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火热物联网下,中国传感器的“冷思考”


  近20年,移动互联网的发展催生物联网产业的发展。如今智能硬件层出不穷,从智能手环到智能手表,从智能盒子到智能家居,无不是在强化硬件的远程操控力。智能化硬件之间的连接,让数据、信息、控制实现互通,而硬件本身提供的各种服务又帮助人们实现方便简单的智能化生活。这实际上就是物联网(Internet of Things,IoT)。

  

驰原

 

  物联网潜力巨大,有望带动万亿产业规模

  物联网是以互联网为核心和基础,旨在实现物与物之间在任何时间、地点的互联,进行无所不在的计算,成为无所不在的网络。

  物联网产业生态可以划分成硬件、网络连接、平台及各领域的应用服务四个主要层次。其中,传感、模组等硬件是实现物联网运载功能的柱石,网络连接是基础,物联网平台是枢纽,而应用服务则是垂直行业拓展价值的出口。

  

驰原

 

  伴随5G通信、大数据、云计算、AI等相关技术标准与方案日趋成熟,物联网已经具备全面推广的条件。

  比如,5G时代将实现毫秒量级的端到端时延和可达海量的连接数,无限拉近人与人、人与物、物与物之间的距离。过去不敢想象的场景正变为现实,例如,5G车路协同自动驾驶、5G遥控机器人高危作业,5G无人机巡检电网、油气管道,5G增强现实辅助加工等。这也是5G网络三大应用场景eMBB、mMTC和uRLLC中的两个面向物联网和工业级应用领域的成果。

  同时,感知技术成本降低加速物联网终端智能化部署。

  从网络结构上划分,物联网可分为感知层、网络层和应用层。感知层位于物联网三层结构中的最底层,是物联网的数据和物理实体基础。没有感知就没有物联数据的采集,也没有网络上物体的特征数据,感知是物联网的先行技术,也是物联网应用的核心。

  目前感知技术的成本正在大幅度降低,相比10年前,传感器价格平均下降了54%,联网处理器价格下降98%,带宽价格下降97%。成本降低使得大规模智能化部署加速发展。平台打破垂直行业信息孤岛,为数据价值挖掘与商业模式变革奠定基础。近年大移云智的快速发展,使数据提取、存储、处理、利用能力大幅提高,各类平台服务正成为物联网海量连接的生态聚合点,为未来推动垂直行业商业模式变革奠定了良好基础。

  据悉,2015年全球的物联网设备数的中位数约有100亿个,并预计将于2020年达到300亿个,期间CAGR达到了24%。

  

驰原

 

  数据来源:公开资料整理

  预测未来5—10年,物联网会是对中国经济和GDP产生最大影响的一个市场。公开资料显示,我国物联网产业规模已从2009年的1700亿元跃升至2016年超过9300亿元,并预计2020年达到18300亿元,期间CAGR达到了18%。

  

驰原

 

  数据来源:公开资料整理

  在火爆的物联网推动下,未来整个传感器行业将迎来较大的发展空间。但在传感器市场全球化、垄断化的今天,中国传感器的前进之路充满着迷茫。以下是编者在物联网火爆下,对我国传感器行业的一些思考。

  传感器是大数据“挖掘机”,是物联网的重中之重

  物联网的根本就是数据,而传感器是大数据“挖掘机”,是其中非常主要的器件。传感器把物理世界的信号转化成数字世界信号,其类别非常广、非常多,从传统的气压、CIS图像、麦克风到运动传感器。

  物联网市场应用新趋势方面,物联网具有碎片化,多样化,跨领域,跨平台,时效性的特点。而现在物联网应用的“碎片化”特征趋弱,出现一些市场需求量超过每年数千万套的单一应用产品,例如:智能音箱、防丢器、行车记录仪等等,使得定义专用芯片实现更好的集成度及性价比成为必要及可能。

  同时在过去一段时期,常见的应用于工业、农业的设备及系统中的传感器模块增加了互联互通性,使之成为物联网中的一类终端节点。

  5G标准对物联网/车联网应用的支持,克服了蓝牙BLE,Zigbee,LoRa/Sigfox等无线互联标准的局限性,为物联网终端的普及提供了平台化的基础。

  

驰原

 

  在传感器产品的演进趋势方面,

  第一阶段主要在工业领域,市场用量少,单价高,良率低,以追求性能为主。

  第二阶段主要在消费类,市场用量剧增,MEMS传感器进入大规模产业化阶段,价格显着下滑,以满足基本功能为主。

  第三阶段主要在类工业,对产品的功能及性能提出更多要求,产品线有了更多基于性能升级的更新换代产品。

  第四阶段集中于物联网市场,物联网应用市场的快速增长使得传感器的功能和用途,以数据的采集和有效使用作为考量点,传感器节点具备连接性功能也越来越普遍。

  5G将会给传感器技术和产业带来什么变化?

  诚如上面所提的,物联网的根本就是数据。因此,毫无疑问5G是物联网发展的重要前提。

  纵观整个社会的发展,从煤开始到石油,再到电力,最后到数据。而数据流动的平台就是5G,如果没有5G数据流不通。如果没有畅通的流动数据,物联网的价值就大打折扣。

  显然物联网是传感器的一个非常大的风口。其实物联网这个概念特别在我国提出也蛮长时间了,约在 08、09年就开始提了,当时国家还在无锡成立了传感器中心,在这十年间,中国也做了很多物联网应用,但都不是很成功,也没有很多的量,但这种状况在5G起来以后就完全改变了。

  传感器表面上看是不同的场景,但应用发展的核心就是大数据。端口的话在云上的。如果没有5G这样的通讯,它的数据颗粒度以及多种数据的价值就很难体现出来。如果物联网这个市场没有像现在这样起来,那对传感器来讲,它的风口的到来就受很大的限制。

  哪些传感器会先在物联网中起来?

  物联网这个市场非常有意思,一方面到今天为止没有看到我们以传统消费电子产品眼光来看的所谓的Killer Product,杀手级产品。另一方面物联网的确是完全遍布在我们周围,是一个非常广的市场。

  这两方面看似矛盾,但却合理。

  因为虽然我们很难在物联网上看到一个像手机这样所谓的杀手级产品,但是物联网有很多应用已经是悄然的在起来。

  举个很简单的例子,马路上摄像头,不是一个传统的消费类产品,但你如果去看这个产业在过去5—8年的发展,它实际上已经拉动了好几个公司变成很大的公司了,包括硬件公司、算法公司,你如果去看人工智能的几个独角兽公司,它基本上都和这个市场的发展紧密相关。

  看物联网市场,肯定要撇开我们过去看消费类市场的观念。

  第一,物联网市场范围很广,可能会需要很多的定制,而不仅仅是通用产品。大量的定制需求,这将使传感器有更多的价值体现。

  第二,物联网市场我感觉就是像互联网+的概念落地。物联网分两类,一个工业物联网,一个消费类,我们过去讲的比较多的是工业物联网的,实际上在中国消费物联网会有更加快速的发展。

  传感器在消费应用方面的趋势

  1、智能传感器之后,可穿戴毫无疑问是个很大的爆发性市场。

  因为智能手机是从电话开始的这样一个基本通信功能基础上叠加了很多智能的功能,但是可穿戴是完全不一样的角度,它是以人本来的需求开始的,更加切合人对电子产品使用的方便性的需求,以及比如现在可穿戴里面很多对人的身体、运动状况的检测、包括体征的检测,所以更加是以人为本的产品。

  可穿戴产品实际上起来了很长时间了, 8年前美国一些公司像Fitbit很早开始做,但是没有起来很快,有几个很大的原因。

  第一,当时的硬件技术也不够好。

  第二,是通讯技术没有很好的发展起来,现在5G平台上面可穿戴的传感器技术包括我们的运动传感器,功耗下降非常多,包括像MCU base、蓝牙等等的,这个跟七、八年前的差异及进步都非常大。

  现在可穿戴不是单单的可穿戴,实际跟手机已经构成了非常紧密的关系,很大的计算量可以用手机完成,但是一些非常个性化的跟人有关的计算就在可穿戴完成。包括你的手表,手表又结合了TWS耳机,这样构成一个闭环,对人体征的检测,包括一些简单的通讯都能够很好的完成了。

  2、未来传感器会在性能和价格中找到平衡。

  价格竞争在消费市场当然是永恒的主题。

  传感器提供了两个概念,一个是功能,还有一个性能。越来越多的应用跟性能有关,性能好需要有更加高精度的传感器,或者下面的ASIC处理会更加复杂。过去手机应用没有对传感器要求主要在功能层面,没有高性能的要求,可能大家就会单纯的追求低价,但随着对性能的要求起来以后,未来传感器的趋势会在性能和价格当中找到一个合适的平衡。

  传感器的性能涉及两个方面,第一是单个传感器的精确度,第二是能否做到多种数据的结合,通过多种数据能够算出一些东西来,产生新的性能,新的数据。

  3、位置物理空间信息至关重要。

  除了我们讲的手表、耳机等等,还有很多消费类应用。我们定义为是类工业产品,像扫地机器人,还有如pos机等,现在pos机上面安装了越来越多安装运动传感器来做它的跟踪。相信这样的概念会很快大规模的应用到高价值的物流上面去。

  同时现在的所有的智慧家居有关的应用,包括甚至智慧门锁等,同样越来越多的安装了以运动传感器为基础的一些定位的传感器系统。

  4、模组化的传感器毫无疑问是个方向。

  随着物联网发展,每一个单元的基本配置包括通讯、算法等,而如果当中采用传感器模组,就可以接受到更多不同的信号,产生更多的数据量和价值。模组化相当于把传感器的一个触角延展出去。举个例子,如市内导航,除了运动传感+陀螺以外,还需要磁传感器放在一起做融合算法,能够有更好的定位。

  5、手机将加入各种新的传感器应用。

  未来将有更多新的传感器会加到手机里面,一方面是因为大家可能会充分手机这个大计算平台;另一方面是依托手机实现一个新的特色功能。比如在视觉方面,如果会把非智能红外传感器加入到手机上,用户将会产生一些新的感受,如在很暗的地方照样可以看到图像。另外,一些新的传感器功能如手持式的超声,加到手机后,能以手机为硬件基础,真正达到家用的效果。

  

驰原

 

  传感器公司的核心竞争力,如何在外资的突围中崛起?

  传感器公司的竞争核心还是产品技术本身,因为传感器就是类似模拟器件,模拟器件跟数字器件的差别很大,数字器件往往是看芯片的规模。而传感器像模拟器件一样,它的核心是性能,往往是性能提高10%,售价有可能提高10%—20%的。

  而性能的提升,核心还是在产品设计和生产工艺的研发。

  第一,我们希望我们的研发能够使整个产品的技术做到全球的1.5流,用2-3年做到全球一流,对一个初创公司可能不是一个非常现实的目标,因为我们前面的一流的公司都已经做了10年、20年甚至更长时间。在过去10年、20年的产品研发投入迭代远远超过我们现在的投入。对我们来说一个可能的机会是后发优势,因为过去很多研发的试错都已经看到过了,不需要重蹈覆辙。但为什么我们目标不是二流,很简单,越来越多的传感器应用,尤其是物联网有关的传感器应用,二流产品的性能/可靠性是达不到的。

  第二,传感器的下一个主要窗口就是物联网。在物联网应用中,中国毫无疑问在全球是拥有应用场景最多的地方。物联网需要很多的定制,本地化的服务,本地化的方案,甚至器件的设计定制,都变得非常关键。作为一个本土企业,在跟外资企业的竞争当中,针对本土化的服务、产品的定制会有更多优势。芯片未来和应用结合越来越深度,本地化非常重要,这也是我们的优势。

  中国传感器设计和制造企业的发展还是很重要,未来这么重中之重的环节,如果我们受制于人,肯定未来发展是危险的。

  半导体这个产业是非常全球化的。无论是中美的摩擦,还是日韩的摩擦,最后都以半导体产业作为胜负手。美国限制华为导致华为相关产品生产受阻;日本的半导体化学品供应商停供,就造成了巨大的半导体企业三星和海力士生产不顺。另外,台积电占了Foundry全球60%的量,在最领先制程,12纳米,7纳米甚至5纳米基本都是只有它能够大量生产。所以这是一个非常全球化的、分工协作的产业。

  不受制于人不代表我们自我封闭、关门发展,可能更重要的是如何把我们国家的半导体产业,跟全球其他地区的半导体更加紧密的合作在一起,变成缺一不可的一环。

  

驰原

 

  我们整个国内传感器在全球的排位里面跟其他半导体公司的产品相比,排位是比较落后的。今天去看全球前30家传感器公司,中国只有2家,而这二家也不是完全传统的做传感器芯片的公司,它更多是在传感器的封装和应用,国内传感器过去来主要是从军工研究所开始比较多,产品主要针对军工或者部分工业,现在有些也逐步走向无人驾驶,但基本上还是处于一个多品种、量小、高单价的市场。虽然近几年,我们国内传感器公司在一些消费类市场有了长足的发展,但中国传感器走向世界的路还是蛮长的。

  国内的公司受到规模、研发能力、市场品牌等限制,基本上只能做单个的。但是欧美大的公司,都是采用向客户提供一整套的方案的策略。

  传感器技术路线实际上就是很宽泛的问题,它是非摩尔定律上面的,即超越摩尔定律。实际上传感器有很多不同的办法实现,比如我们讲的陀螺,有人用的是光纤陀螺,也有用石英的,用半导体方法做我们叫MEMS.所以对传感器来讲每个产品它有自己的发展路线,且在不同应用领域有不同的发展路线。

  如果以物联网作为主要的方向,下一代传感器有几个关键的方向:

  第一,就是组合传感器的的形式。

  第二,它需要有一定的性能,同时有较低的功耗,当然尺寸跟成本都还是有一定要求。

  第三,封装技术将不同功能的器件封装在一起。

  传感器只是挖掘了一个数据出来,如果能够在端口就有很快的处理及传输,例如边缘计算,在惯导传感器里面就放入ARM来做一个本地化的计算。另外,为达到物联网的应用需求,传感器封装的技术会从只是传统的把传感器封装出来发展到更加侧重把不同功能的器件封装在一起。如同我们现在尝试的把传感器、MCU,memory、蓝牙等通讯的芯片封装在一起。当然规模再大以后,不同大的芯片通过封装组合在一起,那也是个更远的业态。

  各大传感器设计公司路线差异会蛮大的,比如麦克风产品国内做的比较多,有的是朝一个低成本的方向走,还有的朝高性能的方向走,它们是完全不一样的产品路线。有的是组合不同应用放在一起,比如京东方,它希望以屏为端口,切入到像物联网的市场。它这个屏的载体就不只是屏了,它里面要放很多别的器件才能变成真正的载体,应用到物联网。

  最后,中国半导体发展的关键,在于不能自我封闭、关门发展。

  对中国半导体发展,特别是在现在这样大的环境下,我们不要自我封闭,不要关着门发展。这个行业是个非常国际化的产业,而且产业链非常长。从刚才讲的原材料开始,如很多化学品,一直到终端市场,整个产业链非常长。

  材料方面,日本、欧洲这些地方可能发展比较早;设备方面欧洲、美国、日本、韩国比较领先;制造方面,现在台湾整个芯片制造跟封装的能力,产能跟技术是最好的;应用市场方面,毫无疑问中国处于非常好的位置。

  因此,如何把我们的优势,与各个地方、各个环节发展的优势结合在一起,走出一条我们自己中国半导体发展之路,这才是比较关键的。而在这个过程中重要的一点,不能自我封闭、关门发展。

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称重模块使用方法

由称重传感器构成的称重模块,因其组装灵活,价格便宜,在食品、化工、医药企业的应用有其独到之处。   一、称重模块及其特点   1.称重模块简介   称重模块是用于传感器的一种实用性结构配件,由顶板、底板、称重传感器及支承螺栓等构成。   根据顶板的不同,分为固定式、半浮动式和全浮动式三种结构,在一个称重系统中,使用一只固定模块,一只半浮动模块,其余为全浮动模块。一般分为三只一套和四只一套,三只一套用于三点支承,四只一套用于四点支承,称重模块可以非常方便地安装在各种形状的容器上,适用于改造已有设备,无论是容器、料斗还是反应釜,加上称重模块,都可以变成称重系统。   2.称重模块的特点   与现成的电子衡器相比,称重模块的最大特点是不受场地限制,组装灵活,维修方便且价格便宜。   地上衡因有秤台,要一定的占地面积,而称重模块安装在容器支承上,不需另外占地。特别适用于多个容器并列安装而场地窄小的场合,电子衡器的量程和分度值有一定的规格,而称重模块组成的称重系统,量程和分度值可以在仪表允许的范围内,根据需要自行设置。称重模块维修方便,若传感器损坏,可以调节支撑螺杆将秤体顶起,不必拆除称重模块,就能更换传感器。另外,称重模块结构简单,因而由称重模块组成称重系统,投资也比较少。   二、称重模块在化工企业的应用   化工企业在物料储存和生产过程中大量使用各种储槽和计量槽,但普遍遇到两个问题,一是物料的计量问题,二是生产过程的控制问题。根据我们的实践,应用电子称重模块,可以较好的解决。   1.称重模块应用于物料计量   一般来说,目前贮槽液体的计量,大部分都是采用标尺或流量计来计量的,但这两种方法都以体积计量,然后再根据液体的密度换算成重量,由于密度与温度因素有关,误差比较大,尽管目前有质量流量计,但因价格昂贵,一般很少采用,因而用电子称重模块,直接称出物料的重量比较经济实用。   2.称重模块应用于液位指示和控制   液位是化工生产过程的一个重要控制参数,通常液位指示除了现场的液位指示仪表外,一般采用变送器把液位信号转换成标准电信号或汽信号远传至控制室,但这种方法,除了前面所说因密度的变化引起液位的误差外,还有可能因物料结晶、堵塞等造成假液位的情况,严重时甚至会酿成事故。另外,因变送器的测量部分直接与被测介质接触,对于一些腐蚀性介质,则需要选用价格昂贵的耐腐蚀材料,而称重模块不与被测介质直接接触,上述缺点均不存在。而且称重显示仪可以选用带模拟量输出接口,接到记录仪、调节器上,实现自动纪录和控制。   3.模块应用于投料量有严格要求的场合   有一些生产过程对投料量有严格的要求,不少企业都把计量槽直接放在地上衡上控制投料量。但地上衡检修或检定时,需要用吊装设备把计量槽吊下来,比较麻烦。如果采用电子称重模块,因计量槽本身作为秤体,因而不存在吊装问题,检修比较方便。   三、 称重模块选购、安装、调试注意事项   1..选购注意事项   称重模块的选购,一般根据容器的支承点来选用3只一套或4只一套的模块组成称量系统,由于存在着秤体(容器)自重及振动冲击、偏载等因素,一般安下列规则选用多传感器静态称重系统:   固定负荷(秤台、容器)+变动负荷(需称量的载荷)≤选用传感器额定负荷x70%,其中70%的系数是考虑振动、冲击、偏载因素而加的。   另外,要注意是否有防爆要求,易燃易爆的场合,则应选用防爆型的传感器。   2.安装注意事项   要注意水平调整,包括单个模块的安装平面和一套称重模块之间的水平调整。   1) 焊接传感器时不能通过电流,焊接顶板时,地线要连接在秤体上。焊接底板时,地线要接在基础上,防止损坏传感器。   2) 如果秤体上有输料管道,应换成软管,或使连接管道尽量长一点,防止它们吃掉传感器真实的负荷而引起误差。   3) 要在容器上焊一个砝码校验台,以便校验,容器上一般都无放置砝码的地方,需要焊接一个平台放置砝码。通常焊在容器的下方,便于砝码上下。   4) 接线盒必须注意防潮,多余的孔要用密封塞头塞住。接线盒如安置于室外,必须加保护箱,防止雨淋。在使用中因接线盒受潮而造成的故障时有发生,因此必须引起足够的重视。   3.调试注意事项:   1) 调试前一定要检查每个称重模块的支撑螺杆顶部螺母是否松开,套筒是否处于自由状态,否则,将发生较大误差,甚至无法称重。   2) 调试时,要检查每一个参数出厂设定值是否符合实际需要,大多是“开机清零”参数,出厂时一般都设定为“开机自动清零”,在容器秤的设置应改为“禁止开机自动清零”,防止因停电等原因,再次开机时,容器的物料重量被清零并丢失。   3) 量程设定不是指一套称重模块的总负荷,也不包括容器自身重量。而应根据最大物料称量,从说明书所给的分度数和分度值中选取大于等于最大量程量作为量程。   4) 称重显示仪电源电压必须符合要求,如电压不稳,超过允许范围,会引起数字漂移。最好使用稳压电源。   由于电子称重模块组成的称重系统便于实现过程自动化称量,便于计算机联网,因而在化工企业必将得到越来越广泛的应用。


称重传感器设计制造模式的发展与创新

“工业4.0“的核心是制造业数字化、智能化;《中国制造2025》的精髓是工业化与信息化深度融合,以”创新驱动、结构优化、质量为先、绿色发展”作为制造业发展的指导方针。本文就称重传感器企业如何将信息技术与制造技术融合,实现数字化、网络化、智能化的设计与制造,探讨了称重传感器结构设计模式创新;制造工艺模式创新;关键制造工序推进自动化、智能化改造;建立数字化称重传感器技术体系和基础工艺支撑体系等问题,介绍了三维数字化设计制造的基本途径,供称重传感器企业推进数字化、智能化制造参考。   【关键词】称重传感器;设计制造模式;数字化;网络化;智能化;三维数字化设计制造   一、概述   在 “工业4.0”新一轮工业革命来临之时,我国不失时机的提出了“中国制造2025”战略,将给我国制造业注入强大的发展动力,也给传感器行业带来无限发展商机。 “中国制造2025”的核心驱动力是抓智能制造,它是解决中国制造业由大国变强国的根本路径。“中国制造2025”是升级版的中国制造,体现:四大转变、一条主线和八大对策。   四大转变:由要素驱动向创新驱动转变;由低成本竞争优势向质量效益竞争优势转变;由资源消耗大、污染物排放多的粗放制造向绿色制造转变;由生产型制造向服务型制造转变。   一条主线:以体现信息技术与制造技术深度融合的数字化、网络化、智能化制造为主线。   八大对策:推行数字化、网络化、智能化制造;提升产品设计能力;完善制造业技术创新体系;强化制造基础;提升产品质量;推行绿色制造;培养具有全球竞争力的企业群体和优势产业;发展现代制造服务业。   称重传感器行业如何落实“中国制造2025”发展战略,如何将信息技术与制造技术深度融合实现数字化、网络化、智能化设计与制造,是行业内较大型企业必须面对的课题。近年来,三维数字化设计制造能力已经成为国内外企业竞争的核心,是实现企业研制能力变革的支点和突破口,这一具有风向标性质的变化应引起称重传感器企业高度重视。尽管应变式称重传感器的原理和制造工艺决定了它不能象机器零部件那样自动化、智能化无缝连接生产线大批量生产,但也应该用互联网思维升级称重传感器的结构设计与制造工艺,使其尽量接近数字化、智能化或部分数字化、智能化生产。互联网是共性和基础,称重传感器企业管理层必须用信息化的手段和互联网思维审视企业、再造企业。剖析企业的主要元素,一个是人,一个是事,企业的转型无外乎就是人的转型和事的转型。称重传感器结构设计与制造工艺的数字化、智能化改造,就从人和事开始,即从人的设计理念和制造工艺流程开始,实现结构设计与制造工艺模式创新。   二、称重传感器结构设计模式创新   我国应变式称重传感器企业目前多采用两种设计方法,其一是传统设计法,就是古典计算方法+经验,为半理论、半经验设计,不能实现最佳设计,对弹性元件的边界影响、支承刚度和应力集中等很难作出分析,为一些中、小型企业所采用。其二是现代设计法,它是传统设计理论的延伸,多种设计技术、理论与方法的综合,即建立数学模型,利用有限元法进行计算与分析。其特点是:设计手段精确化、计算机化,但仍需要实物模装、实物试验与测试,为大型企业普遍采用。   长期以来,国内外称重传感器企业都在探索一种科学合理、经济高效的产品设计与制造方法,以支持产品设计、制造、检测、应用等全生命周期各个阶段的数据定义和传递。基于模型定义(MBD,Modcl Based Dtfinition)技术的出现为解决这一难题提供了一种有效的途径。模型定义技术是将产品的所有相关设计定义、工艺描述、属性和管理等信息都附着在产品三维模型的数字化定义方法之中,为三维数字化设计制造提供了理论基础。   处于国际市场引导者地位的称重传感器制造企业,早在几年前就开始了结构设计模式创新,基于模型定义技术实现了三维数字化设计制造。其特点是:改变原有的称重传感器设计方式,从设计工具改造入手,建立具有自主知识产权的三维数字样件快速设计平台。包括:弹性元件总体结构快速设计与计算;引入载荷和承受载荷的边界条件影响分析;引入载荷的压头、承受载荷的底垫和安装平台组合分析与设计子系统。建立称重传感器总体结构的三维数字样件,以数字模装替代实物模装,实现总体结构与附件的”提前见面“,发现和解决不协调问题。从理论分析与计算、总体结构与附件设计上,保证称重传感器性能波动最小。   三、称重传感器制造工艺模式创新   1. 生产模式创新   打破传统的称重传感器制造方式,实施制造工艺与弹性元件及其附件批量生产线创新。改变原有图纸分发模式,基于电子分发流程,实现从设计到制造三维模型直接到生产线。与传统二维图纸分发相比,即提高了工作效率,又缩短了工艺准备周期。由于全面采用了结构化、三维可视化手段,有利于实现三维工艺设计与检验,保证了弹性元件具有较高的尺寸、形位精度和产品的均一性。   2. 关键制造工序推进自动化、智能化改造   应变式称重传感器的生产过程是支持工艺、基础工艺、核心工艺和特殊工艺的科学运用和集成。其中核心制造工艺在称重传感器整个生产过程中起关键作用,突出的表现在电阻应变计粘贴、固化与后固化;零点温度与灵敏度温度补偿;性能测试与检定工序。尽管应变式称重传感器的原理和制造工艺决定了其生产线的工序之间很难无缝连接,但在互联网思维逐步渗透到各个企业的今天,称重传感器的制造工艺也要革命性的创新,否则就有波淘汰出局的危险。处于国际市场引导者地位的称重传感器制造企业的经验是:对关键制造工序推进自动化、智能化改造,首先将对称重传感器质量影响大的要害制造工序自动化、智能化。   电阻应变计粘贴工序——电阻应变计在弹性元件上的粘贴质量和定位误差,对称重传感器的准确度和稳定性至关重要,所以此项核心工艺多采用机器人定位、刷胶、粘贴电阻应变计,并配有自动安装加压夹具的辅助系统,保证了电阻应变计在弹性元件应变区的粘贴质量和定位尺寸的均一性。   固化和后固化工序——是在规定温度下、一定时间内应变胶粘剂本身交连,并与弹性元件表面产生附着作用而牢固结合的过程。固化工艺的三要素是固化温度、升温速率、保温时间。粘结强度随固化温度的提高而增大,但要防止固化温度过高或过低,以免出现过固化:使胶层变脆,粘结强度减小,疲劳寿命降低;欠固化:使胶层分子键聚合不牢固,出现蠕滑效应,蠕变大。为此电阻应变计固化和后固化多采用隧道式自动化、智能化加温控温烘道。隧道式加温控温烘道,控温精度高、工作段温度均匀性好,固化、后固化完成后应变胶粘剂物理和机械性能的均一性好,为提高称重传感器的工作可靠性和长期稳定性打下坚实基础。   零点温度与灵敏度温度补偿工序——是保证称重传感器具有优良温度性能指标的关键制造工序,多采用高效智能零点温度和灵敏度温度补偿测试系统。该系统硬件由接口单元、大型高低温试验箱及箱内的接线单元、高稳定度激励电源、数据采集单元、微机系统、打印机构成,并有强大的称重传感器零点和灵敏度温度补偿软件。自动控温的大型高低温箱的控温精确度高,温度均匀性好。如是多种类型称重传感器可以设置不同的系统编号,以便归档和数据查询。   性能测试与检定工序——较大量程称重传感器的性能测试与检定,在无缝连接的自动化、智能化控制的多台叠加式力标准机上进行,自动打印测试数据,自动判别是否合格,并剃出不合格产品。较小量程称重传感器的性能测试与检定在群控静重式力标准机系统进行,一般在生产线上分别设置了50kg、500kg、2000kg群控静重式力标准机系统。它由多台静重式力标准机、高低温试验箱和控制系统组成,具有拉伸、压缩双向加载功能。该控制系统按程序对砝码和动横梁通过光电传感器进行位置控制,由PLC可编程控制器和计算机通过软件完成整个控制程序,实现对单台静重式力标准机单独控制和多台静重式力标准机同时控制。由于此种群控静重式力标准机具有活动横梁,在将砝码全部挂上后,通过动横梁可进行一次性的快速加载或卸载,满足快速三次预载试验和蠕变试验加载要求,提高了检测效率。   之后,将各个具有独立操作和控制功能的自动化、智能化工序,通过网络和计算机系统相互连接起来,在网络软件管理下,实现信息的收集、存储和处理。   通过多媒体视频等多种方式进行工艺信息表达,例如实时显示各工艺流程生产状况、质量状况、制程现状(如电阻应变计固化、后固化控温情况;零点温度、灵敏度温度补偿成功率;性能测试与检定合格率等),以便对产品质量和制程运行进行控制和管理。   四、形成数字化称重传感器技术体系和基础工艺支撑体系   应变式称重传感器设计与制造形成数字化技术体系的标准是:   1. 统一的产品研制流程   在应变式称重传感器结构与工艺流程设计中,既要吸收国内外最佳实践流程设计,又必须具有本公司的特点。   2. 统一的标准规范   建立公司称重传感器数字化研制标准规范,覆盖设计、制造、工艺、检测平台建设等方面。   3. 统一的基础工艺   称重传感器弹性元件利用的应力不同、结构不同,其基础制造工艺是基本相同的。必须制定共性的、科学合理的、可重复的生产工艺流程。   4. 统一的基础数据库   建立电阻应变计库、标准件库、原材料库、元器件库、通用产品库等基础共性数据库,录用实际数据。   5. 统一版本的软件工具   三维设计全部采用公司统一的设计工具,以提升设计效率。但需要解决:   (1)产品三维标注方法;   (2)二维图样信息向三维模型信息转换技术;   (3)建立有效地建模及标注方法,使三维数字样件成为产品设计、制造的依据。   五、质量管理模式创新   改变原有称重传感器设计制造的组织模式和质量管理方式,建立符合数字化设计制造的规章制度,以三维数字样件及产品为核心,将设计、工艺、检验融为一体,通过实践尽快形成一系列数字化设计制造模式下的质量管理思路和方法。通过数字化研制大纲,明确称重传感器整体研制要求;通过数字化标准规范体系,明确具体数字化工作要求;通过数字化设计的样件验收条件,将对样件的要求等同为正式产品的要求纳入质量管理体系;通过三维数字化设计与工艺平台和自动化、智能化生产工序的网络化管理,控制批量生产的产品质量。   六、结束语   称重传感器三维数字化设计制造模式的建立过程,是企业领导和技术人员统一思想、转变观念的过程,是变革与创新、打破旧的工作习惯,建立新的工作秩序的过程。对于我国较大型称重传感器企业来讲,这个过程起主导作用的关键因素是领导和技术带头人。这期间必然经历观念的碰撞,习惯的磨合,从不了解到了解,从不认同到认同,从有些生熟到熟练应用。希望我国较大型称重传感器企业,以“能用众力,则无敌于天下;能用众智,则无畏于圣人”的理念,集合团队的智慧和力量将生产线的主要工序由自动化升级为智能化,尽快实现称重传感器的三维数字化设计制造。   参考文献   【1】刘检华.三维数字化设计制造技术推动产品研制模式重大变革.2012年PLM征文。   【2】范玉青.基于模型定义技术及其实施.航空制造技术.2012..6。   作者简介:刘九卿(1937—),男,汉族,辽宁省海城市人。中国运载火箭技术研究院第七O二研究所研究员,享受国务院政府特殊津贴专家。现为中国衡器协会技术顾问,衡器技术专家委员会顾问,《衡器》杂志编委。编著《电阻应变式称重传感器》、《国家职业资格培训教程—称重传感器装配调试工》,在有关杂志上共发表学术论文110多篇。


称重传感器选型大全

称重传感器在市场上有被称之为衡器的心脏,它是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置,它的性能在很大程度上决定了电子衡器的精度和稳定性。   称重传感器选型四大要素   1、稳定性的选择   传感器使用一段时间后,其性能保持不变的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除其本身结构外,主要是使用环境。因此,要使传感器具有良好的稳定性,必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前,应对其使用环境进行调查,并根据具体的使用环境选择适合的传感器,或采取适当的措施,减小环境的影响。   环境对称重传感器会造成如下影响:   1.高温环境造成传感器的涂覆材料融化、焊点开化、弹性体内应力发生结构变化。   2.露天粉尘、潮湿对传感器造成短路的影响。   3.在腐蚀性较高的环境下,如潮湿、酸性对传感器造成弹性体受损或产生短路等影响。   4.电磁场对传感器输出紊乱信号的影响。   5.易燃、易爆环境必须选用特制的防爆传感器。   传感器的稳定性有定量指标,在超过使用期后,在使用前应重新进行标定,以确定传感器的性能是否发生变化。在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合,所选用的传感器稳定性要求更严格,要能经受住长时间的考验。   2、灵敏度的选择   通常,在传感器的线性范围内,希望灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时,与被测量对应的输出信号值才比较大,有利于信号处理。但灵敏度高时,与被测量无关的外界噪声也会被放大系统放大,影响测量精度。因此,要求传感器本身应具有较高的信噪比,尽量减少从外界引入的干扰信号。   3、对传感器数量和量程的选择   传感器数量的选择是根据电子衡器的用途、秤体需要支撑的点数(支撑点数应根据使秤体几何重心和实际重心重合的原则而确定)而定。   传感器量程的选择可依据秤的最大称量值、选用传感器的个数、秤体的自重、可能产生的最大偏载及动载等因素综合评价来确定。根据经验,一般应使传感器工作在其30%~70%量程内,但有较大冲击力的衡器,在选用传感器时,一般要使传感器工作在其量程的20%~30%之内,才能保证传感器的使用安全和寿命   4、精度的选择   精度是传感器的一个重要的性能指标,它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高,其价格越昂贵,因此,传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以,不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。如果测量目的是定性分析的,选用重复精度高的传感器即可,不宜选用绝对量值精度高的;如果是为了定量分析,必须获得精确的测量值,就选用精度等级能满足要求的传感器称重传感器。   精度选择满足下列两个条件:   1.满足仪表输入的要求。传感器的输出信号必须大于或等于仪表要求的输入信号。   2.满足整台电子秤精度的要求。一台电子秤主要是由秤体、传感器、仪表三部分组成,在对传感器精度选择的时候,应使传感器的精度略高于理论计算值。