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应变式称重传感器的稳定性及其处理工艺
应变式称重传感器的稳定性及其处理工艺
发布时间:2008-09-13 01:27:23 浏览率:【字体: 打印
 

 

 

 

 

 

 

应变式称重传感器的稳定性及其处理工艺

 

 

中国运载火箭技术研究院第七○二研究所    刘九卿

 

 

 

 

【摘    要】    探讨了为称器重指标稳定评定,析影响称 重传感器定性各种素的基础,得出提稳定性的效途径就采取各种术措施与 ,使感器过程渡过稳定,性能至最。简要绍了 用的处理艺。

【关键     称重传感    准确    稳定                性处    能波动

 

 

一、概述

准确度、定性和可靠性是称重传感器的重要质量指,是广大用户最关心的三大问题,同时也是我国称重传感器与工业发达国家同类产品相比较的主要差。中稳定性是基础,性 谈何称量准确度和工作可靠。内人士有一个共同体会,条件下研制一个高准确称重传感器并不困,研制一个长期稳定性好的称重传感器却十分困;生产称重传的质量尚可控,批量生产却难以控制。近些年来,国家质量监督检验检疫总局委托国家传感器质 量监督检验中心,对称重传感器产品质量的多次国家监督抽查结果充分说明了这一点。

称重传感器的稳定性分为三个时期,即初始不稳定期、定期和疲劳不稳定。在初始不稳定期内称重传感器的性能波动较,主要表现在零点和灵敏度的不稳定。弹性元件经坯 锻造、加工、、、、变计粘贴和加压固化等工艺过,在其内部和胶层之中产生残余应力,时间的增加残余应力逐渐释,成称重传感器在使用早能 不稳定。般都是在称重传感器出厂前,通过各种技术措施与工艺手段模拟使用条件,进行各种稳 定性处理(也称人工老炼试验)使其在生产过程中基本渡过初始不稳定期,把性能波动减至最小,流通到用户组秤调试时已进入稳定工作时。

二、称重传感器的稳定

称重传感器的稳定性对于各类电子衡器和电子称重系统是至关重要的,它决定整个产和系 统的稳定性。外对称重传感器的稳定性尚无统一的评定标准和测试方法,重传感器生产企业都承认稳定性是称重传感器的重要质量指,但在品样本和使用说明书中少 给出稳定性指标。企业因称重传感器是采用焊接密封抽真空充氮工艺,明防护密封IP68;聚氨酯等灌封胶实施盲孔灌,注明防护密封等级为 IP67,以此提示用户本


 

 

 

感器可以较长时期工作。数企业给出了在半年或一年,重传感器灵敏度变化的

许误差。给出稳定性指标不等于稳定性不重,实上各国的称重传感器生产企业,都在设计和 制造的全过程中,各种技术措施和工艺手段不断提高称重传感器的稳定。那么究竟如识和理解称重传感器的稳定性呢?就是在一定时间内和相同条件下其特性变化的程,主要和 灵敏度的变化程度,也可以说是零点和灵敏度的稳定。

所谓零点的稳定性,是称重传感器在一定时间内和相同条件下,点输出的最大变化量。零 点输出稳定ZW%FS/三个月,%FS/半年,%FS/年等表,可用下式计算:

 

Z   ? Z

ZW=      2          1  ×100 %

Z 0

 

式中:Z2在规定时间内零点输出的最大;

Z1—在规定时间内零点输出的最小值;

Z0—零点输出的标值 所谓灵敏度的稳定性,就是称重传感器在一定时间内和相同条件下,灵敏度的最大相对变化。

灵敏度稳定SW%/个月,%/年,%/表示,可用下式计算

 

      S 2  ? S1     


SW= 1

   (S 2  + S1 )

2

 

式中:S2在规定时间内灵敏度最大值;

S1—在规定时间内灵敏度最小。


×100 %


测试零点和灵敏度稳定性时,在规定的测试时间内,至少应有时间间隔基本相等 10  上 测试数,然后再取其中的最大值和最小值进行计算。每次测试时温度无法保持相同,许根据 实测的零点和灵敏度温度系数进行计算修。

在实际应用,感器灵敏度稳定性的最大允许误差,、使、确度等

级及其它条件进行规定,年或一年使用时间,灵敏度变化不超过该称重传感器准等 级的最大允许误差最为理想,但这是比较困难。常要求在半年或一年使用时间内,灵敏度变化 不超过该称重传感器准确度最大允许误差的 2 倍,就是稳定性比较好的称重传感器。

三、影响称重传感器稳定性的

影响称重传感器稳定性的因素较多,归纳起来主要有:

1重传感的结构

称重传感器的弹性元件、、片及上压头、设计,须保证受载后在结上不产生性能波,波动很。为此在称重传感器设计,作到应变区受力单,均匀一致;片部位最好为平面;结构上保证具有一定的抗偏心载荷和侧向载荷的能力;装力


 

 

 

离应变,测量时应避免载荷支承点的位。尽管称重传感器属于装配制造产品,但为了保证具

最佳技术性能和长期稳定性,尽可能将它设计成一个整体结构。

2性元件金属

弹性元件的金属材料对称重传感器的综合性能和长期稳定性起关键作。应选强度极和弹 性极限,弹性模量的时间、稳定性,弹性滞后小,和热处理产生的残余应的 材料。料表要材料淬火后的塑性好,加工和热处理后的残余应力就。特别重视弹性模量随时间的稳定性,要求在称重传感器使用寿命期间内材料的弹性模量不发生。

3械加工热处工艺

弹性元件在机械加工过程中,由于表面变形的不均匀产生较大的残余应力,切削用量越大,残余应力就越,磨削工产生的残余应力最大。因此应订合理的加工工艺和规定适当的切削用量。 弹性元件在热处理过程,却温度不均匀和金属材料相变等原,和表层产生不同的残余应,为拉应,表层为压应。过回火处理工艺,内部产生方反的应力,与残余应力相互抵消,减少残余应力的影响。

4阻应变与应

电阻应变计应具有最佳性能,灵敏系数稳定性,输出,械滞后和蠕变小,应变量

1000×10-6时疲寿可达 108,阻值偏差小,批次质量均一性好等。应变粘结剂应具有粘结强度,剪强度;弹性模量较大且稳;电绝缘性能;有与弹

性元件相同或相近的热膨胀系;蠕变和滞后;化时胶层体积收缩小等。贴电阻应变计时一 定要严格控制胶层厚度,强度随胶层厚度的增加而降。是由于薄的胶层需要更

力才能变形,流动和蠕变,内应力很小,和缺陷的几率也比较小,变 传递性能好,只要防护密封合理就可达到较高的稳定性水平。

5造工艺

应变式称重传感器的工作原理和总体结构决定了,在生产工艺流程中有些工序必须手工操作, 人为的因素对称重传感器的质量影响较。此必须制订科学合理并可重复的制造工艺流程,在其中增加电子计算机控制的自动化或半自动化工序,尽量减少人为因素对产品质量的影。

6路补偿调整

应变式称重传感器属于装配制,贴片组桥后就形成了产,部不可避免的产生些缺 陷和外界环境条件的影,感器的某些性能指标达不到设计要,须进行各项补偿与调整,提高称重传感器本身的稳定性和对外部环境条件的稳定性。完善而细的电路补偿工艺,是提高称重传感器稳定性的重要环节。

7护与密封

防护与密封是称重传感器制造工艺流程中的要害工序,称重传感器耐受客观环境和感环境影响而能稳定可靠工作的根本保障。密封不,粘贴在弹性元件上的电阻应变计及


 

 

 

结剂胶,都会吸收空气中的水分而产生增塑,造成粘结强度和刚度下降,引起零点漂移和输出

规律变,直至称重传感器失。因此有效的防护密封是称重传感器长期稳定工作的根本保,否 则将使各项工艺成果前功尽弃。

8定性处(人试验)

提高称重传感器的稳定性除处理好上述各种因素的影响外,最重要途径就是采取各种术措 施和工艺手,使用条件进行有效的人工老炼试,尽量多的释放残余应力使其性能波至 最小。

四、称重传感器的稳定性处理

由于弹性元件在毛坯锻、、、、计粘贴和加压固化工艺过程中产生各种残余应,间和使用条件的变化不断松弛释放,重传感器的波动,要表现在零点和灵敏度不稳。使称重传感器在生产过程中渡过初始不稳定期,用工艺手段模拟各种使用条件进行试验,使其尽快稳定的工艺称为稳定性处理,也称人工老炼试验。

称重传感器释放残余应力的稳定性处理方法,除制造工艺流程中常用的温度老化和电老处理 外,主要有两种方法,即热处理法和机械。

1处理法

多应用于铝合金称重传感器,在毛坯加工成弹性元件后进,要有反淬火、冷热循环法和 恒温时效法。

1)反淬

国内也称深冷急热法。将铝合金弹性元件-196℃的液氮中,  12  小时后,迅速用生的高速蒸汽喷射或放入沸水之。因深冷与急热产生的应力方向相反而相互抵消,应 力的目。试验表,采用液氮——高速蒸汽法可降低残余应力 84%,采用液氮——沸水法可降

残余应力 50%。

2)冷热环法

冷热循环稳定性处理工艺为-196℃×4 小时/190℃×4 小时,循环 3 ,可使残余应力下降 90% 左右,并且组织结构稳定,微量塑性变形抗力高,尺寸稳定性好。释放残余应力的效果如此明显,一是因为加热时原子热运动能量增,变减小或消,下降,温度越,热运动越大塑性越,有利于残余应力释。二是因为冷热温度梯度产生的热应力与残余应互 作用,使其重新分布而获得残余应力下降的效果。

3)恒温效法 恒效即机械生的力,除热入的力。LY12  硬铝合

金在 200℃高温下时效时,余应力释放与时效时间关系表明,保温 24 小时,可使残应力下

 50%。


 

 

 

2械法

机械法稳定性处理,在称重传感器电路补偿与调整和防护密封,基本形成产品时进行。主 要工艺有脉动疲劳法、超载静压法和振动时效法。

1)脉动劳法

将称器安频疲机上,下限1/51/3)额载荷,为额载荷

120%额定载荷,每秒 35 次的频率进行 500010000 次的循。可有效的释放弹性元、电 阻应变计、应变粘结剂胶层的残余应力,提高零点和灵敏度稳定性的效果极为明显。

2)超载压法 理论上适用于各种量程,但在实际生产中以铝合金小量程称重传感器应用较。其工艺是

专用的标准砝码加载装置中或简易的机械螺旋加载设备上,对称重传感器施加  125%额定,

48 小时,或施加 110%额定荷,保持 24 小时,种工艺都可以达到释放残余应力,零点和灵敏度稳定性的目。载静压工艺所用设备简,,,为铝合金称感器制造企业广泛采。

3)振动效(Vibratory Sterss Reliering)法 将称重传感器安装在额定正弦推力满足振动时效要求的振动台上,据称重传感器的额量程

估算频,来决定施加的振动载荷、工作频率和振动时间。共振时效比振动时效释放残余应力的

果更,必须测量出称重传感器的固有频率。和共振时效工艺的特点,期 短,效果好,不损坏弹性元件表面,而且操作简单。

振动时效的机理,目前尚无定论。国外专家提出的理论和观点有:塑性变形理论、疲劳理论、

晶格错位滑移理论、能量观点及材料力学观点等。只是作出了不同程度的解释,但都没有充分的、有说服力的、权威性的试验证。这些理论和观点往往是相互交叉的,所以可认为振动时效的机理 是一个复杂的过程。

经过振动时效的试验研,家倾向于用材料力学的重复应力过载的观,解释振时效的机理。即作用在弹性元件上的振动应力与其内部的残余应力相互作用,使残余应力松弛并。

五、结语

1称重的稳要是的稳,即在间内条件度的相对变化量。

2提高感器的重,就各种施和段,使用条

行试验,使其在生产过程中基本渡过初始不稳定期,把性能波动减至最小。

3称重的稳一定反映工艺、电路术和处理水平。确保称重传感器本身的稳定性和对外界环境条件的稳定性,须在原材料、元器件的环境应 力筛选,可重复的工艺流程和完善精细的电路补偿等方面下功夫。

4称重稳定的研,应在工过程防止生残


 

 

 

力上,其次才是如何释放和消除残余应力。

5对于生产传感严格、进片,稳定程和程的控制。作到弹性元件材料、机械加工、热处理、关键制造工艺、补偿原材料元器件的一致性。

6根据感器件的、金属、冷热况,的应稳定

理工艺,并不是应用的工艺越多越好,而是释放残余应力效率高,处理工艺越简单越好。

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