關于應變式稱重傳感器的可靠性問題

關于應變式稱重傳感器的可靠性問題

中國運載火箭技術研究院第七○二研究所劉九卿

【摘 要】 可靠性是應變式稱重傳感器非常重要的質量指標，是市場競爭力的決定性標志，也是我國應變式稱重傳感器與工業發達國家同類產品的主要差距。結合我國應變式稱重傳感器研制、生產總體情況和在電子衡器應用中的可靠性問題，介紹了可靠性概念和研究方向；討論了可靠性設計、控制和管理問題；分析了影響應變式稱重傳感器可靠性的系統性和隨機性因素。提出生產過程中的設計符合性控制和工藝可靠性控制是提高應變式稱重傳感器可靠性的重要途徑。

【關鍵詞】 稱重傳感器；可靠性；故障；失效

一、概述

所有應變式稱重傳感器（以下簡稱稱重傳感器）和由稱重傳感器組成的電子稱重系統，都將隨著時間或使用而出現性能波動，不能完成規定功能并zui終失效（不穩定）。稱重傳感器從開始使用到失效前的時間是不確定的，可靠性就是研究在規定的條件和時間內，稱重傳感器的平均*工作時間、工作失效率和可靠壽命，這對提高稱重傳感器組裝的電子衡器和電子稱重系統的可靠性至關重要。因此，可靠性已成為稱重傳感器非常重要的質量指標和市場競爭的決定性標志。

標準化組織（ISO8402）對于可靠性的定義：“單元在給定的環境及運行條件下和在給定的時間內，完成規定功能的能力”。這里“單元”一詞是講作為一個整體來考慮的對象，它可以是一個元件，一個子系統，一個系統。單獨考慮稱重傳感器它就是一個元件，與稱重系統一起考慮它就是子系統或系統中的重要環節。“時間”應從廣義角度去理解，就稱重傳感器或電子衡器而言，它是受應力循環的次數。對于質量的定義：“產品的質量反映產品滿足明確和隱含需要的能力的特征總和”。“需要”按定義可包括性能、可用性、可信性、可靠性等，這里的“性能”是需要的一個方面，是中心考慮的問題，而可靠性就是產品在規定條件下和規定時間內完成規定功能的能力。根據上述定義，把不能完成規定功能的狀態稱為故障或失效。可靠性的核心是故障，即可靠性是由產品的故障引發出來的。失效——故障——可靠性——可靠度，四者之間密切相關，構成了因果鏈。從上述可靠性理論可以得出稱重傳感器的可靠性就是在規定的環境條件下*的持續工作時間。可靠性是由稱重傳感器故障引發出來的，可靠度是用來度量稱重傳感器可靠性水平的數值，是在統計稱重傳感器工作時間和故障次數的基礎上進行數據處理的結果。若要達到較高的可靠性水平，必須作好稱重傳感器的可靠性設計、控制和管理。

 

二、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*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*工作時間或可靠壽命來度量。*，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*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*工作時間等可靠性數據。

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*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期。在經歷了長時期的*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、*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。

1、彈性元件的可靠性設計

彈性元件的結構是稱重傳感器的基礎，是穩定性和可靠性的重要因素。因此，彈性元件及其保護外殼、焊接密封膜片、上下承載壓頭和壓墊的設計，必須保證稱重傳感器受載后在結構上不產生性能波動，或使其性能波動減至zui小。為得到較高的可靠性，在彈性元件結構設計時應盡量作到：應變區受力單一，應力分布均勻，應變程度不應太高，非應變區應處于低應力水平，即應變區之外不能有高于應變區的應力場和應力集中處；通過自身結構或利用保護外殼使其具有較強的抗偏心和側向載荷的能力，克服非測量載荷的影響；安裝力遠離應變區，引入載荷的壓頭和承受載荷的壓墊受力合理，避免載荷引入點和支承點的位移；粘貼電阻應變計的表面盡量為平面，并有足夠的工作面積，為貼片作業和防護密封創造有利條件。盡管稱重傳感器屬于裝配部件，但為了獲得*性能和保證它能穩定可靠的工作，在結構設計時必須盡量減少零部件，提高集成化程度，盡可能是一個整體結構，因為各連接件之間的位移都可以引起非線性和離散性。

2、彈性元件材料及熱處理工藝選擇

彈性元件材料及熱處理工藝對稱重傳感器的綜合性能指標，長期穩定性和工作可靠性有較大影響，是稱重傳感器可靠性設計的關鍵問題。特別是不銹鋼彈性元件材料的固溶熱處理工藝及時效方法直接決定稱重傳感器的性能和可靠性。從彈性元件材料的彈性模量、滯彈性效應、殘余應力影響和抗疲勞等方面考慮，應盡量選擇彈性極限和屈服極限高；彈性模量的時間與溫度穩定性好；彈性滯后與彈性后效小；耐振動、沖擊，抗疲勞能力強；鍛造、機械加工和熱處理工藝性能好且產生殘余應力小的金屬材料。要使某一種金屬材料同時具備上述各項性能是很難作到的，但可以通過某些控制方法和處理后，使其盡量滿足或接近上述各項要求。在彈性元件材料上提高稱重傳感器可靠性的有效途徑是嚴格要求成份的純度和材質的均勻性，不突出某一單項指標，追求綜合性能良好，特別要試驗出*熱處理工藝和時效制度。例如0Cr17Ni4Cu4Nb沉淀硬化不銹鋼，就必須在固溶熱處理工藝及兩次時效法或冷卻處理加時效法上多進行試驗，確定滿足稱重傳感器綜合能和可靠性要求的熱處理與時效工藝制度。

3、電阻應變計選擇

電阻應變計是稱重傳感器的核心部件，其穩定性和可靠性在很大程度上決定稱重傳感器的穩定性和可靠性，因此是可靠性控制的重要環節。由于電阻應變計試驗測試后不能二次使用，只能測量出實驗室環境條件下的疲勞壽命，這給研究工作帶來較大困難。目前國內外稱重傳感器生產企業，對電阻應變計可靠性的控制，通常圍繞敏感柵結構形式、影響可靠性的諸因素和工作特性篩選等問題進行。

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