根據(jù)收集的最近1o年來被 scI收錄論文的分析統(tǒng)計數(shù)據(jù),對目前國際上與稱重傳感器相關(guān)的技木學(xué)科領(lǐng)域的研究情況與進展做了簡單介重召, 從整體上看, 我們國家的理論研究水平與國際相比相差不大。 最后介紹了部分研究成果, 對地磅稱重傳感器制造技術(shù)的發(fā)展情況提出見解 。

引言

科學(xué)引文索引,即 SCI( Scientific Ci,ation Index)是美國科學(xué)信息研究所( ISI)編輯出版的引文索引類刊物, 創(chuàng)辦于1964年, scI從全球數(shù)萬種期刊中選出約35oo種科技期刊,涉及數(shù)、理、化、農(nóng)、林、醫(yī)、生命科學(xué)、天文、地理、環(huán)境、材料、工程技術(shù)等自然科學(xué)各學(xué)科。依據(jù)美國情報學(xué)家加費爾德提出的科學(xué)引文分析法, scI違從它嚴格的選刊標(biāo)準(zhǔn)和評估程序挑選刊源,而且每年略有增減,只會列出最具影響力的、最相關(guān)的、最可信的信息,從而做到 scI收錄的文獻能全面覆蓋全世界最重要和最有影響力的研究成果,反映當(dāng)前技木領(lǐng)域的最新研究進展與技術(shù)發(fā)展趨勢。進入 scI這一刊物的論文即為 scI論文, 通過 scI不僅能按照國家, 地區(qū), 機構(gòu), 個人等條件檢索出文獻的發(fā)表情況, 還可以査看文獻發(fā)表以來的引用情況, 從而了解其研究成果的高低, 并跟蹤其最新的研究進展 。因此,,scI已經(jīng)成過我國高校及科研単位中一個非常重要科學(xué)研究與應(yīng)用的評價指標(biāo), 有著非常重要的影響 。

1985年 oIML發(fā)布 R6o?稱重傳感器計量規(guī)程?國際建議,將用于質(zhì)量測量的負荷傳感器稱為稱重傳感器; 將用于力值計量、力值傳遞的負荷傳感器稱為力傳感器。上世紀(jì)4o年代前后, 電阻應(yīng)變計和電阻應(yīng)變式負荷傳感器(Load Cen)被研制出來后,經(jīng)過幾十年的發(fā)展,電阻應(yīng)變式稱重傳感器已經(jīng)在稱重測力等領(lǐng)域占據(jù)了絕大部分,其他如電容式,壓電式,石英諧振式等原理的稱重傳感器所占份額很小。我國稱重傳感器行業(yè)從上世紀(jì)八十年代開始引進國外先進技術(shù)開始發(fā)展起步, 隨著國民經(jīng)濟, 特別是電子技術(shù)行業(yè)的快速發(fā)展, 目前已經(jīng)成為了一個高度產(chǎn)業(yè)化的成熟行業(yè)。但是,這并不意味著與之相關(guān)的科研應(yīng)用就應(yīng)當(dāng)被忽視;相反,了解當(dāng)前科研領(lǐng)域的研究成果和發(fā)展現(xiàn)狀,進而引進成熟的科研成果,將新技術(shù)、新成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實生產(chǎn)力,才能不斷促進稱重傳感器行業(yè)的科技進步, 提高我國稱重傳感器行業(yè)未來在國際上的竟爭力 。

為客觀了解我國稱重傳感器相關(guān)的領(lǐng)域的科研水平和發(fā)展現(xiàn)狀,本文通過 ISI Web of Science的 SCI檢索系統(tǒng),檢索了近幾年來涉及稱重測力傳感器的相關(guān)論文收錄情況,并進行了簡単的統(tǒng)計分析,希望能對我國的稱重傳感器相關(guān)工作者在技術(shù)研究和應(yīng)用方向的選擇上提供一些啟示 。

1.  scI文獻檢索結(jié)果與統(tǒng)計分析

1.1論文數(shù)據(jù)收集與時間分布

本文首先以“標(biāo)題”=“1oad cen$”為檢索i司(僅稱重傳感器) ,出版時間跨度為2000年2016年,共在數(shù)據(jù)庫中檢索出被SCI收錄的科研論文178篇。從圖1可以看出,近10年來,與1oad cen強相關(guān)的文獻差不多平均每年都有1o~15篇左右?？?/span>見,稱重傳感器這一領(lǐng)域的科學(xué)研究與應(yīng)用并非無人問津。

本文再以“標(biāo)題”=“1oad cell$” 0R“force transducer$” 0R“force sensor$”為檢索條件(整個力傳感器范圍, 包括稱重,測力等) ,出版時間跨度為2ooo年2o16年,共檢索出文獻1225篇。其近十年的發(fā)表時間分布如圖2所示,可以看出,在力傳感器這個大范圍內(nèi),其相關(guān)的研究成果有逐年上升的造勢。相信在力傳感器這個領(lǐng)域未來的發(fā)展前景還是可以期待的, 未來應(yīng)該會有更多科研人員參與進來, 并創(chuàng)造更多科研成果。

1.2論文地區(qū)分布

對上述搜索結(jié)果進行國家/地區(qū)統(tǒng)計,結(jié)果如表1 (僅稱重傳感器) ,表2 (力傳感器(含稱重) )所示, 列出了發(fā)表論文數(shù)量最多的前8個國家/地區(qū)。

根據(jù)以上統(tǒng)計結(jié)果,可以看出,進入21世紀(jì)以來,我國在涉及到稱重傳感器的細分領(lǐng)域的研究成果并不突出,美國在這個領(lǐng)域的研究成果居于首位。不過,將范圍擴大到力傳感器(含稱重)這個較大領(lǐng)域時,我國的研究成果表現(xiàn)出色,總的發(fā)表論文數(shù)量位居第一?？偟膩碚f,我國在稱重測力傳感器相關(guān)的科研領(lǐng)域與國外差距并不大。

1.3研究領(lǐng)域分析

本文將相關(guān)文獻按照傳感器應(yīng)用研究和傳感器技術(shù)研究分成兩大類,并進一步將涉及傳感器應(yīng)用研究的文獻細分為醫(yī)學(xué)/生物相關(guān)應(yīng)用研究,農(nóng)業(yè)/環(huán)境相關(guān)應(yīng)用研究,工程應(yīng)用研究(主要是制造裝備,機械電子, 土木建筑等方面)和其他領(lǐng)域應(yīng)用研究(如教育,科研等方面) 。由于時間精力的限制,本文僅對近1o年來( 2oo7 年~2016年) ,涉及到稱重傳感器(“標(biāo)題”=“Load Ce11$”)的論文,共146篇文獻進行了分類,結(jié)果如表3所示。

從表中可以看出,約有三分之一的文獻關(guān)注點是稱重傳感器自身技術(shù)研究方面。所以,雖然商業(yè)化的稱重傳感器技術(shù)已經(jīng)十分成熟, 但仍有不少學(xué)者在這一傳感器技術(shù)領(lǐng)域進行研究, 這些文獻中主要涉及的有: 電阻應(yīng)變式傳感器的性能提高(如計量技術(shù)提高,彈性體材料改善,動態(tài)稱重技術(shù)等) ,結(jié)構(gòu)改進(如多維力傳感器的研究)等,以及一些新材料、新技術(shù)在稱重傳感器方面的應(yīng)用,如MEMs技術(shù),光纖技術(shù),碳敏感材料技術(shù)等等(本文在后續(xù)章節(jié)詳述) 。在涉及到稱重傳感器應(yīng)用的研究方面,傳統(tǒng)的工程領(lǐng)域仍然是稱重傳感器最主要的應(yīng)用研究領(lǐng)域。不過,在醫(yī)療/生物領(lǐng)域,涉及的稱重傳感器的應(yīng)用研究緊隨其后,已經(jīng)接近文獻數(shù)量的五分之一 。 隨著人們對健康護理要求的日益提高以及老齡化社會的到來, 今后稱重傳感器在這一領(lǐng)域勢必會有更廣闊的應(yīng)用前景。農(nóng)業(yè)/環(huán)境也是另一個值得關(guān)注的領(lǐng)域, 比如當(dāng)前我們生活中經(jīng)常提及的 PM2.5, 其精確的測量就與稱重傳感器有關(guān)。

2. 部分傳感器技術(shù)研究成果介紹

通過對上述涉及到稱重傳感器技術(shù)研究領(lǐng)域的一些文獻進行進一步査閱分析, 本文對當(dāng)前涉及到稱重傳感器技術(shù)領(lǐng)域的科研成果, 按照敏感機理分類, 將幾種主要的傳感器技術(shù)做一些簡単的介紹和談一下筆者的見解。

2.1電阻應(yīng)變式

電阻應(yīng)變式稱重傳感器是當(dāng)前最廣泛使用的稱重傳感器,經(jīng)過幾十年的發(fā)展,已經(jīng)相當(dāng)成熟。當(dāng)前,涉及到電阻應(yīng)變式稱重傳感器的研究主要集中在動態(tài)測量技術(shù)和多維力傳感器這兩個方面, 以這兩個方面的研究論文最多, 如JacekPiskorowski 等提出了一種時域變化的動態(tài)補償方法; Giovanni Boschetti等考慮到稱重設(shè)備如多頭包裝秤等的振動影響, 利用模態(tài)分析技術(shù)對傳感器響應(yīng)進行動態(tài)補償算法設(shè)計。 在多維力傳感器研究方面, Bano, F, Gobbi, M., Corso, L等都從不同角度對提高多維力傳感器的精度和可靠性做了研究。其他方面如, 0h,suka, Aki,sugu 等對蠕變的數(shù)字補償進行了研究,提出了一種自優(yōu)化嬬'變補償參數(shù)的補償算法。 Kluger, Jocelyn M等人等研究設(shè)計了一種非線性懸臂梁傳感器, 以實現(xiàn)較大的測試量程, 同時保證傳感器在小量程段仍然具有較高的分辨力,其樣機如圖3所示。

2.2硅材料/MEMS技術(shù)

田Ms傳感器是隨著集成電路 Ic技術(shù)的發(fā)展而興起的。 發(fā)展至今, 基于 MEMs硅技術(shù)的圧力傳感器實際上已經(jīng)十分成熟,但是其在力傳感器方面的應(yīng)用還是較為少見的。究其原因可能還是當(dāng)前產(chǎn)品的主要性能指標(biāo)較低以及安裝結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)的傳感器(如Honeywen的 Fs系列力傳感器) 。本文統(tǒng)計的 scI收錄文獻[8,9,10]等都對基于MEMS及硅材料的1oad ce11進行了研究。 利用 MEMs硅技術(shù)制造稱重傳感器的優(yōu)點還是十分突出的,如易于大批量生產(chǎn), 一致性好,抗過載能力強, 可靠性高, 同時易于與其他電路如ADc進行集成,做成數(shù)字化、智能化傳感器。以GE Druck的Ems硅圧阻式圧力傳感器 uNIK5ooo為例, 其補償方式與傳統(tǒng)電阻應(yīng)變式傳感器類似, 僅靠模擬補償技術(shù), 已經(jīng)可以做到最高 o.o5%精度等級的壓力傳感器。若通過設(shè)計創(chuàng)新,使基于 MEMs硅壓阻的力傳感器測試安裝方式與傳統(tǒng)應(yīng)變式稱重傳感器兼容, 應(yīng)當(dāng)具有一定的應(yīng)用前景 。

2.3光纖式

基于光纖的稱重傳感器并不是一個新事物。 國內(nèi)已經(jīng)有不少學(xué)者進行了相關(guān)研究。 其原理是基于布拉

格光湖(FBG)原理制成應(yīng)變傳感器。光纖稱重傳感器的主要優(yōu)點在于信號穩(wěn)定,抗干擾性強,靈敏度高,頻帶寬動態(tài)范圍大,単根測量導(dǎo)線可以連接多個傳感器,降低了布線工作量;同時,光纖白身的疲芳特性、應(yīng)變極限和耐老化性能都比傳統(tǒng)應(yīng)變計好,還耐水、高壓等環(huán)境,故可以使用在如長距離,防爆,高壓等一些特殊應(yīng)用場合。本文統(tǒng)計的 scI收錄文獻分別介紹了一種新型光纖稱重傳感器的設(shè)計, 以及光纖稱重傳感器在 wIM(動態(tài)稱重)中的應(yīng)用。也有人認為光纖傳感器的穩(wěn)定性不高, 筆者認為實際上問題主要在于目前國內(nèi)的一些光纖傳感器廠家的生產(chǎn)工藝還比較落后, 并非光纖應(yīng)變傳感器自身問題, 以筆者所見, 光纖傳感器中類似于應(yīng)變片的貼片工藝的相關(guān)工藝仍有待改進提高; 另外, 光纖 FBG也可以制成溫濕度傳感器, 所以在設(shè)計光纖測力傳感器時, 也需要更多考慮多種因素的影響, 當(dāng)然利用光纖實現(xiàn)溫度, 應(yīng)變的同步測量也是一個解決方案 。

2.4碳材料

有關(guān)碳材料方面的研究是當(dāng)前國際上科研領(lǐng)域的研究熱點, 如碳納米管和石墨烯的研究正是方興未艾。 實際上,這兩種碳材料在力傳感器領(lǐng)域也有潛在的應(yīng)用價值。本文統(tǒng)計的 scI收錄文獻就分別介紹基于碳納米管材料制作的高靈敏度1oad cen和柔性拉力1oad cen。在這方面,我們國內(nèi)的研究并不落后,如常州大學(xué)丁建寧教授的研究 閉 隊已經(jīng)成功將普通橡膠復(fù)合碳納米管材料制成超彈性導(dǎo)電體 。 與傳統(tǒng)的彈性導(dǎo)電體相比, 最大的優(yōu)勢是把大彈性形變與電阻穩(wěn)定性有機統(tǒng)一起來 K期以來這是一個世界級難題 。 這是一種極好的應(yīng)變傳感器,其形變能力是商業(yè)化金屬應(yīng)變傳感器的2oo倍。可以預(yù)見,這種大形變彈性材料在柔性機器人、工業(yè)傳感器等多個方面有著巨大的應(yīng)用前景。

在本次統(tǒng)計的 SCI文件,還有其他技術(shù),如 ul'ra-Fas'LC,基于 LTCC陶瓷,光機電原理, 電磁力原理, 磁彈性原理以及厚膜工藝等等技術(shù)的稱重傳感器, 在此就不再一一做介紹了 。

3.  結(jié)束語

通過以上初步的統(tǒng)計分析可見,進入21世紀(jì)以來,涉及到力傳感器(含稱重)相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用的研究正逐步增加。同時,從高水平文獻數(shù)量上來看,我國在涉及力傳感器(含稱重)相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用的研究能力和水平與國外相比并不落后。當(dāng)然,在具體細分領(lǐng)域,各國學(xué)者的研究重點可能并不相同,對此本文不做深入探討。 為進一步促進我國稱重測力傳感器今后的科研和應(yīng)用的發(fā)展, 也可以考慮進一步提高和擴大高校及科研機構(gòu)和企業(yè)的合作范圍, 一方面可以加快科研成果的轉(zhuǎn)化, 實現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研一體化, 另一方面也加強了人才的對口培養(yǎng), 充實了企業(yè)的后備力量。