應變式磅秤傳感器穩定性及加工工藝(一)

一、概述

準確度、穩定性和可靠性是稱重傳感器的重要質量指標，是廣大用戶最關心的三大問題，同時 也是我國稱重傳感器與工業發達國家同類產品相比較的主要差距。其中穩定性是基礎，沒有穩定性 談何稱量準確度和工作可靠性。業內人士有一個共同體會，即在目前條件下研制一個高準確度的稱重傳感器并不困難，但研制一個長期穩定性好的稱重傳感器卻十分困難；小批量生產稱重傳感器的質量尚可控制，大批量生產卻難以控制。近些年來，國家質量監督檢驗檢疫總局委托國家傳感器質 量監督檢驗中心，對稱重傳感器產品質量的多次國家監督抽查結果充分說明了這一點。

稱重傳感器的穩定性分為三個時期，即初始不穩定期、穩定期和疲勞不穩定期。在初始不穩定 期內稱重傳感器的性能波動較大，主要表現在零點和靈敏度的不穩定。這是因為彈性元件經過毛坯鍛造、機械加工、熱處理、表面處理、表面打磨、電阻應變計粘貼和加壓固化等工藝過程，在其內部和膠層之中產生殘余應力，隨著時間的增加殘余應力逐漸釋放，造成稱重傳感器在使用早期性能 不穩定。一般都是在稱重傳感器出廠前，通過各種技術措施與工藝手段模擬使用條件，進行各種穩 定性處理（也稱人工老煉試驗）使其在生產過程中基本渡過初始不穩定期，把性能波動減至最小，流通到用戶組秤調試時已進入穩定工作時期。

二、稱重傳感器的穩定性

稱重傳感器的穩定性對于各類電子衡器和電子稱重系統是至關重要的，它決定了整個產品和系統的穩定性。目前國內外對稱重傳感器的穩定性尚無統一的評定標準和測試方法，世界各國的稱重傳感器生產企業都承認穩定性是稱重傳感器的重要質量指標，但在產品樣本和使用說明書中卻很少 給出穩定性指標。許多企業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。只有極少數企業給出了在半年或一年內，稱重傳感器靈敏度變化的最大允許誤差。不給出穩定性指標不等于穩定性不重要，事實上各國的稱重傳感器生產企業，都在設計和 制造的全過程中，采取各種技術措施和工藝手段不斷提高稱重傳感器的穩定性。那么究竟如何認識和理解稱重傳感器的穩定性呢？就是在一定時間內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定性。

所謂零點的穩定性，就是稱重傳感器在一定時間內和相同條件下，零點輸出的最大變化量。零 點輸出穩定性ZW用%FS/三個月，%FS/半年，%FS/年等表示，可用下式計算：

Z2—在規定時間內零點輸出的最大值；
Z1—在規定時間內零點輸出的最小值；
Z0—零點輸出的標稱值 所謂靈敏度的穩定性，就是稱重傳感器在一定時間內和相同條件下，靈敏度的最大相對變化量。
靈敏度穩定性SW用%/三個月，%/半年，%/年等表示，可用下式計算：

S2—在規定時間內靈敏度最大值；
S1—在規定時間內靈敏度最小值。
 
測試零點和靈敏度穩定性時，在規定的測試時間內，至少應有時間間隔基本相等的  10  次以上 測試數據，然后再取其中的最大值和最小值進行計算。若每次測試時溫度無法保持相同，允許根據 實測的零點和靈敏度溫度系數進行計算修正。
在實際應用中，地磅稱重傳感器靈敏度穩定性的最大允許誤差，可根據用途、使用環境、準確度等級及其它條件進行規定，一般在半年或一年使用時間內，靈敏度變化不超過該稱重傳感器準確度等 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，靈敏度變化 不超過該稱重傳感器準確度最大允許誤差的 2 倍，就是穩定性比較好的稱重傳感器。
三、影響稱重傳感器穩定性的因素
影響稱重傳感器穩定性的因素較多，歸納起來主要有：
1．稱重傳感器的結構
稱重傳感器的彈性元件、外殼、膜片及上壓頭、下壓墊的設計，都必須保證受載后在結構上不 產生性能波動，或性能波動很小。為此在稱重傳感器設計時，應盡量作到應變區受力單一，應力均 勻一致；貼片部位最好為平面；在吊秤結構上保證具有一定的抗偏心載荷和側向載荷的能力；安裝力遠離應變區，測量時應避免載荷支承點的位移。盡管稱重傳感器屬于裝配制造產品，但為了保證具有最佳技術性能和長期穩定性，盡可能將它設計成一個整體結構。
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定性起關鍵作用。應選擇強度極限和彈 性極限高，彈性模量的時間、溫度穩定性好，彈性滯后小，機械加工和熱處理產生的殘余應力小的 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力就小。還要特 別重視彈性模量隨時間的穩定性，要求在稱重傳感器使用壽命期間內材料的彈性模量不發生變化。
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生較大的殘余應力，切削用量越大，殘 余應力就越大，磨削加工產生的殘余應力最大。因此應制訂合理的加工工藝和規定適當的切削用量。 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，在芯部和表層產生方向不 同的殘余應力，其芯部為拉應力，表層為壓應力。必須通過回火處理工藝，在其內部產生方向相反 的應力，與殘余應力相互抵消，減少殘余應力的影響。
4．電阻應變計與應變粘結劑
電阻應變計應具有最佳性能，要求靈敏系數穩定性好，熱輸出小，機械滯后和蠕變小，應變量為 1000×10-6時疲勞壽命可達 108，電阻值偏差小，批次質量均一性好等。 應變粘結劑應具有粘結強度大，抗剪強度高；彈性模量較大且穩定；電絕緣性能好；具有與彈性元件相同或相近的熱膨脹系數；蠕變和滯后��；固化時膠層體積收縮小等。粘貼電阻應變計時一 定要嚴格控制膠層厚度，因為粘結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 力才能變形，不易產生流動和蠕變，界面上的內應力很小，產生氣泡和缺陷的幾率也比較小，應變 傳遞性能好，只要防護密封合理就可達到較高的穩定性水平。
5．制造工藝流程
應變式稱重傳感器的工作原理和總體結構決定了，在生產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量影響較大。因此必須制訂科學合理并可重復的制造工藝流程，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品質量的影響。
6．電路補償與調整
應變式稱重傳感器屬于裝配制造，貼片組橋后就形成了產品，由于內部不可避免的產生一些缺 陷和外界環境條件的影響，稱重傳感器的某些性能指標達不到設計要求，因此必須進行各項電路補 償與調整，提高稱重傳感器本身的穩定性和對外部環境條件的穩定性。完善而精細的電路補償工藝， 是提高稱重傳感器穩定性的重要環節。
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境和感應環境 影響而能穩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變計及應變粘結劑膠層，都會吸收空氣中的水分而產生增塑，造成粘結強度和剛度下降，引起零點漂移和輸出無規律變化，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定工作的根本保證，否 則將使各項工藝成果前功盡棄。
8．穩定性處理（人工老煉試驗）
提高稱重傳感器的穩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措 施和工藝手段，模擬使用條件進行有效的人工老煉試驗，盡量多的釋放殘余應力使其性能波動減至 最小。