電阻應(yīng)變稱重傳感器標(biāo)準(zhǔn)變化對產(chǎn)品的影響分析

一、概述

改革開放之后的十九世紀(jì)八十年代末期，電子秤獲得了快速的發(fā)展。而以電阻應(yīng)變稱重傳感器（以下簡稱稱重傳感器）為重量—電量轉(zhuǎn)換原理的電子秤發(fā)展為迅速。稱重傳感器是電子秤的核心部件，其精度決定了電子秤的精度，是隨著電子秤技術(shù)的需求而快速發(fā)展的。早在七十年代，我國就開始出現(xiàn)了應(yīng)變式稱重傳感器原理的電子秤，在輕工行業(yè)，曾經(jīng)還舉行過稱重傳感器的質(zhì)量評比。稱重傳感器的精度一般都較低，高能達(dá)到 0.05%左右，受到彈性體材料、電阻應(yīng)變計、貼片膠、密封膠、制做工藝等的影響，精度一直沒有大的提高。所以，當(dāng) 1983 年，輕工部和中國衡器協(xié)會提出了“手動改自動，機(jī)械改電子”的發(fā)展目標(biāo)以后，行業(yè)內(nèi)的一些企業(yè)、科研院所，開始加速生產(chǎn)電阻應(yīng)變式稱重傳感器。一方面，受到當(dāng)時國內(nèi)基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平的限值，如：鋼材、鋁材、應(yīng)變計、貼片膠等性能不是很好；另一方面，稱重傳感器的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求也不是很高，萬分之三的產(chǎn)品就是很好的產(chǎn)品了。因?yàn)楣潭ㄊ狡嚭獯蟛糠质菣C(jī)械杠桿式汽車衡，量程一般在 30t～60t 左右，精度在三千分之一。根本沒有像現(xiàn)在的市場一樣：有 5000分度的要求，甚至是 7500 分度的要求。隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，電子秤產(chǎn)品對稱重傳感器不斷提出了更高的要求。八十年代中期，國內(nèi)先后有 4 家企業(yè)從國外引進(jìn)了電阻應(yīng)變計的制做技術(shù)，有 2 家企業(yè)從國外引進(jìn)了電阻應(yīng)變稱重傳感器的制做技術(shù)，稱重傳感器產(chǎn)品的質(zhì)量水平獲得了較大的提高，達(dá)到了 GB7551-87《電阻應(yīng)變稱重傳感器》的高級0.02級的要求，電子秤的精度也有了較大的提高。使中國衡器的制造水平一下提升了近 20 年，達(dá)到了國外發(fā)達(dá)國家的同期水平。后來對稱重傳感器標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂，形成GB/T7551-1997《稱重傳感器》，目前執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)是 GB/T7551—2008《稱重傳感器》。這中間，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展對推動傳感器產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)步起到了積極的作用。認(rèn)真分析新舊標(biāo)準(zhǔn)的異同點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)稱重傳感器產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)的演變過程，進(jìn)而尋求產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步提高。 

二、7551-87《電阻應(yīng)變稱重傳感器》的主要特點(diǎn)該標(biāo)準(zhǔn)是第一個國標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施后，原標(biāo)準(zhǔn) JB2166-77《電阻應(yīng)變稱重傳感器》同時作廢。該標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)如下：

1、稱重傳感器等級：稱重傳感器等級是由非線性、滯后、重復(fù)性、蠕變、零點(diǎn)溫度附加誤差和額定輸出溫度附加誤差六項(xiàng)指標(biāo)中的大誤差確定。等級分為 0.02，0.03，0.05，0.1，0.2，0.3，0.5，1.0，共 8 個等級。是由單項(xiàng)指標(biāo)的大值，決定稱重傳感器的級別。高精度為 0.02級。

2、靈敏度：稱重傳感器的標(biāo)準(zhǔn)靈敏度分為 5 檔：1，1.5，2，2.5，3，mV/V。

3、正常工作條件：溫度：－10～＋55℃。比后來的標(biāo)準(zhǔn)高＋15℃。

4、與稱重傳感器等級對應(yīng)的技術(shù)要求：以常用的 0.02，0.03，0.05 級稱重傳感器為例，非線性、滯后、蠕變、零點(diǎn)溫度附加誤差、額定輸出溫度附加誤差五大指標(biāo)，都是對應(yīng)的 0.02，0.03，0.05級，而重復(fù)性指標(biāo)提高了一個級別，為 0.02～0.03，便于對稱重傳感器級別進(jìn)行判定，生產(chǎn)廠家和技術(shù)機(jī)構(gòu)的檢測人員在稱重傳感器測試完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理也比較容易。同時，對稱重傳感器的靈敏度允差和零點(diǎn)輸出也進(jìn)行了明確的要求。見下表 1。

5、對稱重傳感器的長期穩(wěn)定性提出了要求，如：零點(diǎn)漂移（2h），靈敏度不穩(wěn)定度（6 個月），是八十年代末期當(dāng)時條件下稱重傳感器容易出現(xiàn)問題的指標(biāo)。稱重傳感器等級 序號 技術(shù)指標(biāo) 0.02（％） 0.03（％） 0.05（％）

4.1.1 非線性 ±0.02 ±0.03 ±0.05

4.1.2 滯后誤差 ±0.02 ±0.03 ±0.05

4.1.5 蠕變（30min） ±0.02 ±0.03 ±0.05 環(huán)境溫度每變化 10℃時，零點(diǎn)變化 0.02 0.03 0.05 4.2.1.a 同上，額定輸出變化 ±0.02 ±0.03 ±0.05

4.1.3 重復(fù)性誤差 0.02 0.02 0.03

4.1.4 靈敏度允差 ±0.1 ±0.1 ±0.1

4.1.7 零點(diǎn)輸出 ±1 ±1 ±2

4.2.1.b 零點(diǎn)漂移（2h） 0.02 0.03 0.05

4.2.1.c 靈敏度不穩(wěn)定度（6 個月） 0.04 0.06 0.1

6、對稱重傳感器的偏載影響提出了要求，如：水平方位偏載（0°，90°，180°，270°）、同心傾斜（1°）、偏心傾斜（e，1°）、偏心（e）等，都提出了要求，其數(shù)據(jù)分別與對應(yīng)的傳感器級別相適應(yīng)，如：0.02 級傳感器對應(yīng)的指標(biāo)是 0.02。

7、其他性能 對稱重傳感器的靈敏度允差、零點(diǎn)輸出、絕緣電阻、輸入輸出電阻允差、固有頻率、外觀等，都提出了明確的要求。影響量中，也對過載、機(jī)械振動、連續(xù)沖擊、加速壽命試驗(yàn)等，提出了要求。

8、對產(chǎn)品的推動作用 從某種意義上說，該標(biāo)準(zhǔn)從生產(chǎn)廠的角度出發(fā)，對產(chǎn)品提出了技術(shù)、計量要求，對產(chǎn)品的生產(chǎn)、使用具有積極的指導(dǎo)作用。在實(shí)際應(yīng)用中，稱重傳感器零點(diǎn)、絕緣、輸入輸出電阻，也成了在現(xiàn)場判斷產(chǎn)品好壞的重要條件。經(jīng)常出現(xiàn)的問題是稱重傳感器的零點(diǎn)輸出大了，超出了出廠值。為了達(dá)到消除稱重傳感器初始零點(diǎn)和靈敏度不穩(wěn)定性的目的，有的生產(chǎn)廠家，在產(chǎn)品生產(chǎn)出來之后，在倉庫中放置半年以上的時間，經(jīng)二次復(fù)測，再銷往市場用戶。為了適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)廠家還更改技術(shù)參數(shù)，如：濟(jì)南金鐘衡器公司，引進(jìn)日本久保田株式會社的稱重傳感器技術(shù)，橋式稱重傳感器的靈敏度為 2.02±0.004mV/V，后來改為 2±0.004mV/V；溫度零點(diǎn)和溫度靈敏度的試驗(yàn)箱，也是按＋55℃的條件來設(shè)計的等等，都是為了適應(yīng)國標(biāo)的技術(shù)要求。衡器用戶在使用稱重傳感器時，對靈敏度允差特別關(guān)注，要求誤差盡量的小，以便于衡器產(chǎn)品的四角調(diào)整。在皮帶秤上使用稱重傳感器的用戶，還會要求提供稱重傳感器的加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)。不管是生產(chǎn)廠、檢測機(jī)構(gòu)還是用戶，大家都在以標(biāo)

準(zhǔn)的指標(biāo)來嚴(yán)格控制生產(chǎn)、檢測和使用傳感器。

三、GB/T7551-1997《稱重傳感器》的主要特點(diǎn)

該標(biāo)準(zhǔn)等效采用了 OIML R60《稱重傳感器計量規(guī)程》國際建議（1991 年版），并提出了與國際接軌的觀點(diǎn)。采用了分度值、分度數(shù)和稱重傳感器大允許誤差帶的概念。其誤差根據(jù) OIML R76號國際建議“典型模塊誤差分配”的要求，稱重傳感器取衡器的 0.7 倍。

C 級 D級

0.35v 0≤m≤500v 0≤m≤50v

0.7v 500v＜m≤2000v 50v＜m≤200v

1.05v 2000v＜m≤10000v 200v＜m≤1000v

通常，稱重傳感器的設(shè)計精度都取 C3 級或 C2 級，即滿足 3000 分度或者 2000 分度的精度，才能滿足衡器 3000 分度的要求。該標(biāo)準(zhǔn)還提出了小靜負(fù)荷的概念，并將稱重傳感器零點(diǎn)溫度附加誤差改進(jìn)為溫度對小靜負(fù)荷輸出的影響，使之更加適合稱重傳感器在衡器上的使用情況。雖然有“溫度對靈敏度的影響”概念，但是標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容中并沒有計算要求，而是在稱重傳感器誤差帶中綜合要求。在標(biāo)準(zhǔn)的“范圍”中，提出：“本標(biāo)準(zhǔn)的原則是當(dāng)稱重傳感器的性能特性與允許誤差帶相擬合時，稱重傳感器的各種誤差必須合在一起考慮。必須認(rèn)識到稱重傳感器可能具有小的非線性、滯后誤差和適中的溫度誤差；或者恰好相反，可能具有適中的非線性、滯后誤差和小的溫度誤差。因此，對給定的特性（非線性、滯后等）規(guī)定其各自的誤差限就被認(rèn)為是不適當(dāng)?shù)?，而寧可把稱重傳感器的允許總誤差帶作為限值因素”。用誤差帶的概念來考評稱重傳感器，和衡器的誤差帶更加適應(yīng)，顯然是比較合適的。  有了誤差帶的概念之后，怎樣選擇稱重傳感器的級別滿足衡器要求的精度，一直是衡器設(shè)計人

員研究、探討的問題。其中包括單只稱重傳感器應(yīng)用和多只稱重傳感器在衡器上的應(yīng)用。技術(shù)人員考慮較多的問題是：3000 分度的衡器，是否要用 C3（3000 分度）級的稱重傳感器；多只稱重傳感器應(yīng)用，系統(tǒng)精度會提高 1/ n，此時對于 5000 分度、6000 分度的衡器，要使用多少分度的稱重傳感器；稱重傳感器的檢定分度值怎樣設(shè)計確定；稱重傳感器的溫度靈敏度在衡器使用中怎樣起作用；并且，新標(biāo)準(zhǔn)中，確定稱重傳感器性能的參考理論直線由過去標(biāo)準(zhǔn)的 100%滿量程和零點(diǎn)之間的直線，修改為 75%的稱重傳感器滿量程輸出與零點(diǎn)之間的連線為理論直線。對稱重傳感器的評價更多的是考慮與衡器精度的匹配關(guān)系，理論計算比 87 標(biāo)準(zhǔn)要復(fù)雜很多，不能直觀的進(jìn)行判斷；該標(biāo)準(zhǔn)更像是檢定規(guī)程，注重了稱重傳感器的性能評價，而沒有考慮傳感器設(shè)計、生產(chǎn)中需要解決的問題。如：稱重傳感器零點(diǎn)，溫度零點(diǎn)，靈敏度允差，絕緣指標(biāo)，輸入輸出電阻允差等。由于在產(chǎn)品領(lǐng)取生產(chǎn)許可證和復(fù)評中，首先需要對稱重傳感器進(jìn)行溫度性能試驗(yàn)，所以生產(chǎn)廠家、檢測部門都開始配備帶溫度試驗(yàn)箱的測力機(jī)，嚴(yán)格控制稱重傳感器在各溫度下的性能指標(biāo)，這一點(diǎn)應(yīng)該是該標(biāo)準(zhǔn)對稱重傳感器技術(shù)有力的推動作用。用戶和生產(chǎn)廠家在銷售和選擇稱重傳感器時，也更多的是考慮稱重傳感器的級別和分度數(shù)來作為產(chǎn)品的優(yōu)選指標(biāo)而不是再以單一指標(biāo) 0.02 或者 0.03 級來選擇傳感器了。

四、GB/T7551-2008《稱重傳感器》的主要特點(diǎn)該標(biāo)準(zhǔn)與 GB/T7551－1997《稱重傳感器》在稱重傳感器性能指標(biāo)的評價方面是一致的，仍然沿用了 97 版標(biāo)準(zhǔn)的稱重傳感器分度值、分度數(shù)和大允許誤差帶的概念。為了彌補(bǔ) 97 版標(biāo)準(zhǔn)對生產(chǎn)指導(dǎo)的不足，增加了零點(diǎn)、輸入輸出電阻、絕緣、外觀等指標(biāo)要求，但對稱重傳感器的模擬部分的長期穩(wěn)定性指標(biāo)，沒有提及；在影響量中，也沒有考慮偏載、過載、機(jī)械振動、連續(xù)沖擊、加速壽命試驗(yàn)等；但是提出了“對帶電子組件的稱重傳感器的要求”，即數(shù)字稱重傳感器的要求，以適應(yīng)蓬勃發(fā)展的數(shù)字傳感器技術(shù)。從某種意義上講，稱重傳感器屬于一種半永久性器件，使用壽命一般的應(yīng)該達(dá)到 5～10 年的時間。所以在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中，不能夠忽視這些技術(shù)指標(biāo)，除了從產(chǎn)品的檢測、評價角度來設(shè)計產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)外，更應(yīng)該從生產(chǎn)和使用的角度來規(guī)定稱重傳感器的技術(shù)指標(biāo)。

五、淺談新標(biāo)準(zhǔn)存在的不足

1、沒有考慮靈敏度允差對衡器四角的影響以多只稱重傳感器的使用為例，稱重傳感器的靈敏度允差，是選擇稱重傳感器時需要認(rèn)真考慮的指標(biāo)，靈敏度允差過大，會使得各稱重傳感器輸出不平衡，影響衡器的四角調(diào)整。

2、沒有提出模擬稱重傳感器的穩(wěn)定性指標(biāo)

（1）穩(wěn)定性與靈敏度指標(biāo)的關(guān)系稱重傳感器的靈敏度，一方面是設(shè)計和加工決定的，另一方面也是通過電氣補(bǔ)償進(jìn)行靈敏度標(biāo)準(zhǔn)化補(bǔ)償確定的，是二次靈敏度。所以，對于相同量程的二只稱重傳感器，假設(shè)其靈敏度一樣，而彈性體的應(yīng)變梁壁厚不一樣，其初始靈敏度為 2.1Mv/V 和2.4Mv/V，然后通過串聯(lián)電阻而達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化輸出的要求 2mV/V。因此，雖然終指標(biāo)一樣，但由于設(shè)計值不一樣，而使得二只稱重傳感器抗過載能力和靈敏度穩(wěn)定性會不一樣。

（2）穩(wěn)定性與材料的關(guān)系沒有了稱重傳感器的穩(wěn)定性指標(biāo)，目前市場上，就出現(xiàn)了各種材料的稱重傳感器。以橋式稱重傳感器為例，優(yōu)質(zhì)材料當(dāng)然是 40CrNiMoA，但現(xiàn)在大量的有 40Cr 的材料制成的稱重傳感器；其長期穩(wěn)定性肯定不一樣。生產(chǎn)廠沒有花精力去研究什么樣的材料可以提高稱重傳感器的穩(wěn)定性和長期保證稱重傳感器的性能，而是挖空心思降低成本，提高競爭能力，采用稍差的材料來生產(chǎn)稱重傳感器，而考慮稱重傳感器在短時間損害的時候，通過更換稱重傳感器時抬高價格來彌補(bǔ)初始銷售時低價格帶來的損失。在 87 版標(biāo)準(zhǔn)的影響下，生產(chǎn)廠將稱重傳感器放置半年以后才發(fā)貨，而現(xiàn)在根本沒有這樣來組織生產(chǎn)的企業(yè)了。所以，在作為標(biāo)準(zhǔn)器件使用的場合，只能使用德國等國家生產(chǎn)的具有良好穩(wěn)定性能的稱重傳感器了，作為標(biāo)準(zhǔn)使用的稱重傳感器，仍然在使用國外公司的產(chǎn)品。

3、稱重傳感器的分度值大于 3000 之后，分度是否合理目前，市場上開始出現(xiàn)了分度數(shù)大于 3000 的稱重傳感器，即：C4，C5 級的稱重傳感器，按技術(shù)要求，大于 2000 分度之后，誤差限為 1.05e，稱重傳感器的相對誤差會很小，而測量要求“載荷發(fā)生系統(tǒng)和測量稱重傳感器輸出的指示儀表系統(tǒng)共同形成的系統(tǒng)擴(kuò)展不確定度，應(yīng)不超過受試稱重傳感器大允許誤差的三分之一”。這樣，對測試系統(tǒng)提出了更高的要求，現(xiàn)有的測試系統(tǒng)很多都達(dá)不到要求。

六、結(jié)束語

本文分析了自 GB7551-87《電阻應(yīng)變稱重傳感器》標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布以來，稱重傳感器標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)指標(biāo)的變化，以及這些變化對生產(chǎn)廠、檢測機(jī)構(gòu)、用戶在生產(chǎn)、檢測、選擇稱重傳感器時，帶來的影響。后根據(jù)自己的理解，提出了一點(diǎn)對標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)發(fā)展的看法。不當(dāng)之處，請同行批評指正。