该文章从产品研发角度，介绍了应变式称重传感器、电阻应变计性能的影响因素和研究方向。结合电子称重技术的新要求，展望了荷重传感器的技术发展趋势。

1. 研究方向和特点
电阻应变式荷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，以制造技术和制造工艺为核心竞争力，紧紧抓住荷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）在弹性元件加工中，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xx绝大部分残余应力。

2. 重视加载、承载边界条件影响的研究
通常一台荷重传感器有两个承受载荷的接触面，即引入载荷的接触面和传递载荷的接触面。对于承受压向载荷的称重传感器，两个承受载荷的接触面为弹性元件的上 球面和下底面；对于承受拉向载荷的称重传感器，两个承受载荷的接触面为上、下螺纹的啮合面；对于平行梁式荷重传感器，两个承受载荷的接触面均为弹性元件的 一部分；对于一些剪切梁式传感器，一个接触面为弹性元件的一部分，另一个接触面与弹性元件分离，因为它有一个固定的连接底座。
在上述加载、承载边界条件中的每一个接触面上，载荷的分布取决于接触面上的加载条件。因此这些加载条件的变化将引起接触面上载荷分布的变化，即使在接触面上总的作用载荷保持不变，也将导致荷重传感器的灵敏度变化。
对于应用上压头、下压垫的压式荷重传感器，决定加载边界条件的因素有：
（1）与弹性元件加载面相接触材料的特性，如摩擦系数、硬度等；
（2）与加载表面相接触压头的表面形状，如平面、曲面曲率、接触圆大小等；
（3）加载后，接触面的变形。
对于应用螺纹接触面引入载荷的拉式荷重传感器，决定加载边界条件的因素有：
（1）螺纹加工精度（即螺纹中径的尺寸精度）；
（2）拉式接头或关节轴承拉头与弹性元件螺纹的啮合面积的大小。
对于各种梁式荷重传感器，决定加载边界条件的因素，主要是支承底座、托架、垫块的结构及所用材料的硬度、表面粗糙度等。因此支承方式即弹性元件根部固定的合理性至关重要，应具有足够大的平衡力矩，尽量使其为固支。
英国物理实验室测力研究室，对500KN标准测力传感器，通过一个钢质平垫和两个半径为1/1000的钢质凸、凹球面垫进行加载试验，在{zd0}载荷值时，用平垫和球垫测得称重传感器的灵敏度不同，它们之间的{zd0}差别为0.2％。
有些结构的称重传感器，加载、承载边界条件的改变会使灵敏度产生较大的变化，在用滞后、蠕变和灵敏度温度误差都很小的压式称重传感器进行的压垫试验得到了证实，压垫设计合理灵敏度相差0.05％，压垫设计不合理灵敏度相差0.3％。
采用圆柱形弹性元件的压式或拉式荷重传感器，应变区的有效长度L和直径D之比L/D是决定加载边界条件的主要参数。对于50t的压式荷重传感器，当L /D＝3.7时，在压垫试验中灵敏度变化小于0.005％，而当L/D＝1时，其灵敏度变化大于1％。综上所述，加载、承载边界条件的影响可归纳为如下几 点：
1）表面形状和硬度影响
荷重传感器的上压头、下压垫的接触面都影响载荷的引入和传递。上压头表面不平度和粗糙度都很高时，表面硬度影响可以忽略不计，上压头厚度影响也很小，因为 接触仅发生在球面中心一个小接触圆上。一般要求上压头的硬度小于弹性元件的硬度，但不能太低，因为压头硬度越低、粗糙度越大，在较小的载荷下会产生较大的 变形，将使合力作用点发生变化，引起传感器灵敏度变化。用不同硬度的钢、铜、铝压头进行试验，表面粗糙度同为Ra＝6.3μm，在相同载荷作用下其变形分 别为2.2μm、3.6μm、5.4μm；第二次加载时的变形分别为0.33μm、0.38μm、0.60μm。
压头的形状(从平面到球面）对三个力矩分量的影响是显著的。其{zd0}特点是在接触区出现相当高的应力，由于接触点处于三向受压的应力状态，因此能承受这样高的应力而不破坏。
2）加载承载面的大小、材料特性的影响
接触面压力低时，滞后小；压力高时，滞后大。大量程弹性元件的承载球面半径应尽量大些，例如德国Philips公司PR6201型50t弹性元件，承载部 分的直径和球面半径分别为54mm和35mm，100t分别为76mm和50mm，200t分别为108mm和70mm。
剪应力大小和在压垫上分布，与弹性元件底面直径d、所用材料弹性模量Em和压垫直径D、所用材料弹性模量Es的不同有关。
当D＞d、Em＝Es时，在接触面上只产生局部影响，这种影响不扩散，不影响弹性元件应变区的应变值。
当D＝d、Em＞Es时，在接触面上产生应力集中，由于应力不同而阻滞了弹性元件的横向变形，这种影响向弹性元件中心扩散，使输出有减小的趋势。
3）接触面粗糙度的影响
英国物理实验室测力研究室，用环氧树脂模型进行接触面粗糙度影响试验得出：接触面越光洁，载荷传递性能越好，输出就越大，对称重无影响。

3. 力矩和侧向载荷的灵敏度影响
用于各种电子秤的应变式传感器，应设计成只感受垂直方向的载荷，而对力矩和侧
向载荷不敏感，或把力矩和侧向载荷的影响限制在规定的误差范围内。这样的荷重传感器其输出仅仅取决于沿主轴或与主轴平行的载荷的大小，这就要求弹性元件具 有较高的尺寸精度和很小的形位公差，同时保证电阻应变计粘贴位置的准确性和对称性。实际上弹性元件所能达到的形位精度和电阻应变计的定位精度与对称性是有 一定限度的，并且在某种程度上，所有荷重传感器对于迭加在主分量上的力矩和侧向载荷都是敏感的，其侧向灵敏度的大小和正负方向是不能预先知道的。即使结构 类型相同而量程不同的传感器，侧向灵敏度也不同。但是对于弹性元件的结构和额定载荷已确定的称重传感器，其侧向灵敏度将受到弹性元件的形位公差和电阻应变 计的定位误差所限制。例如，一圆柱形弹性元件在侧向载荷作用下将产生一弯矩，按理此弯矩应由对称的粘贴在弹性元件上的电阻应变计加以补偿，但由于电阻应变 计灵敏系数有小的散布，粘贴位置和方向都有误差等原因未能得到补偿。试验证明，若有额定载荷5％的侧向载荷存在，对于高精度称重传感器， 则会出现满量程±0.1％的误差；对于一般准确度的传感器，此误差可达±0.6％。又例如，一承受压向载荷的圆筒式荷重传感器，已知额定载荷和圆筒外径尺 寸，其内径越大，对弯矩就越敏感，这是筒式弹性元件的内圆和外圆同心度的{jd1}公差，导致中性轴偏离加载中心的缘故。因此应从称重传感器的结构设计上和制造 工艺中，严格要求限制侧向灵敏度影响，尽量作到：
（1）从结构设计上保证荷重传感器的输出仅仅取决于沿弹性元件主轴或与主轴平行方向上的载荷；
（2）对于轴对称的荷重传感器，例如圆柱式结构的弹性元件，主轴应垂直于下端面及下压垫，并且通过其中心；
（3）对于悬臂梁传感器，固定端的凸台平面决定主轴方向，为保证灵敏度不受端部加载条件的影响，载荷应通过弹性元件和根部凸台的中心；
（4）限制侧向灵敏度影响的措施，就是机械加工时，保证弹性元件的形位公差特别是对称性，粘贴电阻应变计时，保证位置和方向的准确度与对称性，尽量限制中性轴偏离中心线。

4. 荷重传感器的弹性元件应变程度的影响
在额定载荷作用下，弹性元件应变区的应变程度，对称重传感器的线性、滞后、蠕变和疲劳寿命都有较大影响。这里说的应变程度，实际上是保证应变稳定并与载荷 成较严格线性关系的应变范围，它与弹性元件所用的材料密切相关。弹性元件应变的稳定性与所用金属材料的关系可用下式表达： εCKRRRC＝＝Λ
式中：Rε—应变计电阻的相对变化；
C－应变利用系数；
K－应变计灵敏系数；
ε－弹性元件的弹性应变。
由式可见，提高弹性元件应变的稳定性是提高称重传感器整体稳定性的基础和关键。因此，弹性元件材料不仅是结构材料而且是功能材料。
在产生应变的弹性元件材料所要求的各种性能中，最重要的性能是滞后和蠕变。实际上综合性能再好的弹性元件材料，也存在弹性滞后和弹性后效（蠕变），提高线 性、减小滞后和蠕变xxx的方法，就是把弹性元件应变区的应变程度限制在一个较低的范围内，一般高准确度的荷重传感器的应变程度都较低，其{zd0}应力仅为材 料弹性极限的1/4～1/3范围内。实际上荷重传感器的线性、滞后、蠕变和疲劳寿命都随弹性元件应变区应变程度减至最小而获得改进，较低的应力、应变意味 着对理想线性弹性性能的偏差最小，也意味着弹性元件有较大的刚度和较高的固有频率。
弹性体元件任何几何形状的改变，必然伴随出现一定程度的非线性影响，弹性体元件应变区应变程度低，不仅变形小，刚度大，固有频率高，而且有助于把弹性元件几何形状变化引起的非线性误差减至最小。

5. 从结构上减小荷重传感器滞后误差
荷重传感器的弹性元件在外载荷作用下产生变形时，应该是加载后立即变形，卸载后立即恢复，应力与应变同步进行，与时间无关。但实际上弹性元件在弹性变形 时，加载线与卸载线并不重合，应变落后于应力，经过一段时间才能达到xx弹性变形或xxxx弹性变形，这种现象称为弹性滞后，弹性元件所用金属材料和结构 形式是产生滞后的主要因素。通过合理的热处理工艺对金属材料的弹性滞后加以控制后，弹性元件的结构就成为产生滞后的重要因素。
现以轮辐式传感器为例，分析结构因素引起的滞后误差。
1）轮毂、轮箍刚度与滞后的关系
轮箍变形位移量与其刚度密切相关，刚度大，变形位移小，底摩擦作用时间短，轮辐应变xxx，滞后小；反之滞后大。因此，轮毂、轮箍刚度应足够大，确保轮辐与轮毂、轮箍连接处转角为零。
2）轮辐刚度与滞后的关系
轮辐是应变敏感部分，其变形量与轮辐长度L成正比，与轮辐截面积A成反比。因此轮辐长度L小，截面积A大，变形量小，应变xxx，滞后小。
3）轮辐高厚比（h/b)与滞后的关系
在其它条件相同的情况下，改变轮辐高度h与厚度b的比值h/b，剪应力τ和弯曲应力σ均改变，对滞后有一定影响。所以在轮箍刚度足够大时，增加轮辐的剪应变，降低弯曲应变，可减小滞后。
对于圆柱结构的压式荷重传感器，在加载后卸掉载荷时，由于底部接触面上的摩擦力，阻滞其环向变形的恢复而产生滞后。
对于双剪切梁称重传感器， 弹性元件与底座接触面的滑动是产生滞后误差的重要原因。在加、卸载过程中，双剪梁弹性元件与底座滑动方向相反，因此作用在弹性元件上的摩擦力方向也相反， 正是此摩擦力造成应变区剪应力变化。接触面摩擦系数大，随着载荷的增加滞后的{jd1}值由小变大。盲孔中心到弹性元件端面的距离太小，底摩擦力对应变区的影响 也较大。
为减少称重传感器的滞后误差，首先在结构设计上保证滞后最小，{zh0}采用无摩擦设计。称重传感器的摩擦分为外部摩擦和内部摩擦两大类，外部摩擦是指弹性元件 承载球面与压头，底面与压垫或基础之间的摩擦；内部摩擦是指弹性元件局部应力集中，造成晶格之间位错所产生的摩擦。这两种摩擦均使滞后和非线性误差显著增 加，因此只要结构允许应尽量采用无摩擦设计。
1）弹性元件的底面必须为平面时，应设计成刚度大，接触面积小的平面，且选用低摩擦系数的压垫或设计自由底座；
2）称重传感器的上压头、下压垫应采用无摩擦设计，例如球面结构，使加载、承载面为点接触（实为接触圆）；
3）称重传感器弹性元件的设计尽量选用整体式结构，使载荷的引入和传递无接触问题，如S型，整体剪切型弹性元件；
4）采用柔性隔离方法，即用铰接方法把弹性元件和承载底座联接起来，利用铰接不传递力矩这一力学特性，将摩擦面与弹性元件隔离；
5）合理的应力分布。应力水平过高，将引起弹性元件晶格之间相对位移，产生内部摩擦，因此应力水平应控制在弹性极限的1/3～1/4范围内。
6. 机械加工方法对弹性元件残余应力的影响
弹性元件中的残余应力，主要来自原材料在轧制或拉制等工艺成形过程中产生的残余应力；在热处理过程中，由于冷却温度不均匀和相变而产生的残余应力；在机械 加工过程中，因切削力作用而产生的残余应力。后者在弹性元件表面形成变质层，使其组织处于不稳定状态，随着时间的变化内应力松弛，而导致尺寸变化。刨、 铣、车、磨等机械加工，使弹性元件表面变形不均匀，而产生较大的残余应力，切削用量越大，表面的残余应力就越大。
车削加工时，不同进刀量轴向和周向的残余应力也不相同，在弹性元件表面为{zd0}残余拉应力，距表面40～80μm处为{zd0}残余压应力。
磨削加工时，产生的残余应力{zd0}，磨削深度越大，产生的残余应力就越大，其{zd0}残余应力位于距表面20～40μm处。
综合刨、铣、车、磨四种机械加工方法产生的残余应力，可总结出：
1）{zd0}残余应力位于弹性元件表面至深度为100μm之间，数值较大；
2）残余应力衰减很快，在深度为200μm处已很小；
3）切削用量越大，残余应力就越大；
4）弹性元件精加工为磨削时，残余应力{zd0}，其值可达900N/mm2，因此热处理后弹性元件的精加工尽量不采用磨削。
在上述设计与制造技术支持下，荷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荷重传感器，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1-100t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5-5000kg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型荷重传感器。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3-30kg电子平台秤，准确度可达4000d；
5）美国THI公司研制的1410型5-30kg铝合金荷重传感器，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V－BLH公司开发出新式，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-6000d）荷重传感器制造技 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；组件化新式称重模块设计技术等。