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1 概述

測力傳感器的穩(wěn)定性對于各類電子試驗(yàn)機(jī)和電子測力系統(tǒng)是至關(guān)重要的，它決定了整個(gè)產(chǎn)品和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。目前國內(nèi)外對測力傳感器的穩(wěn)定性尚無統(tǒng)一的評定標(biāo)準(zhǔn)和測試方法，世界各國的測力傳感器生產(chǎn)企業(yè)都承認(rèn)穩(wěn)定性是測力傳感器的重要質(zhì)量指標(biāo)，但在產(chǎn)品樣品和使用明書中卻很少給出穩(wěn)定性指標(biāo)。許多企業(yè)因測力傳感器是采用焊接密封抽真空充氮工藝，就注明防護(hù)密封等級為 IP68；采用聚氨酯等灌封膠實(shí)施盲孔灌封，就注明防護(hù)密封等級為 IP67，以此來提示用戶本測力傳感器可以較長時(shí)期工作。

但業(yè)內(nèi)人士有一個(gè)共同體會，即在目前條件下研制一個(gè)高準(zhǔn)確度的測力傳感器并不困難，但研制一個(gè)長期穩(wěn)定性好的測力傳感器卻十分困難，小批量生產(chǎn)測力傳感器的質(zhì)量尚可控制，大批量生產(chǎn)卻難以控制。

測力傳感器的穩(wěn)定性分為三個(gè)時(shí)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)測力傳感器的性能波動(dòng)較大，主要表現(xiàn)在零點(diǎn)和靈敏度的不穩(wěn)定。這是因?yàn)閺椥栽?jīng)過毛坯鍛造、機(jī)械加工、熱處理、表畫處理、表面打磨、電阻應(yīng)變計(jì)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(shí)間的增加殘余應(yīng)力逐漸釋放，造成測力傳感器在使用早期性能不穩(wěn)定。一般都是在測力傳感器出廠前，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(yàn))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(dòng)減至最小，流通到用戶組測力裝置調(diào)試時(shí)已進(jìn)入穩(wěn)定工作時(shí)期。

 

2 影響測力傳感器穩(wěn)定性的因素

影響測力傳感器穩(wěn)定性的因素較多，歸納起來主要有：

2.1 測力傳感器的結(jié)構(gòu)

測力傳感器的彈性元件、外殼、膜片及上壓頭、下壓墊的設(shè)計(jì)，都必須保證受載后在結(jié)構(gòu)上不產(chǎn)生性能波動(dòng)，或性能波動(dòng)很小，為此在測力傳感器設(shè)計(jì)時(shí)，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(shí)應(yīng)避免載荷支承點(diǎn)的位移。盡管測力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(jì)成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)。

2.2 彈性元件的金屬材料

彈性元件的金屬材料對測力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(qiáng)度極限和彈性極限高，彈性模量的時(shí)間、溫度穩(wěn)定性好，彈性滯后小，機(jī)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(jī)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(shí)間的穩(wěn)定性，要求在測力傳感器使用壽命期間內(nèi)材料的彈性模具不發(fā)生變化。

2.3 機(jī)械加工與熱處理工藝

彈性元件在機(jī)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?。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。

2.4 電阻應(yīng)變計(jì)與應(yīng)變粘結(jié)劑

電阻應(yīng)變計(jì)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(jī)械滯后和蠕變小，應(yīng)變量為 1000×10- 6 時(shí)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(qiáng)度大，抗剪強(qiáng)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??；固化時(shí)膠層體積收縮小等。粘貼電阻應(yīng)變計(jì)時(shí)一定要嚴(yán)格控制膠層厚度，因?yàn)檎辰Y(jié)強(qiáng)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(dòng)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(hù)密封合理就可達(dá)到較高的穩(wěn)定性水平。

2.5 制造工藝流程

應(yīng)變式測力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，人為的因素對測力傳感器的質(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(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)化或半自動(dòng)化工序，盡量減少人為因素對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。

2.6 電路補(bǔ)償與調(diào)整

應(yīng)變式測力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，測力傳感器的某些性能指標(biāo)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，因此必須進(jìn)行各項(xiàng)電路補(bǔ)償與調(diào)整，提高測力傳感器本身的穩(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(bǔ)償工藝，是提高測力傳感器穩(wěn)定性的重要環(huán)節(jié)。

2.7 防護(hù)與密封

防護(hù)與密封是測力傳感器制造工藝流程中的要害工序，是測力傳感器耐受客觀環(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(hù)密封不良，粘貼在彈性元件上的電阻應(yīng)變計(jì)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(qiáng)度和剛度下降，引起零點(diǎn)漂移和輸出無規(guī)律變化，直至測力傳感器失效。因此有效的防護(hù)密封是測力傳感器長期穩(wěn)定工作的根本保證，否則將使各項(xiàng)工藝成果前功盡棄。

2.8 穩(wěn)定性處理 （人工老煉試驗(yàn)）

提高測力傳感器的穩(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)行有效的人工老練試驗(yàn)，盡量多的釋放殘余應(yīng)力使其性能波動(dòng)減至最小。

 

3 測力傳感器的穩(wěn)定性處理工藝

由于彈性元件在毛坯鍛造、機(jī)械加工、熱處理、表面打磨、電阻應(yīng)變計(jì)粘貼和加壓固化等工藝過程中產(chǎn)生各種殘余應(yīng)力，隨著時(shí)間和使用條件的變化不斷松弛釋放，而造成測力傳感器的性能波動(dòng)，主要表現(xiàn)在零點(diǎn)和靈敏度不穩(wěn)定。為使測力傳感器在生產(chǎn)過程中渡過初始不穩(wěn)定期，采用工藝手段模擬各種使用條件進(jìn)行試驗(yàn)，使其盡快穩(wěn)定的工藝稱為穩(wěn)定性處理，也稱人工老煉試驗(yàn)。

測力傳感器釋放殘余應(yīng)力的穩(wěn)定性處理方法，除制造工藝流程中常用的溫度老化和電老化處理外，主要有兩種方法，即熱處理法和機(jī)械法。

3.1 熱處理法

多應(yīng)用于鋁合金測力傳感器，在毛坯加工成彈性元件后進(jìn)行，主要有反淬火法、冷熱循環(huán)法和恒溫時(shí)效法。

（1） 反淬火法

國內(nèi)也稱深冷急熱法。將鋁合金彈性元件置于 - 196℃的液氮中，保溫 12 小時(shí)后，迅速用新生的高速蒸汽噴射或放入沸水之中。因深冷與急熱產(chǎn)生的應(yīng)力方向相反而相互抵消，達(dá)到釋放殘余應(yīng)力的目的。試驗(yàn)表明，采用液氮—— — 高速蒸汽法可降低殘余應(yīng)力 84%，采用液氮—— — 沸水法可降低殘余應(yīng)力 50%。

（2） 冷熱循環(huán)法

冷熱循環(huán)穩(wěn)定性處理工藝為 - 196℃×4 小時(shí)/190℃×4 小時(shí)，循環(huán) 3 次，可使殘余應(yīng)力下降90%左右，并且組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，微量塑性變形抗力高，尺寸穩(wěn)定性好。釋放殘余應(yīng)力的效果如此明顯，一是因?yàn)榧訜釙r(shí)原子熱運(yùn)動(dòng)能量增加，點(diǎn)陣畸變減小或消失，內(nèi)應(yīng)力下降，上限溫度越高，原子熱運(yùn)動(dòng)越大塑性越好，越有利于殘余應(yīng)力釋放。二是因?yàn)槔錈釡囟忍荻犬a(chǎn)生的熱應(yīng)力與殘余應(yīng)力相互作用，使其重新分布而獲得殘余應(yīng)力下降的效果。

（3） 恒溫時(shí)效法

恒溫時(shí)效即可消除機(jī)械加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，又能消除熱處理引入的殘余應(yīng)力。LY12 硬鋁合金在 200℃高溫下恒溫時(shí)效時(shí)，殘余應(yīng)力釋放與時(shí)效時(shí)間關(guān)系表明，保溫 24 小時(shí)，可使殘余應(yīng)力下降50%左右。

3.2 機(jī)械法

機(jī)械法穩(wěn)定性處理，多在測力傳感器電路補(bǔ)償與調(diào)整和防護(hù)密封后，基本形成產(chǎn)品時(shí)進(jìn)行。主要工藝有脈動(dòng)疲勞法、超載靜壓法和振動(dòng)時(shí)效法。

（1） 脈動(dòng)疲勞法

將測力傳感器安裝在低頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上，施加下限為 （l/5～113） 額定載荷，上限為額定載荷或 120%額定載荷，以每秒 3～5 次的頻率進(jìn)行5000～10000 次的循環(huán)?？捎行У尼尫艔椥栽㈦娮钁?yīng)變計(jì)、應(yīng)變粘結(jié)劑膠層的殘余應(yīng)力，提高零點(diǎn)和靈敏度穩(wěn)定性的效果極為明顯。

（2） 超載靜壓法

理論上適用于各種量程，但在實(shí)際生產(chǎn)中以鋁合金小量程測力傳感器應(yīng)用較多。其工藝是：在專用的標(biāo)準(zhǔn)砝碼加載裝置中或簡易的機(jī)械螺旋加載設(shè)備上，對測力傳感器施加 125%額定載荷，保持 4～8 小時(shí)，或施加 110%額定載荷，保持 24小時(shí)，兩種工藝都可以達(dá)到釋放殘余應(yīng)力，提高零點(diǎn)和靈敏度穩(wěn)定性的目的。由于超載靜壓工藝所用設(shè)備簡單，成本低，效果好，為鋁合金測力傳感器制造企業(yè)廣泛采用。

（3） 振動(dòng)時(shí)效 （Vibratory Sterss Reliering） 法

將測力傳感器安裝在額定正弦推力滿足振動(dòng)時(shí)效要求的振動(dòng)臺上，根據(jù)稱重傳感器的額定量程估算頻率，來決定施加的振動(dòng)載荷、工作頻率和振動(dòng)時(shí)間。共振時(shí)效比振動(dòng)時(shí)效釋放殘余應(yīng)力的效果更好，但必須測量出測力傳感器的固有頻率。振動(dòng)時(shí)效和共振時(shí)效工藝的特點(diǎn)是：能耗低，周期短，效果好，不損壞彈性元件表面，而且操作簡單。

振動(dòng)時(shí)效的機(jī)理，目前尚無定論。國外專家提出的理論和觀點(diǎn)有：塑性變形理論、疲勞理論、晶格錯(cuò)位滑移理論、能量觀點(diǎn)及材料力學(xué)觀點(diǎn)等。只是作出了不同程度的解釋，但都沒有充分的、有說服力的、權(quán)威性的試驗(yàn)證明。這些理論和觀點(diǎn)往往是相互交叉的，所以可認(rèn)為振動(dòng)時(shí)效的機(jī)理是一個(gè)復(fù)雜的過程。

經(jīng)過振動(dòng)時(shí)效的試驗(yàn)研究，有些專家傾向于用材料力學(xué)的重復(fù)應(yīng)力過載的觀點(diǎn)，解釋振動(dòng)時(shí)效的機(jī)理。即作用在彈性元件上的振動(dòng)應(yīng)力與其內(nèi)部的殘余應(yīng)力相互作用，使殘余應(yīng)力松弛并釋放。

準(zhǔn)的應(yīng)用從根本上改變了原衡器產(chǎn)品型號編制方法，規(guī)范了法制計(jì)量管理與技術(shù)監(jiān)督，對促進(jìn)衡器行業(yè)公正、公平、公開競爭，維護(hù)行業(yè)健康、持續(xù)發(fā)展起到積極作用，為社會的進(jìn)步發(fā)展具有很大的社會效益。

 

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