当今依靠我国称重传感器制造企业的总体技术与工艺水平，研制出具有较高 准确度等级的称重传感器并非难事，但是研制出具有较高稳定性和可靠性水平的称重传感器 也并非易事。本文从称重传感器设计技术和制造工艺规律中总结出“结构是基础、材料是关 键、工艺是核心、检测是保障”的研发原则，结合处于国际市场引导者地位的称重传感器制 造企业的研发经验，探讨了提高称重传感器准确度、稳定性和可靠性应注意的若干问题。

一、概述

随着国际法制计量组织OIMD对R60国际 建议《称重传感器计量规程》新版的发布和介绍，各国质量及其计量的权威部门已经成长起来，以 此确定称重传感器的准确度级别、各项测量误差 和有关检定的试验方法，并指导称重传感器制造 企业进行生产和将产品用于各种电子称重领域。

即使这样，有些企业在认证被批准和取得生产许 可证后，也不具备充分条件确保生产的称重传感 器始终如一的符合国家标准。这是因为在认证和 取证的强制条件下，能够提供质量优良的称重传 感器，但是在批量生产条件下，不能保证始终有 必要的工艺装备、检测手段和严格纪律来重现样 件的生产条件，所以很难做到连续生产出质量一贯符合称重传感器国家标准要求的产品。

就当今我国称重传感器企业的总体技术与工 艺水平而论，研制出具有较高准确度等级的称重 传感器并非难事，但是研制出具有较高稳定性和 可靠性水平的称重传感器也并非易事；小批量生 产出质量符合国家标准的称重传感器并非难事， 大批量生产出质量一贯符合国家标准的称重传感 器也并非易事。处于国际市场引导者地位的称重 传感器制造企业的经验值得借鉴，这就是确保制 造的每一个称重传感器都能满足OIML R60国际 建议的要求，必须研究称重传感器设计与制造的 共性关键问题，特别是生产工艺特点以及达到国 际建议要求的工艺装备和检测手段。例如，这些 企业认为称重传感器的性能随着设计、制造、检 定三个关键因素而变化。与我们总结的“结构是 基础、材料是关键、工艺是核心、检测是保障” 的研发原则基本相同。这些企业的经验是：为了 确保重复的制造出较高准确度和稳定性级别的称 重传感器，必须以合理的弹性元件结构和优良的 金属材料为基础，以可重复的精密而科学的生产 工艺规程作保障。并将关键的设计与工艺问题列 举如下：弹性元件结构最合理，包括材料具有最 高的稳定性和最低限度的滞后性；电阻应变计应 具有最佳的工作特性和与弹性元件最好的匹配性； 优良且可控制的应变胶粘剂；可重复的精密而科 学的生产工艺流程；高精确度的试验、检测装备； 有效的质量控制程序，即利用可跟踪的测量设备 来控制和保障制程稳定。

称重传感器用于较恶劣的环境条件和用作生 产过程控制元件时，更要求它的环境适应性强、 可靠性高、故障率低。环境适应性主要是耐气候 因素一温度、湿度、压力等的影响；电磁因 素一电磁场或电磁辐射的干扰；特殊介质因 素一盐水、化学腐蚀性气体、核辐射等影响的 耐受能力。例如德国对申请样机试验的新型称重 传感器，要求对零件的耐磨性、老化及对干扰的 敏感性进行试验和计量，保证称重传感器的计量 性能不受电磁场、静电力、振动、气候条件、机 械磨损等干扰量的影响。这就是说既要保证在电 磁干扰下示值的正确性，又要保证与长期影响因 素有关的稳定性和与电阻应变计、各种补偿电阻 等元器件工作故障有关的可靠性。

称重传感器的长期稳定性应包括老化、疲劳 和环境三个因素。老化即时间影响；疲劳是指把 时间影响模拟为固定次数的称重过程或固定小时 的工作量德国PTB规定用最大秤量或至少1/2 秤量加荷20万次，实际上是一种持久试验；环 境因素则是把时间模拟为长期的温度、 湿度变化 的影响。PTB规定对无密封“开放”型称重传感 器要进行温度、湿度试验，因为这种称重传感器 的零点和特性随温度、 湿度变化而变化程度较大 上述经验值得我国称重传感器生产企业借鉴，现 将有关问题分析、介绍如下。

二、弹性元件的结构设计

为了维护线性的和重复的应变一载荷关系, 弹性元件应该是一个整体结构，因为各连接件之 间的位移都可以引起非线性和离散性。连接、摩 擦、接触或紧固，或任何非整体状态都成为潜在 的问题，最好的设计是没有运动部件的整体式结 构。弹性元件应具有足够的热转换以防止电阻应 变计自热，如果其温度比弹性元件高，哪怕只差 0.1 °C,都可能难以达到稳定的性能。还有，在电 阻应变计和补偿电阻面积上的任何温度梯度，都 能引起零点温度漂移或标定结果的变化。

任何称重传感器最重要的机械部分是弹性元 件，一般的说，弹性元件的功能是对作用力的反 作用，同时把负荷的作用集中于一个独立的、均 匀的应变场内，以便粘贴电阻应变计。理想称重 传感器的特点是应变与负荷之间成较严格的线性 关系，达到这种目标正是所有称重传感器设计的 中心所在。完成这一任务的困难首先在于克服力 学分析和计算上的困难；其次是排除各种各样因 素的综合影响。

设计高准确度弹性元件时，还应引入微观屈 服强度概念，其定义为：产生一个微应变（1/^ 永久变形所要求的应力它比他工程屈服强度约 小3倍。这一概念的重要意义表明所设计的精密 弹性元件，其永久变形可能发生在相当低的应力 水平。而称重传感器系数mv/v与弹性元件 应变区的应力水平有关，任何微观屈服的产生都 将导致称重传感器性能的不稳定性，因此设计时 应对灵敏度和稳定性取折中的方案。

下列设计要求或称之为标准，对所有称重传 感器弹性元件通常都是实用的，尽管看起来毫不相干，可是却存在着很多相互影响的因素。一个 好的称重传感器设计需要有博采众长和兼顾下列 要求的综合能力。

(1） 固有频率

为了使振动对灵敏度的影响减至最小，固有 频率应尽可能的高。 通常要求弹性元件具有较高 的刚度和较低的质量。

所谓固有频率，就是能达到弹性元件本身最 高的频率，这通常要求弹性元件是一个基本精确 的装置，并且没有多余的部件。圆柱式弹性元件 是典型的没有多余部件的整体结构，其固有振动 频率

（2）在额定载荷下应变区应有合适的应变水平

在额定载荷作用下，弹性元件应变区的应变 水平，对称重传感器的线性、滞后、蠕变和疲劳 寿命都有较大影响。这里说的应变水平，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。

基于各种条件的综合限制，诸如材料P-s曲 线的线性度、电阻应变计的疲劳寿命、称重仪表 的性能等，一般应变水平在1000/XS?1700/访范围 内进行调整，以1000/访?1200/访为最佳，保证称 重传感器的灵敏度为2mV/V。

（3）应变区的应变应均匀分布

在整个电阻应变计敏感栅区域内，弹性元件 的应变程度应当是均匀的，以便产生最大的信号, 同时载荷的引入、边界的支承不影响应变区。

（4）弹性元件应变区以外的部分应处于较低 的应变水平

电阻应变计应处于弹性元件应变区均匀的应 力场，为弹性元件最高的应变区。非应变区应处 于低应力水平，即应变区之外不能有高于应变区 的应力场和应力集中处。

一般说来，称重传感器的疲劳寿命、线性、 滞后和蠕变误差将随着整个弹性元件内应变程度 减至最小而获得改进。显然较低的应力意味着对 理想线性性能的偏差最小，也意味着弹性元件有 较大的刚性和较高的固有频率。

（5）弹性元件应设计成整体结构且易于加工

弹性元件尽量是一个整体结构，这样线性、 滞后、重复性误差均较小，而且工艺性好便于冷 热加工。任何非整体型结构的弹性元件，其机械 连接都会产生极小的位移和摩擦，而增大了非线 性、滞后和重复性误差。最好不采用焊接结构的 弹性元件，因为残余应力影响和焊接后效将降低 疲劳寿命，并助长了微塑性性能。

（6）过载保护

若称重传感器按照物理规律损坏，则大多数 压式称重传感器是固有的安全，而拉伸和弯曲型 称重传感器就不够安全，因此必须提供安全杆或 过载保护器。

由于现场使用时称重传感器失效最常见的原 因是过载，因此通常要求安全过负荷120%? 150% (特殊情况要求200%% ,极限过负荷300% ?500%。其过载保护装置，应根据弹性元件特点 和称重传感器整体结构进行设计。

（7）响应曲线的选择性

尽量防止所有其他的侧向力和力矩影响，保 证弹性元件只感受沿轴线方向的载荷。

在大多数情况下，理想的称重传感器应当只 响应沿一个轴向的力或分力，而对其他方向的输入入力或外力不敏感。同时保证在规定范围内，力 作用点的变化不影响其输出。这不仅涉及到弹性 元件设计，而且也涉及到载荷引入和支撑装置、 电阻应变计的粘贴位置以及防护密封结构设计, 对上述各项因素应综合考虑。

（8）弹性元件挠度

为了使几何尺寸改变引起的非线性减至最小, 以及弹性元件与支承之间的相互作用小，弹性元 件必须是小变形。

称重传感器利用的是小变形原理，应使弹性 元件产生有限的变形。因为弹性元件任何几何形 状的变化必然地伴随着出现一定程度的非线性响 应。弹性元件的刚性不仅对提高固有频率有益, 而且也有助于把几何形状变化引起的非线性减至最小。

（9）温度即热效应的考虑

粘贴在弹性元件上的电阻应变计在工作时是 一个发热源，当热传导到弹性元件其他部分时, 不应在其工作区域产生温度梯度，而影响称重传 感器的工作特性。因此设计弹性元件结构时，电 阻应变计粘贴区域应具有热传导对称的性质，以 降低温度梯度。

此外，弹性元件产生轴向应变的同时发生着 体积的变化，在绝热的条件下，这种体积变化会 导致温度的变化，从热力学定律可导出：

载荷的突变同时引起弹性元件应变区温度变 化at,由于温度要向应变小的两头传导，弹性元 件会趋于一个新的热平衡，因此△ ：T要随着时间增 加而减小。这种导致与室温发生偏差的应变损耗, 根据弹性元件的应变梯度及其材料的热传导势的 不同而要持续数秒至数分钟，此绝热温度变化通 过热膨胀系数引起弹性元件体积变化。应用上式 计算初始弹性元件发热效应AT的量值，并与弹性 元件上热敏元件的指示值进行比较，其A：T的理论

计算值与实际测量值相差不超过7%。

温度改变引起的膨胀可导致侧向载荷影响称 重传感器的输出，一般是通过仔细考虑从外壳到 弹性元件的热流通路来降低温度梯度影响。此热 效应的影响是必须考虑的，尤其是弹性元件上下 端都有支承件时。因为一方面电阻应变计是热源, 其热量大部分耗散在弹性元件内，为了尽可能把 弹性元件和电阻应变计受到的不稳定温度影响减 至最小，弹性元件外形和电阻应变计定位都应对 称。另一方面称重传感器将受到从一端到另一端 或从一侧到另一侧温度梯度影响，必须用细微的 消热设计来减小。为此从称重传感器外壳到弹性 元件和弹性元件内的传热途径都必须加以考虑。 尤其要使电桥电路中相邻桥臂的电阻应变计之间 有最小的热阻抗。

（10）气压补偿

大气压力变化将引起零点变化，特别是小量 程。因此，称重传感器应设计成与大气压力无关, 大多通过在其内部设计有大气压力补偿装置来解 决此问题。例如在称重传感器内部设置波纹管, 来补偿大气压力影响。

（11）防护密封

进行有效可靠的防护密封。 称重传感器在恶 劣环境条件下工作时，必须做到真正的气密。通 常利用各种结构的膜片，采用电子束焊接、激光 焊接或钨极惰性气体保护焊接，来对粘贴有电阻 应变计的弹性元件实施全密封。

（12）电阻应变计加压夹具尽量简单适用

粘贴在弹性元件上的电阻应变计的固化加压 夹具，应与弹性元件同步设计并保证具有良好的 匹配性。要求加压夹具坚固耐用、安装方便、施 加压力均匀以及高温不变形。

随着高性能电子秤对称重传感器准确度要求 的不断提高，需要称重传感器设计者改变设计方 法，充分考虑许多二阶和三阶效应，这些效应通 常在常规的机械设计中是忽略不计的。由于在材 料力学、结构力学中多采用简化的解法，而在弹 性理论中，在某种程度上也是如此。所以，这些 工程上的方法严格的说是不适合称重传感器弹性 元件的最佳设计。这就必须采用现代分析计算方 法,考虑高阶效应和试验研究来弥补，以使称重 传感器达到高准确度设计要求。

遗憾的是现时还不能制定一种计算方法或一 套普遍的规则来确定一种通用的最佳化的弹性元 件设计参数。这是因为弹性元件几何形状、加载 和变形方式均受到结构形式的影响，诸如额定容 量、测量范围、外形尺寸和固有频率等等，它们 在不同的应用中采用不同的结构形式，即在某一 种特定的结构设计中，这种高阶效应的实际影响 将取决于设计时技术要求，也取决于弹性元件的 几何尺寸等细节。

基于上述原因，近些年来在称重传感器的结 构设计与制造中，逐步应用三维数字化设计与制 造技术，其实质是技术与工艺创新的综合体。它 以数字化建模、仿真与优化为手段，集成了设计、 分析和数据处理整个过程，所获得的分析和计算 结果，保证了弹性元件结构设计最合理、性能波 动最小。上述现代设计法是传统设计理论的延伸、 思维方法的改变，多种设计技术、理论与方法的 综合。其特点是：设计手段精确化、计算机化和 虚拟化；设计过程并行化、最优化和智能化。

三、弹性元件的材料选择

随着称重传感器技术的发展，对弹性元件金 属材料提出了一些新要求，概括起来就是制造弹 性元件的结构材料应尽量具有功能材料的特点。 即在性能上，对称重传感器的特性起举足轻重的 作用；在应用上，制成弹性元件后，实际上是材 料与敏感元件一体化；在对材料的评价上，是以 弹性元件形式对其性能进行评价，称重传感器性 能直接体现材料的优劣；在制造上，对成分、冶 炼、锻造、淬火、回火工艺要求严格，并尽量少 产生残余应力。弹性元件应变稳定性与金属材料 的性能密切相关，从粘贴在弹性元件上电阻应变 计电阻的相对变化即可看出。其电阻应变计电阻 的相对变化为：

由式5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， 弹性元件金属材料不仅是结构材料而且还应具有

功能材料的某些特点。

选择弹性元件材料时应注意三类问题：机械 性能、 热传导性能和工艺性能。

（1）机械性能

在额定载荷范围内应力一应变呈较严格的 线性关系，滞后和蠕变小，强度储备大。为此要 求金属材料具有强度极限、弹性极限高，屈强比 大；弹性模量时间稳定性好，温度系数小；弹性 滞后、弹性后效（蠕变小；组织均匀，各向同 性，冷热加工后残余应力小；冲击韧性好，耐冲 击、抗疲劳能力强；热膨胀系数小；具有一定的 抗氧化能力。

(2）热传导性能

弹性元件的热传导特性，是决定称重传感器 准确度和稳定性的重要因素，因为弹性元件的温 度梯度特别是与电阻应变计粘贴区不对称的温 度梯度可能在称重传感器输出中引起错误的与 不能复现的干扰。在内外热源的联合作用下，弹 性元件内的温度梯度均与材料的导热系数成反比。 因此，导热系数是选取弹性元件材料时应予以注 意的另一个重要性能。

虽然热膨胀系数是较规范使用的热性能之一， 但选取弹性元件材料时它并不是严格重要的考虑 因素。它对称重传感器的主要影响—次影 响，通常可以通过温度自补偿电阻应变计，并将 其连接成全桥电路来加以消除。

由面积效应、桥臂电阻及弹性元件几何参数 变化而引起的高次影响，其典型值为：温度变化 1000。F (60。0 时，影响量达 0.1% ~ 0.2%。然 而，它们对称重传感器输出的影响，很难同温度 引起的其他的误差相区别，故必须对所有这些效 应的综合作用所引起的输出随温度变化进行补偿。

大多数弹性元件材料的弹性模量都随着温度 的升高而降低，对合金钢来说，温度每升高 1000。F (60°d ,弹性模量减小1%?3%,因此 必须进行灵敏度温度补偿。

(3）工艺性能

弹性元件材料的工艺性能，主要是冷热加工 性能好，热处理后（即高度淬硬后不变形等。 对于小量程称重传感器弹性元件材料的选择应特 别注意，由于小量程称重传感器多采用平行梁结 构，其电阻应变计粘贴处截面很薄，其影响是：

1）电阻应变计粘贴处截面越来越薄，电阻应 变计基底和胶粘剂层占截面的比例越来越大，将 参与截面的刚度，同时敏感栅与梁表面的距离相 对来说更远了。其结果是弹性元件的塑性增加刚 性减弱，称重传感器的滞后和蠕变误差增大。

2）电阻应变计粘贴处截面薄对热传导不利。 因为，电阻应变计产生的大部分热量，是从敏感 栅传到弹性元件表面，并由此表面通过此截面流 向质量较大的邻近截面。粘贴电阻应变计截面特 别薄时，这种热流传导的阻力将会造成显著的温 度梯度，使电阻应变计处于较高的温度状态，改 变局部应力场而产生输出误差。

3）电阻应变计粘贴处截面薄冷热加工难度 大，且易产生局部变形和较大的残余应力，直接 影响称重传感器的零点和灵敏度的稳定性。

解决上述问题的有效方法是采用低弹性模量 的铝合金或其它有色金属合金。应用较多的是铝 合金。其特点是比重小、Ep乘积小、屈强比高、 比强度大、塑性好、耐腐蚀、低温性能好，并具 有优良的机械加工性能。国内外应用较多的是以 下三种可热处理强化的铝合金：

1）锻铝合金

我国牌号LD10新牌号2A14,美国、曰本 牌号2014。属于铝一铜一镁一桂系，因具有良好 的锻造性，故称为锻铝合金。

2）硬铝合金

我国牌号LY12新牌号2A12,美国、曰本 牌号2024,属于铝一铜一镁系，因其强度高，耐 热性好，故称为硬铝合金。

3）超硬铝合金

我国的牌号为LC4新牌号7A04 ,美国、日 本的牌号为7075,属于铝-锌-镁-铜系，由于 强度高于硬铝，故称为超硬铝合金。

由于2A14强度偏低，7A04时效温度低，所 以应用较少。国内外应用最多的是2A12硬铝合 金。对2A12或2024铝合金状态的要求是最好选 用热处理人工时效状态，即2A12-T6、2024-T6。 也可以选用T4再时效处理的2024-T81和经过特 殊调质处理的2024-T351。当选用2A12-T4时, 最好进行改变状态的再时效处理，即变T4状态为 T6状态。由铝合金生产厂进行热处理时，要求人 工时效状态即2A12-T6,硬度：各类型称重传感器为HB130 135 ；集成化称重板传感器为HB140?145。

从全面性能来看，铍青铜是最好的低弹性模量材料，国内应用很少，本文不作介绍。