电阻应变式测力与称重传感器技术的回顾

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1、电阻应变式测力与称重传感器技术的回顾——纪念电阻应变式测力与称重传感器诞生70周年中国运载火箭技术研究院第七○二研究所尹福炎【摘要】上世纪40年代以前，在工程结构试验中外载荷或力的测量组件是各种机械式测力计。在电阻应变片出现以后，人们开始研制各种用于工程结构试验的测力传感器，通常也称载荷传感器或负荷传感器。在此同时，人们也试图把其用于衡器和称量系统。箔式应变片发明和发展，使负荷传感器的测量精度有了大幅度的提高，负荷传感器在称量系统的应用比原先测力范围更为广泛。测力与称重传感器的分立，称重传感器补偿电路的不断完善，及其结构从单纯的正应力设计，

2、进而利用剪应力原理，不仅使传感器的结构尺寸大大减小，而且使称重传感器得测量精度也有大幅度提高，在衡器和自动称量系统获得了前所未有的发展，取得了极大的成功。随着电子技术的飞速发展，称重传感器也从模拟式发展到数字智能化，极大地丰富了称重传感器市场。本文，将就测力与称重传感器的发展过程作一简要的回顾，以供从事应变片和称重传感器研制的同仁们参考。【关键词】机械式测力计；测力与称重传感器；电阻应变片；衡器；自动称量系统；数字式智能称重传感器一、前言现代测力与称重技术的发展，离不开获取和转换力值与质量信号的传感器。总所周知，至今为止，测力与称重传感器的

3、发展大体已经历了三代。第一代是机械式测力计。上世纪四十年代以前，在电阻应变片出现之前，人们测量工程结构部件的应变，一般采用机械式应变计，也称机械引伸计或光学引伸计等；而测量工程结构试验载荷的则是各种机械式测力计。第二代是电阻应变式测力与称重传感器。电阻应变片问世后，于上世纪四、五十年代，人们根据工程结构试验研究的需要而利用电阻应变片来开发各种传感器。当时，美国的航空工业部门，迫切需要各种用于测量工程结构试验的载荷（力）、扭矩及流体压力传感器，为了测量飞机结构静态试验的载荷而开发了负荷传感器；为了测量飞机在风洞中的作用力，开发了多分量力传感器

4、等。在工程结构试验中测量外载荷或力的测量组件是各种机械式测力计。在电阻应变片出现以后，人们开始研制各种用于工程结构试验的测力传感器，通常也称载荷传感器或负荷传感器。在此同时，人们也试图开始把其用于衡器和称量系统。箔式应变片发明和发展，使测力传感器的测量精度有了大幅度的提高，传感器在称量系统的应用比原先测力范围更为广泛。第三代是数字化、智能型测力与称重传感器。随着测力与称重传感器的分立，传感器补偿电路的不断完善，传感器结构从单纯的正应力设计，进而利用剪应力原理，不仅使传感器的结构尺寸大大减小，而且使传感器得测量精度也有大幅度提高，在衡器和自动

5、称量系统获得了前所未有的发展，取得了极大的成功。随着电子技术的飞速发展，称重传感器也从模拟式发展到数字智能化，极大地丰富了称重传感器市场。对于电阻应变式测力与称重传感器的国内外的发展情况，很多专家、学者都已做过详细的介绍分析，本文在此主要就应变片、测力与称重传感器诞生70周年之际，就测力与称重传感器的发展过程作一简要的回顾，以供从事应变片和称重传感器研制的同仁们参考。二、历史的回顾1、机械式测力计与电阻应变式测力传感器从所周知，测力与称重传感器与其它的力学量传感器显着的不同，它是直接安装在整个载荷测量链中（图1），所以传感器的强度和刚度必须

6、满足系统的整体要求，才能保证系统的安全和测量精度。为此，通常测量力或重量的传感器与其它类型的传感器相比，其体积和重量都比较大。在电阻应变式测力传感器出现以前，在工程结构试验和材料试验机的测力计机构中，都是采用各种机械式测力计（如图2、3）。当电阻丝式应变片发明以后，当时的负荷传感器的结构比较简单，常用的圆环式或圆棒式，在其变形比较大的部位粘贴4片（或8片）应变片，组成惠斯顿电桥（图4），传感器的连线遵循了美国西部地区应变计委员会（Westernregionalstraingagecommittee）确定的布线规则（于1960年5月修订），该

7、连线规则如图5所示。测力与称重传感器的轴是根据右手正交坐标系进行定义。符号“＋”表明在力方向上可产生一个“＋”信号电压，通常定义为张力。根据图6坐标系的定义，测力与称重传感器的主旋转轴或径对称轴为Z轴。图1传统的测力系统图2钢板拉力计图3杠杆式三等标准测力当时的测力传感器一般采用石蜡或蜂蜡涂封防潮，人们常把其称为测力环或测力棒（如图7所示）。载荷的测量仪器一般采用静态电阻应变仪（如图8所示）。因而，当时的载荷测量精度比较低，一般在5%-10%以内。图4典型的惠斯顿电桥结构图5标准的电气连接颜色规则图6称重传感器轴的定义（a）环式测力计（b）

8、柱式测力计图7粘贴式应变片制成的测力环和测力棒图8环状测力计与载荷测量仪（静态电阻应变仪）五十年代中期箔式应变片的出现，应用箔式应变片的负荷传感器的测量精度有了明显的提高，基于当