應變式稱重傳感器的可靠性

應變式稱重傳感器的可靠性
    20世紀90年代以來，我國稱重傳感器和電子衡器在工業與商業稱重計量中得到廣泛應用，稱重傳感器的穩定性和可靠性問題，越來越引起用戶的普遍關注。在目前條件下，研制生產出較高準確度等級的稱重傳感器并非難事，但研制生產出具有較高穩定性和可靠性的稱重傳感器并非易事。在多次國際學術會議和學術交流中，各國專家一致認為就稱重傳感器的工作原理、結構特點、制造工藝和應用條件而言，它應屬于半永久性的工作器件，IP67、IP68防護密封等級的稱重傳感器應能穩定可靠的工作10年以上。
    根據產品可靠性定義和稱重傳感器的實際應用情況，其可靠性定義為：稱重傳感器在規定的使用條件下和一定的時間內完成規定功能的能力或概率。具體來說，就是在規定的使用條件下和一定時間內，稱重傳感器保持其各項技術性能并穩定工作的能力，多以無故障工作時間或可靠壽命來度量。眾所周知，稱重傳感器主要用于各種電子衡器和電子稱重系統，要求綜合性能好且穩定，即非線性、滯后誤差和靈敏度溫度影響等所有偏差之和，應處于某一允許誤差帶之內。其中零點和靈敏度的穩定性直接影響稱重傳感器的長期穩定性和工作可靠性，目前，國內外對傳感器可靠性多集中在一些可靠性要求高的系統上，例如運載火箭與導彈、衛星與宇宙飛船、軍用與民用飛機、大型工業控制系統等。對于這些系統所用的各種傳感器，根據4個可靠性基本函數，進行各項試驗，完成了大量的數據采集、分析處理工作。美國的可靠性分析中心和我國的軍事科研部門都累積了大量的傳感器可靠性數據。對于稱重傳感器可靠性的研究，國內外還只限于可靠性分析和跟蹤測試階段。
可靠性分析貫穿于稱重傳感器設計、制造、使用的全過程，它是可靠性研究的重要環節。主要是故障（失效）機理分析，通過對故障進行宏觀到微觀分析，查找故障原因，摸清故障的內在規律，從而采取相應對策，提高稱重傳感器的固有可靠性。
    跟綜測試是經濟適用的研究稱重傳感器可靠性的簡易方法，國內外一些企業在這方面進行了兩種工作。一種是在試驗室環境條件下，對稱重傳感器的貯存壽命進行了跟蹤測試；一種是在使用環境條件下，對稱重傳感器的無故障工作時間，即使用壽命進行了跟蹤測試。壽命試驗是可靠性試驗中的重要內容，除貯存壽命試驗外還有損耗壽命試驗、加速壽命試驗等。建議生產企業與使用單位密切配合，互相進行信息交流，積累稱重傳感器的無故障工作時間等可靠性教據。按傳統的可靠性分析方法，產品的失效率遵循浴盆曲線，如圖1所示。
左邊部分為早期失效期是遞減的，在產品使用的早期，由于加工制造內部留下一些缺陷，失效率往往較高，一般都是在產品出廠前通過老煉試驗消除早期失效。中間部分為偶然失效期是水平的接近一個常數，這是因為產品經過早期失效后，失效率穩定在一個較低的水平，這個時期的失效率往往因隨機的原因引起，稱為偶然失效期。右邊部分為損耗失效期是遞增的，由于零部件老化、損耗等原因，失效率開始增加。稱重傳感器的穩定性和可靠性完全符合這一規律，分為初始不穩定期、穩定期和疲勞不穩定期。初始不穩定期是由于彈性元件經過鍛造、機械加工、熱處理以及表面打磨、噴砂、貼片等工藝產生殘余應力，并不斷的松弛和釋放，使零點和靈敏度發生變化，造成稱重傳感器性能波動。它可以通過對元器件實施環境應力篩選，對稱重傳感器進行老煉和穩定處理，盡量釋放和消除殘余應力，在生產過程中渡過初始不穩定期，出廠后就開始進入能夠穩定可靠工作的穩定。在經歷了長時期的無故障工作后，由于防護密封材料老化，電路補償與調整元器件損耗，電阻應變計疲勞等原因，使稱重傳感器產生性能波動，工作不穩定直至失效，稱為疲勞不穩定期。稱重傳感器的可靠性理論就是研究分析各種影響其可靠性的系統性和隨機性因素，科學合理的提出可靠性的定性和定量要求，如故障模式及影響分析、無故障工作時間和可靠壽命等。
    三、應變式稱重傳感器的可靠性設計
    把比較復雜系統的可靠性設計方法引入稱重傳感器可靠性設計，采用系統化的分析程序進行故障模式與嚴重度分析，查明可能存在的隱患，采取措施改進設計，目前還有較大困難。因為稱重傳感器的可靠性是屬于指數分布還是威布爾分布還有待于進一步認識。但根據稱重傳感器的工作原理、制造工藝和應用情況，從殘余應力影響，元器件和密封材料老化，電阻應變計疲勞積累等方面分析，一個合乎邏輯的處理就是按其功能將稱重傳感器各個相互作用又相互依賴的組成部分，獨立出來分別研究其可靠性。例如彈性元件材料及熱處理；電阻應變計及應變膠粘劑；電路補償元器件與補償工藝；防護密封材料與密封工藝等。稱重傳感器的技術指標確定后，不能像設計一個比較復雜系統那樣，將技術指標分配給各分系統、單機或部件，為可靠性設計提供定量的目標。因為稱重傳感器的各組成部分是相互作用又相互依賴的，可以說都是稱重傳感器的基礎，哪一個環節的故障率高，都對稱重傳感器的可靠性產生較大影響，因此，必須作好稱重傳感器可靠性的基礎設計。