹性体结构设计的拟实技术和工艺设计的虚拟技术。

结构设计的拟实技术：是指面向弹性体的结构和性能分析技术，包括动态仿真、动力学分析、强度和刚度有限单元法计算、敏感区应变大小与分布等，以达到优化设计的目的。

工艺设计的虚拟技术：是指面向弹性体生产过程的模拟和试验，检验弹性体的可加工性，加工方法和工艺的合理性，保证制造工艺较佳化。

设计技术虚拟化的核心是有限单元计算和计算机动态仿真。通过仿真软件来模拟真实受载情况，发现并及时处理设计和工艺缺陷或错误，以确保结构设计和生产工艺的合理性。

制造技术柔性化：是指在多品种、大批量生产的弹性体加工中，纳入先进的制造技术：柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统。它是计算机技术、信息技术、自动控制技术等与传统的制造技术相结合形成的全新的制造系统。

生产工艺网络化：是指在生产工艺全过程中，通过通讯线路和设备把各生产工序具有独立操作和控制功能的计算机系统相互连接起来，在网络软件管理下，实现信息的收集、存储和处理。与传统的“作坊手艺”生产工艺相比，大大的减少了手工操作，最大限度的排除了人为因素对产品质量的影响。

企业管理信息化：是指按计算机处理的要求，依据结构化系统分析和设计方法，建立企业信息系统，实现企业管理全面现代化。包括CAD、CAM系统，生产管理系统，商务决策系统和经营管理系统等。

为适应电子称重技术从静态称重向动态称重发展；计量方法从模拟测量向数字测量发展；测量特点从单参数测量向多参数测量发展，以及电子衡器对称重传感器的新要求，以下课题将是今后一个时期的研发重点：

快速、低速动态和动态称重传感器及其阻尼技术；
多功能、多分量称重传感器及其测试方法；
微小和超大量程称重传感器；
防爆、耐压、耐腐蚀等称重传感器；
偏心载荷测量及车载秤用称重传感器；
大阻值低功耗高精度电阻应变计研制等。
分析近年来电子衡器对称重传感器的新要求，不难得出小型化，集成化，多功能化和智能化将是称重传感器的重要特点和发展趋势。

小型化：是指称重传感器总体结构体积小、高度低、重量轻，即小、薄、轻。例如：30t、60t弯曲环式结构，其外形尺寸分别为外径120mm和150mm，高度只有50mm和60mm。

集成化：有结构集成和功能集成两种形式。结构集成是指弹性体与秤体合二为一的新型结构，例如：称重板、称重轨、称重钩、称重环等。功能集成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：将敏感元件（弹性体）、转换元件（电阻应变计）、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，其数字显示位置就在传统轮辐式称重传感器的接线盒处，通常称为轮辐式称重仪。

多功能化：是指称重传感器本身除具有检测重量信息的功能外，还能同时检测其它信息。例如：电子吊秤用称重传感器在检测重量信息的同时还可检测加速度信息；汽车检测平台用称重传感器，可同时检测垂直方向的重量信息和水平方向的侧向载荷，即多分力测量。

智能化：是由于模拟式称重传感器输出信号小，抗干扰能力差，传输距离短，称重显示控制仪复杂，组秤调试周期长，根本不适应数字式智能电子衡器的发展。称重传感器的智能化就是研制新型数字式智能称重传感器。有两种结构：整体型一一在称重传感器内部增加放大、滤波、A/D转换器、微处理器、温度传感器等数字处理电路，利用数字补偿技术与工艺实现各项补偿。分离型一--将整体型数字式智能称重传感器内的数字电路置于外部接线盒内，称为数字模盒。将普通模拟式称重传感器接入数字模盒，就可变模拟输出为数字输出，通常将其称为分离型数字称重传感器系统。

数字式智能称重传感器具有如下特点：

输出信号大，抗干扰能力强，传输距离远，信噪比高；
通过数字补偿电路和数字补偿工艺，可进行线性、滞后、蠕变等补偿，改善了性能；
输出信号规格化；
内装温度传感器，通过补偿软件可进行实时温度补偿，稳定性好；
各数字式智能称重传感器的地址可调，便于应用与互换。
什么是智能传感器，在各国相关杂志上讨论多年，20世纪90年代中期才有比较一致的看法：把凡具有一种或多种敏感功能，能够完成信号探测和处理、逻辑判断、双向通讯、自检、自校、自补偿、自诊断和计算等全部或部分功能的器件叫做智能传感器。它可以是集成的，也可以是分离件组装的。数字式智能称重传感器完全符合此定义。今后一个时期，智能化数字补偿技术和工艺还需进一步完善和提高。

最后希望我国称重传感器行业，尽快结束疯狂的价格大战，实施“质量竞争战略”和21世纪的“创新竞争战略”，以制造技术和制造工艺为突破口，迅速提高我国称重传感器的总体质量水平和信誉度，培养叫得响，用得好，站得住的名牌产品，尽快融入国际市场，参与国际竞争。 摘要：文章重点阐述钢铁企业钢包电子秤的安装使用环境条件与分析；采用耐高温传感器的秤体结构设计；克服恶劣环境条件对电子秤影响，应采取的有效措施；阐述了电子秤的各种抗冲击、防高温辐射、防钢水烧损、防倾翻的措施；对高温环境用电子秤的设计改造，具有一定的指导作用和参考价值。
关键词：钢包电子秤 高温称重传感器 高温辐射 秤体结构

一、概述

冶金企业为了提高钢的质量与合理控制制造成本，在钢水精炼连铸成型过程中，一般需安装两套电子称量系统，以对在线计量。

1．车载钢包电子秤用来检测对钢水包注入钢水时的液位，并在精炼时控制合金材料的加入量，以提高冶炼质量，同时对钢包的钢水重量进行称量。
2．回转台钢包电子秤用来监控连铸时钢包内不断下降的钢水液位情况，适时对流量进行控制，当钢水液位接近钢渣时，及时关闭出钢口。

由上可知，连铸工艺中钢包电子秤的运行质量，对钢的质量和提高工效方面起着十分重要的作用。

二、钢包电子秤现场使用环境条件与分析

目前，国内使用的钢包电子秤，无论是国内制造或从国外随同连铸设备引进，虽然其结构各不相同，但它们的安装位置方式都基本相同，一般都是在钢包支承座底下设计一台特殊结构的电子秤，使钢包左右两只耳座支承在电子秤秤架上；一般都需具有耐高温、防溅射、抗冲击及抵御外界横向水平冲击的能力，以确保设备正常运转，满足连铸工艺的需要。本文着重介绍利用国产高温传感器设计改造钢包电子秤的结构设计特点。

1、车载钢包电子秤的现场环境特点

钢水运载过程中，必须有一特殊运载车进行运载，一般称此运载车为钢包车。此车根据钢水包的大小，车体大小各有所不同。一般运载车的车体长约7米，宽约5米，高约2.6米，以钢轨轨道作为运行路线。出钢前，由行车吊运经烘烤后的空钢包，从高空放置到钢包车的特定位置。钢包在吊运前已进行长达几小时的烘烤，表面温度达到60℃～70℃，钢包放置后，运载车开至出钢炉炉口，出钢温度高达1600℃左右的钢水或铁水流入钢包内，现场环境较为恶劣。主要表现为：a、为了防止钢水外溅及保温，炉口周围虽有隔热板或防火墙保护，但运载车周围的环境温度仍可升至几百度。b、出钢过程中，炉子的倾角，随出钢量的变化而改变。为保证钢包口与炉口的一致，出钢车的位置作相应的改变，但在实际操作过程中，会出现不同步现象，经常出现钢水外溢。钢包车表面都有较厚钢渣。c、出钢车从出钢炉运行至精炼区精炼时，用大功率电极加温冶炼 20～30分钟，此时的钢包壁温已高达几百度，钢包耳座底下的温度可高达250℃左右。d、钢包车在运行时会产生横向冲击力。

2、回转台钢包电子秤现场环境特点

对回转台钢包电子秤的威胁，主要来自钢水包的高温辐射及吊运时对秤体的垂直冲击力。主要表现为：a、连铸设备的回转台壁与钢包的间隔一般在1500mm左右，为防止高温辐射，在设计时，一般采取加包盖的防辐射措施。但在现场实际使用中，钢包一般都没有加盖，电子秤安装位置的温度很高，可达200℃左右。b、在吊运过程中，由于行车操作室离地面较高，降落时凭经验操作，有时会造成较高落差，对秤体冲击很大。c、行车吊运钢包是高空作业，钢包支承耳落入回转台壁的电子秤支承座内的难度较大。

三、 钢包电子秤的秤体结构

改造钢包电子秤的安装现场，存在钢水外溅的威胁、高温辐射的威胁、吊运过程中的垂直冲击及运载车运行的水平冲击、高空作业定位困难等难题。目前，国内的钢包电子秤一般都是在钢包支承耳座的支承架上设计安装结构特殊的秤体，左右各一台，设置导向架，以便准确对位。下面介绍两种秤体结构特点。

(一)采用双剪切梁式耐高温传感器设计的钢包电子秤的结构

采用双剪切梁式传感器作为称重支点设计改造的钢包电子秤，由耐高温传感器、承重梁、保护板、接近导向架、最终导向架等组成。(见图一)

1、接近导向架2、耐高温传感器
3、高强度螺钉 4、承重梁
5、保护板 6、最终导向
图一

钢包电子秤使用的传感器有大吨位国产化高温传感器、德国申克公司、西班牙UTL公司的传感器等(国产TY型传感器外形见图二)。

图二

上述高温传感器有一个共同特点：吨位量程大、外形尺寸宽、平面承载，承载面上都有4-6只M24紧固安装螺孔，能保证承载梁与传感器连接牢固，安全可靠。

钢包电子秤改造设计中须解决以下难题：

1、高空吊运钢包包耳导入秤体

行车龙门吊钩吊着庞大的钢包放置到秤体位置时，行车操作工人在几十米外凭目测进行操作，如果秤体周围不设置引导装置，要使钢包正常进入指定位置是难以做到的。为了保证安全作业，使钢包顺利进入秤体，在秤体左右设计安装导向装置(导向装置结构外形见图一)。导向架采用优质合金钢焊接成整体结构，一高一矮固于秤体两侧，导向架的顶部制作成一定斜面，以给吊运操作工人一个明显的参照标志。当包耳接近导向架时，左右斜面会带动包耳顺利进入秤体，提高操作安全性，同时又可保护秤体。

2、保证钢包完全受力

为保证钢包在计量时不受外力的影响，使包耳完全支承在秤体承重梁上，提高计量精度。在设计秤体时，必须在承重梁上加设接近导向架及限位架。

在钢包支承耳进入称量座时，要保证钢包无摩擦、无分力地座落在称量箱承重梁上是有困难的，因为当钢包与导向装置的一侧紧靠时，其摩擦分力势必影响称量精度。为克服这一影响，应在承重梁上设置最终导向装置，在装置斜面的作用下，迫使钢包向中心靠近，最后座落在承重梁上。由于最终导向装置与承重梁为一整体，不会产生外力，也就不会影响称重精度。由图一可见，假若最终导向装置的斜面顶端不在接近导向装置竖面的内侧，则钢包会卡搁在它的顶端，会使耳座产生倾斜；另外，最终导向装置的斜面必须有足够大的角度，以使钢包接触此斜面后产生的水平力足以把钢包推向中心，因此，最终导向装置必须设计足够的高度。

3、克服水平冲击力

钢包包耳通过最终导向斜面导入秤体及车体作横向运动时，会产生一个很大的水平冲击力，这个巨大的冲击力会使承重梁产生一定的水平位移。从现场使用情况了解到，正是由于这个原因，致使许多钢包电子秤在使用中失败。在改造设计时，要利用传感器的特殊设计来承担这个巨大的水平冲击力，使其具有足够的抗御能力，如采用高强度平面桥式传感器，其最大允许侧向负荷在20-150t之间就不会被损坏。安装时，利用传感器凸出的承载面承重大梁内，与承重梁构成整体结构，当产生水平冲击力时，由承载面来承担水平方向的剪力，传感器紧固螺钉不受剪力，使秤体得以正常使用。

4、克服垂直冲击力

当成百吨的钢包下落时，产生的垂直冲击力的峰值是巨大的，其垂直冲击力对传感器有致命的影响。较佳办法是在秤体下部安装液压装置，由液压装置承受垂直冲击力，然后再缓慢落至承重梁上。但是，此结构在实际使用现场是难以实现的，特别是设备改造难度大。因此，此类结构的电子秤在改造设计时，可利用传感器本身的结构特点，在满足仪表采样信号要求的前提下，放大传感器量程，以抵御垂直冲击。由于此类电子秤一般都为工艺秤，对精度要求不高，在选择传感器时，可尽量采用大量程传感器。例如：一台150t钢包秤，可用4只100t，灵敏度为2.OmV/V的传感器。设桥压为10V，分度值为100kg，通过计算，每一分度值仍有2.5：μV信号输出，仪表足够采样。这样可大大提高电子秤的总体抗冲击能力，延长传感器使用寿命。

5、防高温及钢水溅射保护措施

车载钢包电子秤及回转台钢包电子秤的高温威胁，来自出钢炉口的钢水外溅及钢包内高温钢水约1600℃左右的高温辐射，以及钢包包壁的自身温度对秤体的传导。现场检测结果表明，秤体温度可达200℃-250℃左右，针对这种情况，在改造设计时，应选用耐高温200℃-250℃的称重传感器，在秤体周围增设防钢水溅射隔热板，传感器采用耐高温桥式传感器，其引线由秤体中间引入到线管内，不从外部走线。外围由下流板与内衬板组成迷宫状进行双重保护，这样即使出现钢水溢出也不会烧坏传感器。

(二)采用圆柱式耐高温传感器改造设计的电子秤

采用圆柱式传感器作为称重支点设计改造的钢包电子秤，与采用桥式传感器设计的电子秤结构，从外表看基本相同，两者都有承重梁，接近导向架、最终导向架内部设计结构则不同。(外形见图三)

图三

它由接近导向架、最终导向架 、承重梁导向柱、导向套、防起翘板、高温传感器、保护板等组成。

当钢包进入秤体时，以接近导向架作参考目标，使包耳顺着导向架斜面滑入接近导向架的内侧。进入秤体包耳，座落在承重梁时，由最终导向架进行限位，分为 XY轴两个方向，保证包耳与包壁不受任何外力而影响称量精度。当产生水平横向力时，由三根导柱予以克服，传感器不受影响。由于钢包下落时包耳的某一点先落在承重梁上，会出现承重梁起翘现象，倾翻传感器，秤体在设计时，内部应设防翘装置，使传感器正常受力。在结构改造设计上，除前面的抗水平冲击力和外围保护外，主要考虑如下特点：

1、对承重梁的定位和水平冲击力

当钢包座落在秤体上运动时，由于惯性作用，会产生巨大的水平力，如果秤体没有限位装置，必然会使传感器受到损伤，甚至会给生产带来安全隐患。从图中可见，秤体内部加设三根导柱、导套来承担水平冲击力，同时又对承重梁保持水平状态。为安装方便，导柱导套之间留有1mm左右的间隙；为不影响称重精度，衬套内压入耐高温缓冲橡胶。这种结构设计，事实上是只允许承重梁作上下直线运动，限制水平位移。在此秤体结构中，传感器不能采用上述秤体中采用的平面桥式传感器，而应采用双球面摆杆式传感器。此类传感器能够提供一定量的水平位移，且对称重传感器不受影响。常用高温传感器有国产的TY2015G等国产化高温传感器。(外形见图四)

图四

2、承重梁防翘设计

钢包从高空下降进入秤体，包耳支承座与承重梁不可能整个平面同时接触，又由于导向柱与导向套有一定的间隙存在，这样势必使承重梁产生瞬间起翘及跳动现象；如不采取防翘限位装置，势必造成传感器倾倒，严重时会造成承重梁倾斜，给安全生产带来隐患。所以在改造设计时，在传感器左右增设防翘装置是十分必要的。设计时可在承重梁及秤体底板上各焊接2套防翘板，保持在同一中心线，在起翘板上加设限位孔，采用限位销进行限位。设计时限位孔与限位销保持一定间隙，一般最大限位间隙以不使传感器倾倒为宜。

四、结束语

采用高温传感器设计改造钢包电子秤，能克服高温环境对电子秤的影响，在冶炼连铸工艺中已得到广泛应用，对控制冶炼成本和提高连铸工艺质量，具有十分重要的作用。国产耐高温称重传感器的特性指标已能满足高温电子秤的适用环境，在多家钢厂冶炼现场得到应用，已产生较好的应用效果。高温传感器的国产化和设计应用，为计量称重技术进军高温领域打下了良好基础。

电液伺服系统中传感器有什么作用？

　　其实传感器的作用是把一种能源转换成另一种能源，比如将液压能、机械能转换成能。而电液伺服系统中传感器有什么作用呢?下面就由小编我来给大家简单的讲解一下！

　　例如反馈传感器用于对控制系统输出量的测量或采样，并产生一个正比于输出的信号，把它馈送到系统的前面，和输入信号(或指令信号)进行比较。如果指令信号和反馈信号之间有差值，系统就产生反应，自动地修正和调整输出，使其和指令信号相配。传感器作为伺服控制的反馈的同时，还可以用来测量系统中的各种参数。　　所有的传感器无论是否用作反馈装置都可以分为两类：模拟式装置：它的输出与被测参数成正比。数字式装置;它的输出反映变量的状态，但不需要与变量成比例。它可以是数字、一系列脉冲或二进制数字。按其在伺服系统中的作用，传感器可更具体地分为：速度传感器，位置传感器，压力传感器，加速度传感器以及流量传感器。　　而选择传感器时必须考虑的主要问题是：分辨力：把输出信号分辨成可读值的能力。传感器的分辨力可以是有级的或是无级的。准确度：通常用满量程输出的百分数来表示。考虑的因素有线性、温度效应、磁滞、加速度和大气条件。精度：定义为在一组给定的使用条件下传感器的重复性，通常用满量程的百分数来表示。

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