根據(jù)收集的最近1o年來(lái)被 scI收錄論文的分析統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),對(duì)目前國(guó)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(jìn)展做了簡(jiǎn)單介重召, 從整體上看, 我們國(guó)家的理論研究水平與國(guó)際相比相差不大。 最后介紹了部分研究成果, 對(duì)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(guó)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(wàn)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(guó)情報(bào)學(xué)家加費(fèi)爾德提出的科學(xué)引文分析法, scI違從它嚴(yán)格的選刊標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)估程序挑選刊源,而且每年略有增減,只會(huì)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(xiàn)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(jìn)展與技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。進(jìn)入 scI這一刊物的論文即為 scI論文, 通過(guò) scI不僅能按照國(guó)家, 地區(qū), 機(jī)構(gòu), 個(gè)人等條件檢索出文獻(xiàn)的發(fā)表情況, 還可以査看文獻(xiàn)發(fā)表以來(lái)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(jìn)展 。因此,,scI已經(jīng)成過(guò)我國(guó)高校及科研単位中一個(gè)非常重要科學(xué)研究與應(yīng)用的評(píng)價(jià)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(jì)量規(guī)程?國(guó)際建議,將用于質(zhì)量測(cè)量的負(fù)荷傳感器稱為稱重傳感器; 將用于力值計(jì)量、力值傳遞的負(fù)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(jì)和電阻應(yīng)變式負(fù)荷傳感器(Load Cen)被研制出來(lái)后,經(jīng)過(guò)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(cè)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(guó)稱重傳感器行業(yè)從上世紀(jì)八十年代開始引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)開始發(fā)展起步, 隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì), 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(gè)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(jìn)而引進(jìn)成熟的科研成果,將新技術(shù)、新成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力,才能不斷促進(jìn)稱重傳感器行業(yè)的科技進(jìn)步, 提高我國(guó)稱重傳感器行業(yè)未來(lái)在國(guó)際上的竟爭(zhēng)力 。

為客觀了解我國(guó)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(guò) ISI Web of Science的 SCI檢索系統(tǒng),檢索了近幾年來(lái)涉及稱重測(cè)力傳感器的相關(guān)論文收錄情況,并進(jìn)行了簡(jiǎn)単的統(tǒng)計(jì)分析,希望能對(duì)我國(guó)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(xiàn)檢索結(jié)果與統(tǒng)計(jì)分析

1.1論文數(shù)據(jù)收集與時(shí)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(shí)間跨度為2000年2016年,共在數(shù)據(jù)庫(kù)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(lái),與1oad cen強(qiáng)相關(guān)的文獻(xiàn)差不多平均每年都有1o~15篇左右。可見,稱重傳感器這一領(lǐng)域的科學(xué)研究與應(yīng)用并非無(wú)人問(wèn)津。

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

1.2論文地區(qū)分布

對(duì)上述搜索結(jié)果進(jìn)行國(guó)家/地區(qū)統(tǒng)計(jì),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(gè)國(guó)家/地區(qū)。

根據(jù)以上統(tǒng)計(jì)結(jié)果,可以看出,進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),我國(guó)在涉及到稱重傳感器的細(xì)分領(lǐng)域的研究成果并不突出,美國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域的研究成果居于首位。不過(guò),將范圍擴(kuò)大到力傳感器(含稱重)這個(gè)較大領(lǐng)域時(shí),我國(guó)的研究成果表現(xiàn)出色,總的發(fā)表論文數(shù)量位居第一。總的來(lái)說(shuō),我國(guó)在稱重測(cè)力傳感器相關(guān)的科研領(lǐng)域與國(guó)外差距并不大。

1.3研究領(lǐng)域分析

本文將相關(guān)文獻(xiàn)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(jìn)一步將涉及傳感器應(yīng)用研究的文獻(xiàn)細(xì)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(jī)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(shí)間精力的限制,本文僅對(duì)近1o年來(lái)( 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(xiàn)進(jìn)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(xiàn)關(guān)注點(diǎn)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(jìn)行研究, 這些文獻(xiàn)中主要涉及的有: 電阻應(yīng)變式傳感器的性能提高(如計(jì)量技術(shù)提高,彈性體材料改善,動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)等) ,結(jié)構(gòu)改進(jìn)(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(guò),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(xiàn)數(shù)量的五分之一 。 隨著人們對(duì)健康護(hù)理要求的日益提高以及老齡化社會(huì)的到來(lái), 今后稱重傳感器在這一領(lǐng)域勢(shì)必會(huì)有更廣闊的應(yīng)用前景。農(nóng)業(yè)/環(huán)境也是另一個(gè)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(cè)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(guò)對(duì)上述涉及到稱重傳感器技術(shù)研究領(lǐng)域的一些文獻(xiàn)進(jìn)行進(jìn)一步査閱分析, 本文對(duì)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(jī)理分類, 將幾種主要的傳感器技術(shù)做一些簡(jiǎn)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(guò)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(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)和多維力傳感器這兩個(gè)方面, 以這兩個(gè)方面的研究論文最多, 如JacekPiskorowski 等提出了一種時(shí)域變化的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法; Giovanni Boschetti等考慮到稱重設(shè)備如多頭包裝秤等的振動(dòng)影響, 利用模態(tài)分析技術(shù)對(duì)傳感器響應(yīng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償算法設(shè)計(jì)。 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(duì)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(duì)蠕變的數(shù)字補(bǔ)償進(jìn)行了研究,提出了一種自優(yōu)化嬬'變補(bǔ)償參數(shù)的補(bǔ)償算法。 Kluger, Jocelyn M等人等研究設(shè)計(jì)了一種非線性懸臂梁傳感器, 以實(shí)現(xiàn)較大的測(cè)試量程, 同時(shí)保證傳感器在小量程段仍然具有較高的分辨力,其樣機(jī)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(shí)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(jì)的 scI收錄文獻(xiàn)[8,9,10]等都對(duì)基于MEMS及硅材料的1oad ce11進(jìn)行了研究。 利用 MEMs硅技術(shù)制造稱重傳感器的優(yōu)點(diǎn)還是十分突出的,如易于大批量生產(chǎn), 一致性好,抗過(guò)載能力強(qiáng), 可靠性高, 同時(shí)易于與其他電路如ADc進(jìn)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(bǔ)償方式與傳統(tǒng)電阻應(yīng)變式傳感器類似, 僅靠模擬補(bǔ)償技術(shù), 已經(jīng)可以做到最高 o.o5%精度等級(jí)的壓力傳感器。若通過(guò)設(shè)計(jì)創(chuàng)新,使基于 MEMs硅壓阻的力傳感器測(cè)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(gè)新事物。 國(guó)內(nèi)已經(jīng)有不少學(xué)者進(jìn)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(diǎn)在于信號(hào)穩(wěn)定,抗干擾性強(qiáng),靈敏度高,頻帶寬動(dòng)態(tài)范圍大,単根測(cè)量導(dǎo)線可以連接多個(gè)傳感器,降低了布線工作量;同時(shí),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(jì)好,還耐水、高壓等環(huán)境,故可以使用在如長(zhǎng)距離,防爆,高壓等一些特殊應(yīng)用場(chǎng)合。本文統(tǒng)計(jì)的 scI收錄文獻(xiàn)分別介紹了一種新型光纖稱重傳感器的設(shè)計(jì), 以及光纖稱重傳感器在 wIM(動(dòng)態(tài)稱重)中的應(yīng)用。也有人認(rèn)為光纖傳感器的穩(wěn)定性不高, 筆者認(rèn)為實(shí)際上問(wèn)題主要在于目前國(guó)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(wèn)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(jìn)提高; 另外, 光纖 FBG也可以制成溫濕度傳感器, 所以在設(shè)計(jì)光纖測(cè)力傳感器時(shí), 也需要更多考慮多種因素的影響, 當(dāng)然利用光纖實(shí)現(xiàn)溫度, 應(yīng)變的同步測(cè)量也是一個(gè)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(guó)際上科研領(lǐng)域的研究熱點(diǎn), 如碳納米管和石墨烯的研究正是方興未艾。 實(shí)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(jià)值。本文統(tǒng)計(jì)的 scI收錄文獻(xiàn)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(guó)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(duì)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(shì)是把大彈性形變與電阻穩(wěn)定性有機(jī)統(tǒng)一起來(lái) K期以來(lái)這是一個(gè)世界級(jí)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(jī)器人、工業(yè)傳感器等多個(gè)方面有著巨大的應(yīng)用前景。

在本次統(tǒng)計(jì)的 SCI文件,還有其他技術(shù),如 ul'ra-Fas'LC,基于 LTCC陶瓷,光機(jī)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(yǔ)

通過(guò)以上初步的統(tǒng)計(jì)分析可見,進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),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(shí),從高水平文獻(xiàn)數(shù)量上來(lái)看,我國(guó)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(guó)外相比并不落后。當(dāng)然,在具體細(xì)分領(lǐng)域,各國(guó)學(xué)者的研究重點(diǎn)可能并不相同,對(duì)此本文不做深入探討。 為進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)稱重測(cè)力傳感器今后的科研和應(yīng)用的發(fā)展, 也可以考慮進(jìn)一步提高和擴(kuò)大高校及科研機(jī)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研一體化, 另一方面也加強(qiáng)了人才的對(duì)口培養(yǎng), 充實(shí)了企業(yè)的后備力量。