应变式的传感器就是基于测量物体受力变形所产生应变的一种传感器,电阻应变片也是其最常采用的传感元件,它的作用就是把机械构件上应变的变化转换为电阻变化,方便信号的采集。应变式称重传感器就是基于应变效应的一种传感器,它就是在工程测力上广泛应用。应变式称重传感器从研发至今,接近百年历史了,经过了一系列的演变过程。下面分阶段简要介绍一下:
最早的电阻应变计出现于1938年,在当时美国加利福尼亚理工学院教授E.Simmons以及麻省理工学院教授A.Ruge两人同时研制出纸基丝绕式电阻应变计,后来被命名为SR-4型。这种电阻应变计的研制成功为变式称重传感器的研发打下了理论以及物质基础。
1940年美国BLH公司与Revere公司总工程师A.Thurston在SR一4型电阻应变计的基础上研制出圆柱结构的应变式称重传感器,当时这种传感器主要用于工程测力以及称重计量,这就是应变式称重传感器的雏形。
在接下来的三十多年中,也是利用正应力(拉伸、压缩、弯曲应力)的柱、筒、环、梁式结构的称重传感器一统天下时期。在这个时间段内,英国学者杰克逊研制出金属箔式电阻应变计,这为称重传感器提供了较理想的传感元件,而且成功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称重传感器电路补偿与调整工艺,这极大提高了传感器的精度和稳定性,使精度由原来四十年代的百分之几量级提高到七十年代初的0.05量级。但这种称重传感器在应用过程中还有一些问题很突出,急需改善。比如:加力点的位置对灵敏度的变化影响很大;于此同时进行拉、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等等。正是因为这些缺点的存在严重制约着称重传感器的发展。
1973年美国学者霍格斯特姆为克服正应力称重传感器的固有缺点,提出了不利用正应力,然而利用与弯矩无关的切应力设计称重传感器的理论,并设计出圆截工字形截面悬臂剪切梁型称重传感器。打破了正应力称重传感器的一统天下的局面,形成了新的发展潮流。这也是称重传感器结构设计上的重大突破。
到了七十年代中期,美、日等国的衡器制造公司开始研发商业用的电子计价秤,急需小量程的称重传感器。传统的正应力和新研制的切应力称重传感器都不能满足几公斤至几十公斤小量程范围内的力学测量。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称重传感器,同时指出平行梁称重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,具有切应力称重传感器的特点,为平行梁结构称重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。
经历了七十年代的切应力称重传感器和铝合金小量程称重传感器两大技术突破,八十年代称重传感器与测力传感器彻底分离,制定了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;九十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。
伴随着数字技术以及信息技术的发展,各行业对数字化电子衡器的需求愈来愈多,传统的模拟称重系统已经不能满足要求,模拟式称重传感器也需要加以改良。为了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,容易实现智能控制等特点,成为数字化电子衡器与自动称重计量与控制系统的必选产品,形成一个开发热点。
到了21世纪,随着自动化水平的提高以及工艺结构技术的改进,称重传感器进入工业化生产,引用计算机技术、柔性制造技术与电子电路技术对传感器进行性能改良,使得称重传感器满足各种力学测量的场合。即使到现在,称重传感器也在积极开展各项研究,例如弹性体材质、、制造工艺更精细、电路补偿工艺和外观等等,使得它不仅仅是一个测量工具,更是一件艺术品。 |