應(yīng)變式磅秤傳感器穩(wěn)定性及加工工藝(一)
一、概述
準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性和可靠性是稱重傳感器的重要質(zhì)量指標(biāo)，是廣大用戶最關(guān)心的三大問題，同時 也是我國稱重傳感器與工業(yè)發(fā)達(dá)國家同類產(chǎn)品相比較的主要差距。其中穩(wěn)定性是基礎(chǔ)，沒有穩(wěn)定性 談何稱量準(zhǔn)確度和工作可靠性。業(yè)內(nèi)人士有一個共同體會，即在目前條件下研制一個高準(zhǔn)確度的稱重傳感器并不困難，但研制一個長期穩(wěn)定性好的稱重傳感器卻十分困難；小批量生產(chǎn)稱重傳感器的質(zhì)量尚可控制，大批量生產(chǎn)卻難以控制。近些年來，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局委托國家傳感器質(zhì) 量監(jiān)督檢驗中心，對稱重傳感器產(chǎn)品質(zhì)量的多次國家監(jiān)督抽查結(jié)果充分說明了這一點。
稱重傳感器的穩(wěn)定性分為三個時期，即初始不穩(wěn)定期、穩(wěn)定期和疲勞不穩(wěn)定期。在初始不穩(wěn)定 期內(nèi)稱重傳感器的性能波動較大，主要表現(xiàn)在零點和靈敏度的不穩(wěn)定。這是因為彈性元件經(jīng)過毛坯鍛造、機械加工、熱處理、表面處理、表面打磨、電阻應(yīng)變計粘貼和加壓固化等工藝過程，在其內(nèi)部和膠層之中產(chǎn)生殘余應(yīng)力，隨著時間的增加殘余應(yīng)力逐漸釋放，造成稱重傳感器在使用早期性能 不穩(wěn)定。一般都是在稱重傳感器出廠前，通過各種技術(shù)措施與工藝手段模擬使用條件，進(jìn)行各種穩(wěn) 定性處理（也稱人工老煉試驗）使其在生產(chǎn)過程中基本渡過初始不穩(wěn)定期，把性能波動減至最小，流通到用戶組秤調(diào)試時已進(jìn)入穩(wěn)定工作時期。
二、稱重傳感器的穩(wěn)定性
稱重傳感器的穩(wěn)定性對于各類電子衡器和電子稱重系統(tǒng)是至關(guān)重要的，它決定了整個產(chǎn)品和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。目前國內(nèi)外對稱重傳感器的穩(wěn)定性尚無統(tǒng)一的評定標(biāo)準(zhǔn)和測試方法，世界各國的稱重傳感器生產(chǎn)企業(yè)都承認(rèn)穩(wěn)定性是稱重傳感器的重要質(zhì)量指標(biāo)，但在產(chǎn)品樣本和使用說明書中卻很少 給出穩(wěn)定性指標(biāo)。許多企業(yè)因稱重傳感器是采用焊接密封抽真空充氮工藝，就注明防護密封等級為 IP68；采用聚氨酯等灌封膠實施盲孔灌封，就注明防護密封等級為 IP67，以此來提示用戶本稱重傳感器可以較長時期工作。只有極少數(shù)企業(yè)給出了在半年或一年內(nèi)，稱重傳感器靈敏度變化的最大允許誤差。不給出穩(wěn)定性指標(biāo)不等于穩(wěn)定性不重要，事實上各國的稱重傳感器生產(chǎn)企業(yè)，都在設(shè)計和 制造的全過程中，采取各種技術(shù)措施和工藝手段不斷提高稱重傳感器的穩(wěn)定性。那么究竟如何認(rèn)識和理解稱重傳感器的穩(wěn)定性呢？就是在一定時間內(nèi)和相同條件下其特性變化的程度，主要是零點和 靈敏度的變化程度，也可以說是零點和靈敏度的穩(wěn)定性。
所謂零點的穩(wěn)定性，就是稱重傳感器在一定時間內(nèi)和相同條件下，零點輸出的最大變化量。零 點輸出穩(wěn)定性ZW用%FS/三個月，%FS/半年，%FS/年等表示，可用下式計算：
Z2—在規(guī)定時間內(nèi)零點輸出的最大值；
Z1—在規(guī)定時間內(nèi)零點輸出的最小值；
Z0—零點輸出的標(biāo)稱值 所謂靈敏度的穩(wěn)定性，就是稱重傳感器在一定時間內(nèi)和相同條件下，靈敏度的最大相對變化量。
靈敏度穩(wěn)定性SW用%/三個月，%/半年，%/年等表示，可用下式計算：
S2—在規(guī)定時間內(nèi)靈敏度最大值；
S1—在規(guī)定時間內(nèi)靈敏度最小值。
測試零點和靈敏度穩(wěn)定性時，在規(guī)定的測試時間內(nèi)，至少應(yīng)有時間間隔基本相等的 10 次以上 測試數(shù)據(jù)，然后再取其中的最大值和最小值進(jìn)行計算。若每次測試時溫度無法保持相同，允許根據(jù) 實測的零點和靈敏度溫度系數(shù)進(jìn)行計算修正。
在實際應(yīng)用中，地磅稱重傳感器靈敏度穩(wěn)定性的最大允許誤差，可根據(jù)用途、使用環(huán)境、準(zhǔn)確度等級及其它條件進(jìn)行規(guī)定，一般在半年或一年使用時間內(nèi)，靈敏度變化不超過該稱重傳感器準(zhǔn)確度等 級的最大允許誤差最為理想，但這是比較困難的。通常要求在半年或一年使用時間內(nèi)，靈敏度變化 不超過該稱重傳感器準(zhǔn)確度最大允許誤差的 2 倍，就是穩(wěn)定性比較好的稱重傳感器。
三、影響稱重傳感器穩(wěn)定性的因素
影響稱重傳感器穩(wěn)定性的因素較多，歸納起來主要有：
1．稱重傳感器的結(jié)構(gòu)
稱重傳感器的彈性元件、外殼、膜片及上壓頭、下壓墊的設(shè)計，都必須保證受載后在結(jié)構(gòu)上不 產(chǎn)生性能波動，或性能波動很小。為此在稱重傳感器設(shè)計時，應(yīng)盡量作到應(yīng)變區(qū)受力單一，應(yīng)力均 勻一致；貼片部位最好為平面；在吊秤結(jié)構(gòu)上保證具有一定的抗偏心載荷和側(cè)向載荷的能力；安裝力遠(yuǎn)離應(yīng)變區(qū)，測量時應(yīng)避免載荷支承點的位移。盡管稱重傳感器屬于裝配制造產(chǎn)品，但為了保證具有最佳技術(shù)性能和長期穩(wěn)定性，盡可能將它設(shè)計成一個整體結(jié)構(gòu)。
2．彈性元件的金屬材料
彈性元件的金屬材料對稱重傳感器的綜合性能和長期穩(wěn)定性起關(guān)鍵作用。應(yīng)選擇強度極限和彈 性極限高，彈性模量的時間、溫度穩(wěn)定性好，彈性滯后小，機械加工和熱處理產(chǎn)生的殘余應(yīng)力小的 材料。有資料表明：只要材料淬火后的塑性好，它在機械加工和熱處理后的殘余應(yīng)力就小。還要特 別重視彈性模量隨時間的穩(wěn)定性，要求在稱重傳感器使用壽命期間內(nèi)材料的彈性模量不發(fā)生變化。
3．機械加工與熱處理工藝
彈性元件在機械加工過程中，由于表面變形的不均勻產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，切削用量越大，殘 余應(yīng)力就越大，磨削加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力最大。因此應(yīng)制訂合理的加工工藝和規(guī)定適當(dāng)?shù)那邢饔昧俊?彈性元件在熱處理過程中，由于冷卻溫度不均勻和金屬材料相變等原因，在芯部和表層產(chǎn)生方向不 同的殘余應(yīng)力，其芯部為拉應(yīng)力，表層為壓應(yīng)力。必須通過回火處理工藝，在其內(nèi)部產(chǎn)生方向相反 的應(yīng)力，與殘余應(yīng)力相互抵消，減少殘余應(yīng)力的影響。
4．電阻應(yīng)變計與應(yīng)變粘結(jié)劑
電阻應(yīng)變計應(yīng)具有最佳性能，要求靈敏系數(shù)穩(wěn)定性好，熱輸出小，機械滯后和蠕變小，應(yīng)變量為 1000×10-6時疲勞壽命可達(dá) 108，電阻值偏差小，批次質(zhì)量均一性好等。 應(yīng)變粘結(jié)劑應(yīng)具有粘結(jié)強度大，抗剪強度高；彈性模量較大且穩(wěn)定；電絕緣性能好；具有與彈性元件相同或相近的熱膨脹系數(shù)；蠕變和滯后小；固化時膠層體積收縮小等。粘貼電阻應(yīng)變計時一 定要嚴(yán)格控制膠層厚度，因為粘結(jié)強度隨膠層厚度的增加而降低。這是由于薄的膠層需要更大的應(yīng) 力才能變形，不易產(chǎn)生流動和蠕變，界面上的內(nèi)應(yīng)力很小，產(chǎn)生氣泡和缺陷的幾率也比較小，應(yīng)變 傳遞性能好，只要防護密封合理就可達(dá)到較高的穩(wěn)定性水平。
5．制造工藝流程
應(yīng)變式稱重傳感器的工作原理和總體結(jié)構(gòu)決定了，在生產(chǎn)工藝流程中有些工序必須手工操作， 人為的因素對稱重傳感器的質(zhì)量影響較大。因此必須制訂科學(xué)合理并可重復(fù)的制造工藝流程，并在 其中增加電子計算機控制的自動化或半自動化工序，盡量減少人為因素對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。
6．電路補償與調(diào)整
應(yīng)變式稱重傳感器屬于裝配制造，貼片組橋后就形成了產(chǎn)品，由于內(nèi)部不可避免的產(chǎn)生一些缺 陷和外界環(huán)境條件的影響，稱重傳感器的某些性能指標(biāo)達(dá)不到設(shè)計要求，因此必須進(jìn)行各項電路補 償與調(diào)整，提高稱重傳感器本身的穩(wěn)定性和對外部環(huán)境條件的穩(wěn)定性。完善而精細(xì)的電路補償工藝， 是提高稱重傳感器穩(wěn)定性的重要環(huán)節(jié)。
7．防護與密封
防護與密封是稱重傳感器制造工藝流程中的要害工序，是稱重傳感器耐受客觀環(huán)境和感應(yīng)環(huán)境 影響而能穩(wěn)定可靠工作的根本保障。如果防護密封不良，粘貼在彈性元件上的電阻應(yīng)變計及應(yīng)變粘結(jié)劑膠層，都會吸收空氣中的水分而產(chǎn)生增塑，造成粘結(jié)強度和剛度下降，引起零點漂移和輸出無規(guī)律變化，直至稱重傳感器失效。因此有效的防護密封是稱重傳感器長期穩(wěn)定工作的根本保證，否 則將使各項工藝成果前功盡棄。
8．穩(wěn)定性處理（人工老煉試驗）
提高稱重傳感器的穩(wěn)定性除處理好上述各種因素的影響外，最重要的途徑就是采取各種技術(shù)措 施和工藝手段，模擬使用條件進(jìn)行有效的人工老煉試驗，盡量多的釋放殘余應(yīng)力使其性能波動減至 最小。