根據收集的最近1o年來被 scI收錄論文的分析統計數據,對目前國際上與稱重傳感器相關的技木學科領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的發展情況提出見解 。

引言

科學引文索引,即 SCI( Scientific Ci,ation Index)是美國科學信息研究所( ISI)編輯出版的引文索引類刊物, 創辦于1964年, scI從全球數萬種期刊中選出約35oo種科技期刊,涉及數、理、化、農、林、醫、生命科學、天文、地理、環境、材料、工程技術等自然科學各學科。依據美國情報學家加費爾德提出的科學引文分析法, scI違從它嚴格的選刊標準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,反映當前技木領域的最新研究進展與技術發展趨勢。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, 機構, 個人等條件檢索出文獻的發表情況, 還可以査看文獻發表以來的引用情況, 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已經成過我國高校及科研単位中一個非常重要科學研究與應用的評價指標, 有著非常重要的影響 。

1985年 oIML發布 R6o?稱重傳感器計量規程?國際建議,將用于質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4o年代前后, 電阻應變計和電阻應變式負荷傳感器(Load Cen)被研制出來后,經過幾十年的發展,電阻應變式稱重傳感器已經在稱重測力等領域占據了絕大部分,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從上世紀八十年代開始引進國外先進技術開始發展起步, 隨著國民經濟, 特別是電子技術行業的快速發展, 目前已經成為了一個高度產業化的成熟行業。但是,這并不意味著與之相關的科研應用就應當被忽視;相反,了解當前科研領域的研究成果和發展現狀,進而引進成熟的科研成果,將新技術、新成果轉化為現實生產力,才能不斷促進稱重傳感器行業的科技進步, 提高我國稱重傳感器行業未來在國際上的竟爭力 。

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

1.  scI文獻檢索結果與統計分析

1.1論文數據收集與時間分布

本文首先以“標題”=“1oad cen$”為檢索i司(僅稱重傳感器) ,出版時間跨度為2000年2016年,共在數據庫中檢索出被SCI收錄的科研論文178篇。從圖1可以看出,近10年來,與1oad cen強相關的文獻差不多平均每年都有1o~15篇左右。可見,稱重傳感器這一領域的科學研究與應用并非無人問津。

本文再以“標題”=“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,其相關的研究成果有逐年上升的造勢。相信在力傳感器這個領域未來的發展前景還是可以期待的, 未來應該會有更多科研人員參與進來, 并創造更多科研成果。

1.2論文地區分布

對上述搜索結果進行國家/地區統計,結果如表1 (僅稱重傳感器) ,表2 (力傳感器(含稱重) )所示, 列出了發表論文數量最多的前8個國家/地區。

根據以上統計結果,可以看出,進入21世紀以來,我國在涉及到稱重傳感器的細分領域的研究成果并不突出,美國在這個領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)這個較大領域時,我國的研究成果表現出色,總的發表論文數量位居第一。總的來說,我國在稱重測力傳感器相關的科研領域與國外差距并不大。

1.3研究領域分析

本文將相關文獻按照傳感器應用研究和傳感器技術研究分成兩大類,并進一步將涉及傳感器應用研究的文獻細分為醫學/生物相關應用研究,農業/環境相關應用研究,工程應用研究(主要是制造裝備,機械電子, 土木建筑等方面)和其他領域應用研究(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(“標題”=“Load Ce11$”)的論文,共146篇文獻進行了分類,結果如表3所示。

從表中可以看出,約有三分之一的文獻關注點是稱重傳感器自身技術研究方面。所以,雖然商業化的稱重傳感器技術已經十分成熟, 但仍有不少學者在這一傳感器技術領域進行研究, 這些文獻中主要涉及的有: 電阻應變式傳感器的性能提高(如計量技術提高,彈性體材料改善,動態稱重技術等) ,結構改進(如多維力傳感器的研究)等,以及一些新材料、新技術在稱重傳感器方面的應用,如MEMs技術,光纖技術,碳敏感材料技術等等(本文在后續章節詳述) 。在涉及到稱重傳感器應用的研究方面,傳統的工程領域仍然是稱重傳感器最主要的應用研究領域。不過,在醫療/生物領域,涉及的稱重傳感器的應用研究緊隨其后,已經接近文獻數量的五分之一 。 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域勢必會有更廣闊的應用前景。農業/環境也是另一個值得關注的領域, 比如當前我們生活中經常提及的 PM2.5, 其精確的測量就與稱重傳感器有關。

2. 部分傳感器技術研究成果介紹

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

2.1電阻應變式

電阻應變式稱重傳感器是當前最廣泛使用的稱重傳感器,經過幾十年的發展,已經相當成熟。當前,涉及到電阻應變式稱重傳感器的研究主要集中在動態測量技術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補償方法; Giovanni Boschetti等考慮到稱重設備如多頭包裝秤等的振動影響, 利用模態分析技術對傳感器響應進行動態補償算法設計。 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 等對蠕變的數字補償進行了研究,提出了一種自優化嬬'變補償參數的補償算法。 Kluger, Jocelyn M等人等研究設計了一種非線性懸臂梁傳感器, 以實現較大的測試量程, 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

田Ms傳感器是隨著集成電路 Ic技術的發展而興起的。 發展至今, 基于 MEMs硅技術的圧力傳感器實際上已經十分成熟,但是其在力傳感器方面的應用還是較為少見的。究其原因可能還是當前產品的主要性能指標較低以及安裝結構不同于傳統的傳感器(如Honeywen的 Fs系列力傳感器) 。本文統計的 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硅技術制造稱重傳感器的優點還是十分突出的,如易于大批量生產, 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, 其補償方式與傳統電阻應變式傳感器類似, 僅靠模擬補償技術, 已經可以做到最高 o.o5%精度等級的壓力傳感器。若通過設計創新,使基于 MEMs硅壓阻的力傳感器測試安裝方式與傳統應變式稱重傳感器兼容, 應當具有一定的應用前景 。

2.3光纖式

基于光纖的稱重傳感器并不是一個新事物。 國內已經有不少學者進行了相關研究。 其原理是基于布拉

格光湖(FBG)原理制成應變傳感器。光纖稱重傳感器的主要優點在于信號穩定,抗干擾性強,靈敏度高,頻帶寬動態范圍大,単根測量導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、應變極限和耐老化性能都比傳統應變計好,還耐水、高壓等環境,故可以使用在如長距離,防爆,高壓等一些特殊應用場合。本文統計的 scI收錄文獻分別介紹了一種新型光纖稱重傳感器的設計, 以及光纖稱重傳感器在 wIM(動態稱重)中的應用。也有人認為光纖傳感器的穩定性不高, 筆者認為實際上問題主要在于目前國內的一些光纖傳感器廠家的生產工藝還比較落后, 并非光纖應變傳感器自身問題, 以筆者所見, 光纖傳感器中類似于應變片的貼片工藝的相關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, 所以在設計光纖測力傳感器時, 也需要更多考慮多種因素的影響, 當然利用光纖實現溫度, 應變的同步測量也是一個解決方案 。

2.4碳材料

有關碳材料方面的研究是當前國際上科研領域的研究熱點, 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域也有潛在的應用價值。本文統計的 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,我們國內的研究并不落后,如常州大學丁建寧教授的研究 閉 隊已經成功將普通橡膠復合碳納米管材料制成超彈性導電體 。 與傳統的彈性導電體相比, 最大的優勢是把大彈性形變與電阻穩定性有機統一起來 K期以來這是一個世界級難題 。 這是一種極好的應變傳感器,其形變能力是商業化金屬應變傳感器的2oo倍。可以預見,這種大形變彈性材料在柔性機器人、工業傳感器等多個方面有著巨大的應用前景。

在本次統計的 SCI文件,還有其他技術,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的稱重傳感器, 在此就不再一一做介紹了 。

3.  結束語

通過以上初步的統計分析可見,進入21世紀以來,涉及到力傳感器(含稱重)相關技術和應用的研究正逐步增加。同時,從高水平文獻數量上來看,我國在涉及力傳感器(含稱重)相關技術和應用的研究能力和水平與國外相比并不落后。當然,在具體細分領域,各國學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用的發展, 也可以考慮進一步提高和擴大高校及科研機構和企業的合作范圍, 一方面可以加快科研成果的轉化, 實現產學研一體化, 另一方面也加強了人才的對口培養, 充實了企業的后備力量。