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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機和電子測力系統(tǒng)是至關(guān)重要的，它決定了整個產(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)一的評定標準和測試方法，世界各國的測力傳感器生產(chǎn)企業(yè)都承認穩(wěn)定性是測力傳感器的重要質(zhì)量指標，但在產(chǎn)品樣品和使用明書中卻很少給出穩(wěn)定性指標。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，以此來提示用戶本測力傳感器可以較長時期工作。
   但業(yè)內(nèi)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測力傳感器并不困難，但研制一個長期穩(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)定性分為三個時期，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較大，主要表現(xiàn)在零點和靈敏度的不穩(wěn)定。這是因為彈性元件經(jīng)過毛坯鍛造、機械加工、熱處理、表畫處理、表面打磨、電阻應變計粘貼和加壓固化等工藝過程，在其內(nèi)部和膠層之中產(chǎn)生殘余應力，隨著時間的增加殘余應力逐漸釋放，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，進行各種穩(wěn)定性處理(也稱人工老煉試驗)使其在生產(chǎn)過程中基本渡過初始不穩(wěn)定期，把性能波動減至最小，流通到用戶組測力裝置調(diào)試時已進入穩(wěn)定工作時期。
 

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、下壓墊的設計，都必須保證受載后在結(jié)構(gòu)上不產(chǎn)生性能波動，或性能波動很小，為此在測力傳感器設計時，應盡量作到應變區(qū)受力單一，應力均勻一致；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；安裝力遠離應變區(qū)，測量時應避免載荷支承點的位移。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，盡可能將它設計成一個整體結(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。應選擇強度極限和彈性極限高，彈性模量的時間、溫度穩(wěn)定性好，彈性滯后小，機械加工和熱處理產(chǎn)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(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(chǎn)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(chǎn)生的殘余應力最大。因此應制訂合理的加工工藝和規(guī)定適當?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(nèi)部產(chǎn)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。

  2.4 電阻應變計與應變粘結(jié)劑

  電阻應變計應具有最佳性能，要求靈敏系數(shù)穩(wěn)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(zhì)量均一性好等。
  應變粘結(jié)劑應具有粘結(jié)強度大，抗剪強度高；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?。还袒瘯r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(jié)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(chǎn)生流動和蠕變，界面上的內(nèi)應力很小，產(chǎn)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(wěn)定性水平。

  2.5 制造工藝流程

  應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(chǎn)品質(zhì)量的影響。

  2.6 電路補償與調(diào)整

  應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達不到設計要求，因此必須進行各項電路補償與調(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。完善而精細的電路補償工藝，是提高測力傳感器穩(wěn)定性的重要環(huán)節(jié)。

  2.7 防護與密封

  防護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)境和感應環(huán)境影響而能穩(wěn)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(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)強度和剛度下降，引起零點漂移和輸出無規(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，否則將使各項工藝成果前功盡棄。

  2.8 穩(wěn)定性處理 （人工老煉試驗）

  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，模擬使用條件進行有效的人工老練試驗，盡量多的釋放殘余應力使其性能波動減至最小。

  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、機械加工、熱處理、表面打磨、電阻應變計粘貼和加壓固化等工藝過程中產(chǎn)生各種殘余應力，隨著時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，主要表現(xiàn)在零點和靈敏度不穩(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行試驗，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。

  測力傳感器釋放殘余應力的穩(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，即熱處理法和機械法。

  3.1 熱處理法

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

（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)生的應力方向相反而相互抵消，達到釋放殘余應力的目的。試驗表明，采用液氮—— — 高速蒸汽法可降低殘余應力 84%，采用液氮—— — 沸水法可降低殘余應力 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/190℃×4 小時，循環(huán) 3 次，可使殘余應力下降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。釋放殘余應力的效果如此明顯，一是因為加熱時原子熱運動能量增加，點陣畸變減小或消失，內(nèi)應力下降，上限溫度越高，原子熱運動越大塑性越好，越有利于殘余應力釋放。二是因為冷熱溫度梯度產(chǎn)生的熱應力與殘余應力相互作用，使其重新分布而獲得殘余應力下降的效果。

（3） 恒溫時效法

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

  3.2 機械法

  機械法穩(wěn)定性處理，多在測力傳感器電路補償與調(diào)整和防護密封后，基本形成產(chǎn)品時進行。主要工藝有脈動疲勞法、超載靜壓法和振動時效

法。

（1） 脈動疲勞法

   將測力傳感器安裝在低頻疲勞試驗機上，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 次的頻率進行5000～10000 次的循環(huán)?？捎行У尼尫艔椥栽?、電阻應變計、應變粘結(jié)劑膠層的殘余應力，提高

零點和靈敏度穩(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，但在實際生產(chǎn)中以鋁合金小量程測力傳感器應用較多。其工藝是：在專用的標準砝碼加載裝置中或簡易的機械螺旋加載設備上，對測力傳感器施加 125%額定載荷，保持 4～8 小時，或施加 110%額定載荷，保持 24小時，兩種工藝都可以達到釋放殘余應力，提高零點和靈敏度穩(wěn)定性的目的。由于超載靜壓工藝所用設備簡單，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） 振動時效 （Vibratory Sterss Reliering） 法

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

  振動時效的機理，目前尚無定論。國外專家提出的理論和觀點有：塑性變形理論、疲勞理論、晶格錯位滑移理論、能量觀點及材料力學觀點等。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)威性的試驗證明。這些理論和觀點往往是相互交叉的，所以可認為振動時效的機理是一個復雜的過程。
  經(jīng)過振動時效的試驗研究，有些專家傾向于用材料力學的重復應力過載的觀點，解釋振動時效的機理。即作用在彈性元件上的振動應力與其內(nèi)部的殘余應力相互作用，使殘余應力松弛并釋放。

4  結(jié)束語

  4.1 測力傳感器的穩(wěn)定性主要是靈敏度的穩(wěn)定性，即在一定時間內(nèi)和相同條件下靈敏度的最大相對變化量。

  4.2 提高測力傳感器穩(wěn)定性的重要途徑，就是采取各種技術(shù)措施和工藝手段，模擬使用條件進行試驗，使其在生產(chǎn)過程中基本渡過初始不穩(wěn)定期，把性能波動減至最小。

  4.3 測力傳感器的穩(wěn)定性在一定程度上反映了制造工藝流程、電路補償技術(shù)和穩(wěn)定性處理工藝水平。確保測力傳感器本身的穩(wěn)定性和對外界環(huán)境條件的穩(wěn)定性，必須在原材料、元器件的環(huán)境應力篩選，可重復的工藝流程和完善精細的電路補償?shù)确矫嫦鹿Ψ颉?/span>

  4.4 測力傳感器穩(wěn)定性問題的研究方向，應主要放在工藝實施過程中如何防止或少產(chǎn)生殘余應力上，其次才是如何釋放和消除殘余應力。

  4.5 對于大批量生產(chǎn)的測力傳感器必須嚴格進料、進片標準，穩(wěn)定工藝流程和生產(chǎn)過程質(zhì)量控制，作到彈性元件材料、機械加工、熱處理、關(guān)鍵制造工藝、補償原材料元器件的一致性。

  4.6 根據(jù)測力傳感器彈性元件的結(jié)構(gòu)、金屬材料、冷熱加工情況，有選擇的應用上述穩(wěn)定性處理工藝，并不是應用的工藝越多越好，而是釋放殘余應力效率高，處理工藝越簡單越好。

 

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