關(guān)于應(yīng)變式稱重傳感器的可靠性問題

一、概述

所有應(yīng)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(tǒng)，都將隨著時間或使用而出現(xiàn)性能波動，不能完成規(guī)定功能并終失效（不穩(wěn)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(guī)定的條件和時間內(nèi)，稱重傳感器的平均無故障工作時間、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(tǒng)的可靠性至關(guān)重要。因此，可靠性已成為稱重傳感器非常重要的質(zhì)量指標和市場競爭的決定性標志。 國際標準化組織（ISO8402）對于可靠性的定義：“單元在給定的環(huán)境及運行條件下和在給定的時間內(nèi)，完成規(guī)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(tǒng)，一個系統(tǒng)。單獨考慮稱重傳感器它就是一個元件，與稱重系統(tǒng)一起考慮它就是子系統(tǒng)或系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)?！皶r間”應(yīng)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(yīng)力循環(huán)的次數(shù)。對于質(zhì)量的定義：“產(chǎn)品的質(zhì)量反映產(chǎn)品滿足明確和隱含需要的能力的特征總和”?！靶枰卑炊x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(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。根據(jù)上述定義，把不能完成規(guī)定功能的狀態(tài)稱為故障或失效?？煽啃缘暮诵氖枪收?，即可靠性是由產(chǎn)品的故障引發(fā)出來的。失效——故障——可靠性——可靠度，四者之間密切相關(guān)，構(gòu)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(guī)定的環(huán)境條件下無故障的持續(xù)工作時間。可靠性是由稱重傳感器故障引發(fā)出來的，可靠度是用來度量稱重傳感器可靠性水平的數(shù)值，是在統(tǒng)計稱重傳感器工作時間和故障次數(shù)的基礎(chǔ)上進行數(shù)據(jù)處理的結(jié)果。若要達到較高的可靠性水平，必須作好稱重傳

二、應(yīng)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(yè)與商業(yè)稱重計量中得到廣泛應(yīng)用，稱重傳感器的穩(wěn)定性和可靠性問題，越來越引起用戶的普遍關(guān)注。在目前條件下，研制生產(chǎn)出較高準確度等級的稱重傳感器并非難事，但研制生產(chǎn)出具有較高穩(wěn)定性和可靠性的稱重傳感器并非易事。 在多次國際學(xué)術(shù)會議和學(xué)術(shù)交流中，各國專家一致認為就稱重傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)特點、制造工藝和應(yīng)用條件而言，它應(yīng)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(yīng)能穩(wěn)定可靠的工作 10 年以上. 根據(jù)產(chǎn)品可靠性定義和稱重傳感器的實際應(yīng)用情況，其可靠性定義為：稱重傳感器在規(guī)定的使用條件下和一定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力或概率。具體來說，就是在規(guī)定的使用條件下和一定時間內(nèi)，稱重傳感器保持其各項技術(shù)性能并穩(wěn)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(tǒng)，要求綜合性能好且穩(wěn)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(yīng)處于某一允許誤差帶之內(nèi)。其中零點和靈敏度的穩(wěn)定性直接影響稱重傳感器的長期穩(wěn)定性和工作可靠性。目前，國內(nèi)外對傳感器可靠性多集中在一些可靠性要求高的系統(tǒng)上，例如運載火箭與導(dǎo)彈、衛(wèi)星與宇宙飛船、軍用與民用飛機、大型工業(yè)控制系統(tǒng)等。對于這些系統(tǒng)所用的各種傳感器，根據(jù) 4個可靠性基本函數(shù)，進行各項試驗，完成了大量的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。對于稱重傳感器可靠性的研究國內(nèi)

外還只限于可靠性分析和跟蹤測試階段?？煽啃苑治鲐灤┯诜Q重傳感器設(shè)計、制造、使用的全過程，它是可靠性研究的重要環(huán)節(jié)。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(nèi)在規(guī)律，從而采取相應(yīng)對策，提高稱重傳感器的固有可靠性。 跟綜測試是經(jīng)濟適用的研究稱重傳感器可靠性的簡易方法，國內(nèi)外一些企業(yè)在這方面進行了兩種工作。一種是在試驗室環(huán)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(huán)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(nèi)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(chǎn)企業(yè)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數(shù)據(jù)。 按傳統(tǒng)的可靠性分析方法，產(chǎn)品的失效率遵循浴盆曲線。左邊部分為早期失效期是遞減的，在產(chǎn)品使用的早期，由于加工制造內(nèi)部留下一些缺陷，失效

率往往較高，一般都是在產(chǎn)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(shù)，這是因為產(chǎn)品經(jīng)過早期失效后，失效率穩(wěn)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(wěn)定性和可靠性完全符合這一規(guī)律，分為初始不穩(wěn)定期、穩(wěn)定期和疲勞不穩(wěn)定期。初始不穩(wěn)定期是由于彈性元件經(jīng)過鍛造、機械加工、熱處理以及表面打磨、噴砂、貼片等工藝產(chǎn)生殘余應(yīng)力，并不斷的松弛和釋放，使零點和靈敏度發(fā)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(huán)境應(yīng)力篩選，對稱重傳感器進行老煉和穩(wěn)定處理，盡量釋放和消除殘余應(yīng)力，在生產(chǎn)過程中渡過初始不穩(wěn)定期，出廠后就開始進入能夠穩(wěn)定可靠工作的穩(wěn)定期。在經(jīng)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(diào)整元器件損耗，電阻應(yīng)變計疲勞等原因，使稱重傳感器產(chǎn)生性能波動，工作不穩(wěn)定直至失效，稱為疲勞不穩(wěn)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(tǒng)性和隨機性因素，科學(xué)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(yīng)變式稱重傳感器的可靠性設(shè)計

把比較復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性設(shè)計方法引入稱重傳感器可靠性設(shè)計，采用系統(tǒng)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(shè)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(shù)分布還是威布爾分布還有待于進一步認識。但根據(jù)稱重傳感器的工作原理、制造工藝和應(yīng)用情況，從殘余應(yīng)力影響，元器件和密封材料老化，電阻應(yīng)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(yīng)變計及應(yīng)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(shù)指標確定后，不能像設(shè)計一個比較復(fù)雜系統(tǒng)那樣，將技術(shù)指標分配給各分系統(tǒng)、單機或部件，為可靠性設(shè)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(chǔ)，哪一個環(huán)節(jié)的故障率高，都對稱重傳感器的可靠性產(chǎn)生較大影響，因此，必須作好稱重傳感器可靠性的基礎(chǔ)設(shè)計。

1、彈性元件的可靠性設(shè)計

彈性元件的結(jié)構(gòu)是稱重傳感器的基礎(chǔ)，是穩(wěn)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(shè)計，必須保證稱重傳感器受載后在結(jié)構(gòu)上不產(chǎn)生性能波動，或使其性能波動減至。為得到較高的可靠性，在彈性元件結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)盡量作到：應(yīng)變區(qū)受力單一，應(yīng)力分布均勻，應(yīng)變程度不應(yīng)太高，非應(yīng)變區(qū)應(yīng)處于低應(yīng)力水平，即應(yīng)變區(qū)之外不能有高于應(yīng)變區(qū)的應(yīng)力場和應(yīng)力集中處；通過自身結(jié)構(gòu)或利用保護外殼使其具有較強的抗偏心和側(cè)向載荷的能力，克服非測量載荷的影響；安裝力遠離應(yīng)變區(qū)，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(yīng)變計的表面盡量為平面，并有足夠的工作面積，為貼片作業(yè)和防護密封創(chuàng)造有利條件。盡管稱重傳感器屬于裝配部件，但為了獲得佳性能和保證它能穩(wěn)定可靠的工作，在結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)，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(wěn)定性和工作可靠性有較大影響，是稱重傳感器可靠性設(shè)計的關(guān)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(yīng)、殘余應(yīng)力影響和抗疲勞等方面考慮，應(yīng)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(wěn)定性好；彈性滯后與彈性后效??；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(chǎn)生殘余應(yīng)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(zhì)的均勻性，不突出某一單項指標，追求綜合性能良好，特別要試驗出佳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(yīng)變計選擇

電阻應(yīng)變計是稱重傳感器的核心部件，其穩(wěn)定性和可靠性在很大程度上決定稱重傳感器的穩(wěn)定性和可靠性，因此是可靠性控制的重要環(huán)節(jié)。由于電阻應(yīng)變計試驗測試后不能二次使用，只能測量出實驗室環(huán)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(nèi)外稱重傳感器生產(chǎn)企業(yè)，對電阻應(yīng)變計可靠性的控制，通常圍繞敏感柵結(jié)構(gòu)形式、影響可靠性的諸因素和工作特性篩選等問題進行。

（1）電阻應(yīng)變計的結(jié)構(gòu)

稱重傳感器用電阻應(yīng)變計的結(jié)構(gòu)設(shè)計，不能停留在傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計水平上，只是在柵長、柵寬和電阻值上做文章，而重點應(yīng)對電阻應(yīng)變計的應(yīng)變傳遞理論、工作穩(wěn)定性和疲勞壽命進行研究。生產(chǎn)實踐證明，在相同結(jié)構(gòu)的稱重傳感器上，粘貼不同結(jié)構(gòu)的電阻應(yīng)變計，其蠕變指標、達到同一準確度等級的合格率和疲勞壽命有明顯差異，這都是對電阻應(yīng)變計的應(yīng)變傳遞理論、蠕變機理等研究 不夠所致。稱重傳感器用電阻應(yīng)變計，多采用平面和三維問題有限單元分析方法，對應(yīng)變傳遞，基底和覆蓋層的力學(xué)效果及佳厚度，敏感柵的端部效應(yīng)及端部形狀與蠕變的關(guān)系，基底厚度對滯后的影響等進行分析與選擇，設(shè)計出滿足稱重傳感器綜合性能指標和可靠性要求的電阻應(yīng)變計結(jié)構(gòu)。

（2）影響電阻應(yīng)變計可靠性諸因素

電阻應(yīng)變計的結(jié)構(gòu)、制造工藝和應(yīng)變傳遞原理決定了大批量生產(chǎn)的各種產(chǎn)品，不可避免的產(chǎn)生一些工藝缺陷，直接影響電阻應(yīng)變計的長期穩(wěn)定性和工作可靠性。歸納起來影響穩(wěn)定性和可靠性的因素主要有：

1）敏感柵箔材及熱處理工藝的影響

稱重傳感器用電阻應(yīng)變計敏感柵箔材多為康銅（銅鎳合金）和卡瑪、伊文合金（鎳鉻改良合金），影響穩(wěn)定性和可靠性的因素除合金成份的純度和組織的均勻性外，主要是合金箔材的熱處理工藝。箔材在多次軋制、碾壓過程中，晶格產(chǎn)生位錯、滑移、空位破裂等缺陷，其附近的原子處于熱力學(xué)上的不穩(wěn)定狀態(tài)，是電學(xué)性能不穩(wěn)定的重要原因。因此必須進行穩(wěn)定性處理，即退火處理，在達到退火溫度時這些原子吸收熱能產(chǎn)生擴散，使晶格缺陷遷移和消失，電阻率和電阻溫度系數(shù)趨于穩(wěn)定。退火溫度、保溫時間、循環(huán)次數(shù)是穩(wěn)定性處理的三要素。如果箔材熱處理和穩(wěn)定性處理工藝選擇不當(dāng)，將造成箔材的電學(xué)和溫度特性不穩(wěn)定，是電阻應(yīng)變計不穩(wěn)定的主要因素。

2）基底、覆蓋層和應(yīng)變膠粘劑的影響

電阻應(yīng)變計的基底、覆蓋層和應(yīng)變膠粘劑均為有機高分子材料。而所有高分子材料都會受到空氣中的水分和氧氣的影響，因為水能滲入幾乎所有聚合物產(chǎn)生增塑，也同樣會隨時間而發(fā)生劣化，即由于物理的或化學(xué)的變化使其性能降低。從而使基底、覆蓋層與敏感柵之間的粘結(jié)強度下降，導(dǎo)致稱重傳感器的滯后、蠕變、零漂增大，靈敏度降低，直至完全失效。電阻應(yīng)變計基底膠膜和覆蓋層的厚度，對應(yīng)變傳遞和蠕變、滯后性能均有較大影響，因此必須加強對材料品質(zhì)的選取確?；啄z膜厚度為 25±5μm，復(fù)覆蓋層厚度為 10±2μm。

3）殘余應(yīng)力的影響

電阻應(yīng)變計的制造和粘貼均經(jīng)過多道工序生產(chǎn)過程，由于箔材清洗、與框架粘接、涂基底膠、化學(xué)蝕刻、加復(fù)覆蓋層及固化夾持力、機械或化學(xué)調(diào)阻等工序，需經(jīng)受酸、堿、各種試劑（丙酮、無水乙醇、丁酮）以及水等各種介質(zhì)的作用，都在敏感柵、基底和覆蓋層內(nèi)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。這些殘余應(yīng)力隨著時間和使用逐漸釋放造成電阻應(yīng)變計性能不穩(wěn)定。為克服殘余應(yīng)力的影響，必須采用特殊的穩(wěn)定性處理工藝。

4）工藝缺陷的影響

由于工藝裝備和制造工藝水平等因素造成敏感柵蝕刻后，在柵條上和柵條間出現(xiàn)較大鋸齒、鋸齒間細柵、過蝕刻缺口、欠蝕刻“小島”、柵間“連橋”，在基底內(nèi)產(chǎn)生氣泡，甚至夾帶灰塵、雜質(zhì)等缺陷。敏感柵上的鋸齒間細柵或缺口，隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加而引起電阻不可逆變化，造成滯后增大、零點不穩(wěn)定等嚴重后果?；變?nèi)的氣泡可產(chǎn)生不均勻的熱交換，使電阻應(yīng)變計的零點漂移增大。

5）殘余蝕刻液的影響

電阻應(yīng)變計敏感柵在粗、精蝕刻過程中，都采用三氯化鐵等蝕刻液，蝕刻或調(diào)阻后若工藝控制不嚴格，表面清洗不徹底會在敏感柵表面殘留微量蝕刻液，繼續(xù)對敏感柵進行蝕刻，使電阻值緩慢增加，產(chǎn)生性能波動。 為減少上述影響，提高稱重傳感器的可靠性，必須從源頭上控制這些不可靠因素。由于敏感柵將彈性元件的應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化，基底支持敏感柵使其保持規(guī)定的幾何形狀，覆蓋層既保護敏感柵又增加敏感柵與基底的粘結(jié)力，所以只有敏感柵、基底和覆蓋層三者結(jié)為一個整體，才能保證應(yīng)變傳遞，提高電阻應(yīng)變計的可靠性。

（3）電阻應(yīng)變計的篩選

電阻應(yīng)變計的制造工藝決定了其成品必然存在一些不可避免的工藝缺陷，作為短期使用的工程結(jié)構(gòu)實驗應(yīng)力分析完全可以滿足要求。用于長期使用的稱重傳感器，即使是 A 級電阻應(yīng)變計有些指標還存在一定差距。為了提高稱重傳感器的長期穩(wěn)定性和工作可靠性，對電阻應(yīng)變計必須進行嚴格的檢查與篩選。主要檢查與篩選項目是：幾何形狀與表面質(zhì)量，機械與電學(xué)性能，電阻值分散度等。只有將電阻溫度系數(shù)小且穩(wěn)定、電阻值偏差小的電阻應(yīng)變計粘貼在同一個彈性元件上，才能有利于各道生產(chǎn)工序作業(yè)并提高稱重傳感器的可靠性。

4、電路補償與調(diào)整原材料、元器件的選用

電路補償與調(diào)整所用的原材料、元器件與電阻應(yīng)變計一樣，都是影響稱重傳感器可靠性的基本單元，為提高稱重傳感器的可靠性，必須認真選擇原材料、元器件并進行嚴格的環(huán)境應(yīng)力篩選，一般應(yīng)遵循下列原則：

（1）在廣泛調(diào)研基礎(chǔ)上編制原材料、元器件優(yōu)選目錄，避免盲目選用而引入檔次低或不合格原材料、元器件；

（2）對原材料、元器件進行綜合評價，主要是可靠性、可用性、適應(yīng)性、經(jīng)濟性和生產(chǎn)一致性五項指標，以保證稱重傳感器各項電路補償與調(diào)整指標的穩(wěn)定性和可靠性，應(yīng)在評價和試驗的基礎(chǔ)上決定是否選用；

（3）對原材料、元器件的生產(chǎn)廠家進行質(zhì)量認證，必須經(jīng)權(quán)威機構(gòu)認證合格，并以此作為原材料、元器件選點和選用依據(jù)；

（4）對可靠性有較大影響的關(guān)鍵元器件應(yīng)進行嚴格的環(huán)境應(yīng)力篩選。

5、電橋及補償電路的簡化設(shè)計

提高稱重傳感器可靠性的重要措施之一，是對電橋及補償電路，補償與調(diào)整工藝進行簡化設(shè)計。其設(shè)計原則是盡量減少各種補償電阻、焊線端子、焊線接線板等元器件的數(shù)量，優(yōu)化制造工藝，避免或減少重復(fù)焊接，盡量使工序作業(yè)一次就做到優(yōu)秀。電橋及補償電路簡化設(shè)計對于稱重傳感器可靠性的主要貢獻是：

（1）元器件數(shù)量減少，使焊點數(shù)量也隨之減少，從而減少了出現(xiàn)故障的機會；

（2）提高工藝性，便于生產(chǎn)過程質(zhì)量控制，減少了降低可靠性的因素；

（3）容易實現(xiàn)標準化、通用化的高效智能電路補償與調(diào)整工藝，有利于多品種、小批量生產(chǎn)，并能較大限度的減少人為差錯。

6、耐環(huán)境設(shè)計

稱重傳感器可靠性的本質(zhì)問題是如何耐受可能遇到的各種環(huán)境條件作用，而能穩(wěn)定可靠的工作。因此必須重視并了解各種環(huán)境條件及其潛在影響，選擇能夠抵抗這些環(huán)境條件影響的設(shè)計方案。 按環(huán)境的性質(zhì)和特征，一般環(huán)境條件分為客觀環(huán)境和感應(yīng)環(huán)境兩種類型。前者為周圍的自然環(huán)境，后者是人為環(huán)境。稱重傳感器耐受的環(huán)境條件兩者兼而有之，主要是溫度、濕度、鹽霧、振動、沖擊，因此采取的耐環(huán)境條件措施主要是耐溫度、濕度、抗振動、沖擊等。由于稱重傳感器的結(jié)構(gòu)原理和制造工藝決定了它能承受一定的振動沖擊載荷，而耐高溫、低溫稱重傳感器為特別設(shè)計制造的專用產(chǎn)品，一般稱重傳感器的使用溫度范圍多為-20℃～+70℃，所以稱重傳感器的耐環(huán)境條件設(shè)計主要是防潮濕（含防水）、防鹽霧、防霉菌的三防設(shè)計。 潮氣并不完全是H2O，通常是許多復(fù)雜的水溶液，它能滲入幾乎所有聚合物而產(chǎn)生增塑。潮氣對稱重傳感器的作用是化學(xué)和物理反應(yīng)。化學(xué)反應(yīng)使彈性元件應(yīng)變區(qū)內(nèi)電阻應(yīng)變計的粘貼表面銹蝕，物理反應(yīng)使電阻應(yīng)變計和應(yīng)變膠粘劑吸潮而膨脹，介電常數(shù)增大，絕緣電阻、粘結(jié)強度降低，特別是剪切強度急劇下降，引起稱重傳感器彈性元件應(yīng)變不規(guī)則變化，造成零點和靈敏度漂移，技術(shù)性能波動，并終失效。 鹽霧是一種氣溶膠狀體，主要成份是氯化鈣、氯化鎂，少量的硫酸鈣、硫酸鎂和其它雜質(zhì)。它對稱重傳感器彈性元件應(yīng)變區(qū)和外表面也有較強的腐蝕作用。 霉菌屬于真菌，為單細胞生物，當(dāng)溫度在 26℃～32℃，相對濕度達到 85%以上時，有機密封材料易受霉菌侵蝕。霉菌的破壞作用主要是吸附水份，導(dǎo)致絕緣電阻大幅度下降。許多防潮濕、防鹽霧技術(shù)與工藝也適用于防霉菌。稱重傳感器的防潮密封主要有焊接密封、盲孔灌封和表面密封三種類型。焊接密封多采用電子?xùn)c焊、激光焊、弱等離子焊、脈沖亞弧焊等，其密封等級可達 IP68。盲孔灌封屬于開放型密封，對所用防潮密封材料和密封工藝要求較高，主要是具有極佳的防潮濕、防鹽霧性能，優(yōu)良的粘結(jié)性；固化發(fā)熱少，收縮小，較柔軟，絕緣性能好；對電阻應(yīng)變計、應(yīng)變膠粘劑無腐蝕作用。此外，對防潮密封材料的電學(xué)性能和物理機械性能也都有具體要求。稱重傳感器盲孔灌封的密封等級可達IP67。

四、應(yīng)變式稱重傳感器生產(chǎn)過程的可靠性控制

生產(chǎn)過程的可靠性控制就是采取設(shè)計符合性控制和工藝可靠性控制，大限度的排除各種不可靠因素，并避免這些因素引起稱重傳感器可靠性降低。稱重傳感器生產(chǎn)過程中的不可靠因素有系統(tǒng)性和隨機性兩種。系統(tǒng)性因素主要是指偏離了正常的生產(chǎn)條件和工藝條件的因素，例如不熟練工人頂班作業(yè)，原材料、元器件搞錯，制造工藝隨便改動或隨意簡化，違反操作工藝規(guī)程等。這些不可靠因素一旦出現(xiàn)，將存在嚴重的故障隱患，降低了稱重傳感器的可靠性。隨機性因素是不能確切預(yù)知的因素，但在生產(chǎn)過程中大量存在，例如生產(chǎn)環(huán)境發(fā)生變化，原材料成份出現(xiàn)微小差異，彈性元件熱處理及回火工藝控制不嚴格等，造成稱重傳感器性能波動，直接影響稱重傳感器的穩(wěn)定性和可靠性。不論是系統(tǒng)性還是隨機性不可靠因素，都必須通過質(zhì)量控制和工藝控制使其不產(chǎn)生或減到小。

1、設(shè)計符合性控制

設(shè)計符合性控制，就是在稱重傳感器生產(chǎn)的全過程采取質(zhì)量控制措施，使其符合

GB/T7551—2008《稱重傳感器》國家標準和 JJG669—2003《稱重傳感器》國家計量檢定規(guī)程要求達到的各項技術(shù)性能指標和準確度等級，以及有關(guān)設(shè)計文件規(guī)定的其它要求。稱重傳感器設(shè)計符合性控制的主要環(huán)節(jié)是：

（1）工藝規(guī)程、質(zhì)量控制文件必須符合稱重傳感器國家標準和國家計量檢定規(guī)程樣機試驗的技術(shù)要求，試驗條件，試驗項目和試驗、計算、結(jié)果判定方法，并隨樣機試驗合格后定型。

（2）超差、代料處理必須以不引入降低稱重傳感器可靠性因素為原則。特別是用于高準確度稱重傳感器彈性元件的金屬材料一般不允許代料，因為彈性元件材料改變后，電路補償與調(diào)整元器件和補償工藝均發(fā)生變化，并對綜合性能指標、穩(wěn)定性和可靠性產(chǎn)生較大影響，這一點是世界各國稱重傳感器生產(chǎn)企業(yè)的共識。例如鋼制彈性元件的金屬材料美國 SATM E4340、H—11，德國30CrNiMo8、X45NiCrMo4，英國 En24、En26，日本 SNCM8，中國 40CrNiMoA等幾乎長期不變。

（3）稱重傳感器的核心部件電阻應(yīng)變計，電路補償與調(diào)整所用的原材料、元器件，以及其它外購件、外協(xié)件，都必須經(jīng)過篩選、復(fù)檢、復(fù)試，確保符合設(shè)計要求。特別是電阻應(yīng)變計由于它不能二次粘貼使用，所以一定要有行之有效的質(zhì)量檢查與篩選方法。

（4）稱重傳感器的工序檢驗和出廠測試方法，必須符合設(shè)計的準確度和可靠性要求，保證國家監(jiān)督抽查符合國家計量檢定規(guī)程要求。在生產(chǎn)過程中若采用自行規(guī)定的簡化測試方法進行質(zhì)量控制時，必須保證按正規(guī)試驗測試程序進行測試時，稱重傳感器的各項技術(shù)性能指標完全合格。

（5）生產(chǎn)工藝裝備和檢測手段必須配套齊全，特別是與稱重傳感器額定量程相適應(yīng)的帶有高低溫試驗箱的力標準機必須配備，不能簡化。所有工藝裝備和檢測儀器儀表必須定期檢定，保持100%合格率。

（6）生產(chǎn)線上各工序的生產(chǎn)、測試人員，一律考核上崗，保證操作程序和產(chǎn)品質(zhì)量符合工藝和設(shè)計要求。

（7）生產(chǎn)環(huán)境符合要求，特別是電阻應(yīng)變計粘貼工序一定要在溫度、濕度、潔凈度和照明都 符合要求的凈化間內(nèi)進行，對防潮密封工序的環(huán)境條件也應(yīng)較高標準要求。

（8）稱重傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與工藝設(shè)計應(yīng)采取平行作業(yè)模式，即在稱重傳感器設(shè)計之初就著手進行工藝設(shè)計和工藝準備，使兩者協(xié)調(diào)一致符合技術(shù)性能要求。在生產(chǎn)過程中，又提倡設(shè)計配合工藝，實行技術(shù)狀態(tài)控制，不能任意更改工藝、工序和內(nèi)控技術(shù)指標。

2、工藝可靠性控制

工藝可靠性控制是實施設(shè)計可靠性控制的根本環(huán)節(jié)，因為工藝方法不當(dāng)會引入使稱重傳感器可靠性下降的系統(tǒng)性因素，埋下故障隱患，降低稱重傳感器的可靠性。工藝可靠性控制的主要途徑是：

（1）通過對工藝可靠性的研究和試驗，優(yōu)選科學(xué)、合理的制造工藝方法。例如以 0Cr17Ni4Cu4Nb沉淀硬化不銹鋼為彈性元件的稱重傳感器，其綜合性能指標，特別是滯后和蠕變指標，在很大程度上取決于固溶熱處理和時效工藝制度。固溶熱處理的加熱溫度、淬火介質(zhì)、冷卻速度；是采用二次時效法還是冷卻處理加時效法，都需要經(jīng)過多次試驗才能找出佳方案。當(dāng)稱重傳感器各項技術(shù)性能指標均滿足設(shè)計要求后，工藝方法也隨之定型。

（2）工藝方法和工藝流程一旦選定，就必須維持工藝穩(wěn)定性，不得隨意簡化或更改。如確實需要更改，必須按程序經(jīng)過審批，并確保這種更改對稱重傳感器的可靠性不產(chǎn)生任何影響。

（3）嚴格工藝管理和工藝紀律，杜絕違反工藝規(guī)程、違反操作規(guī)程和檢測差錯，必須保證工藝兌現(xiàn)率達到 100%。那些為了提高產(chǎn)量，不顧質(zhì)量隨意簡化試驗項目，減少檢測次數(shù)的做法是非常危險的，必須杜絕。

（4）在稱重傳感器生產(chǎn)全過程中的各道工序，提倡自檢，關(guān)鍵工序設(shè)檢驗點，嚴格控制不合格率，大限度的減少工藝缺陷。因為稱重傳感器的故障很大一部分是工藝問題，堵住了工藝缺陷其實質(zhì)就是提高了稱重傳感器的可靠性。

3、穩(wěn)定性與可靠性處理

由于生產(chǎn)條件、工藝條件，原材料、元器件等因素，不可避免的總是存在著某些隨機的波動，

使得生產(chǎn)出來的稱重傳感器可能潛在著某些缺陷和故障隱患，從而出現(xiàn)初始不穩(wěn)定期。因此，在稱重傳感器生產(chǎn)完成后和出廠前，通常經(jīng)過篩選的方法剔除不合格產(chǎn)品，但這種篩選只能提高出廠產(chǎn)品中的合格品比例，由于制造工藝并未進行改進，所以不能提高批量生產(chǎn)的產(chǎn)品合格率。根據(jù)生產(chǎn)后和出廠前技術(shù)性能測試出現(xiàn)的問題，在生產(chǎn)工藝中對原材料、元器件進行環(huán)境應(yīng)力篩選，對出廠前的稱重傳感器增加老化和穩(wěn)定性處理，使稱重傳感器在生產(chǎn)過程中渡過初始不穩(wěn)定期，一出廠就進入穩(wěn)定期。稱重傳感器的穩(wěn)定性處理主要有熱處理和機械兩種方法。熱處理穩(wěn)定性處理法多針對冷熱加工后的彈性元件，主要是高溫油煮、低溫深冷、冷熱循環(huán)、恒溫時效等方法。機械穩(wěn)定性處理法是針對已完成所有工序的產(chǎn)品，主要有脈動疲勞、超載靜壓、振動時效、共振時效等方法。 20 世紀 70 年代，美國海軍首先推行了混合式環(huán)境應(yīng)力篩選，被稱為高效應(yīng)力篩選法，它是將熱處理時效法和機械時效法兩者結(jié)合起來的一種新的時效方法。其核心是溫度循環(huán)加隨機振動，對于釋放和消除各種殘余應(yīng)力有效。因為溫度循環(huán)采用了高變溫率，傳感器在熱應(yīng)力下使缺陷盡早暴露、消除。而隨機振動是在整個振動時間內(nèi)，對每個頻率同時激振，有充分時間激起共振，釋放傳感器的殘余應(yīng)力并促使缺陷暴露。此種方法目前只應(yīng)用于軍用傳感器的篩選中，因為成本問題民用稱重傳感器尚未采用。借鑒這種方法對稱重傳感器進行溫度循環(huán)老化、電老化和低頻脈動疲勞時效，對提高零點、靈敏度的穩(wěn)定性和工作可靠性效果明顯。

五、應(yīng)變式稱重傳感器的可靠性管理

稱重傳感器的可靠性管理是對設(shè)計和生產(chǎn)的全過程，各項可靠性技術(shù)工作，全體研制、生產(chǎn)人員進行規(guī)劃、組織、協(xié)調(diào)、監(jiān)控等一系列技術(shù)活動，以實現(xiàn)預(yù)定的可靠性目標。從圖 2 所示的可靠性工程諸環(huán)節(jié)關(guān)系圖，不難看出可靠性管理的重要性，深刻說明了“產(chǎn)品的可靠性是設(shè)計出來的，生產(chǎn)出來的，管理出來的”理念的正確性，及其在稱重傳感器研制生產(chǎn)中的地位和作用?？煽啃怨こ讨T環(huán)節(jié)關(guān)系圖基本反應(yīng)了稱重傳感器研制、生產(chǎn)全過程的可靠性控制與管理。稱重傳感器在完成了各項可靠性設(shè)計，經(jīng)過生產(chǎn)過程可靠性控制生產(chǎn)出產(chǎn)品后，應(yīng)進行可靠性增長試驗和可靠性驗證試驗?？煽啃栽鲩L試驗的目的是暴露問題或了解潛力（可靠性裕度）進行改進，以促進稱重傳感器的可靠性增長。可靠性驗證試驗的目的是評價可靠性設(shè)計技術(shù)是否有效，驗證是否達到了稱重傳感器可靠性指標要求。目前，稱重傳感器的可靠性試驗多采用統(tǒng)計無故障工作時間的跟蹤測試方法，盡管還不夠完善，但也能說明問題。對可靠性增長試驗、可靠性驗證試驗和跟蹤測試所暴露出的問題和故障進行分析，查找故障原因，摸清故障的內(nèi)在變化規(guī)律，從而采取相應(yīng)對策，改進可靠性設(shè)計和工藝可靠性控制。在這些環(huán)節(jié)中，可靠性管理起著至關(guān)重要的核心作用，它使稱重傳感器可靠性的各個環(huán)節(jié)有效的運轉(zhuǎn)。 

 六、引入可靠性概念提高稱重傳感器的可靠性

國內(nèi)外一些企業(yè)的研制、生產(chǎn)經(jīng)驗證明，生產(chǎn)高準確度和高可靠性稱重傳感器必須引入可靠性概念，明確稱重傳感器的可靠性設(shè)計就是考慮可靠性的稱重傳感器設(shè)計，不存在獨立于稱重傳感器設(shè)計之外的可靠性設(shè)計。在可靠性諸環(huán)節(jié)中，可靠性的基礎(chǔ)設(shè)計和生產(chǎn)過程的可靠性控制是決定稱重傳感器可靠性的兩個重要環(huán)節(jié)。 由可靠性定義可以得出，稱重傳感器的可靠性就是無故障工作時間超過任務(wù)時間（由電子衡器的種類和工作環(huán)境條件決定）的概率，超過程度越大可靠性越高，可以從以下幾個方面提高稱重傳感器的可靠性。

（1）引入可靠性概念，明確可靠性要求?？紤]可靠性的稱重傳感器設(shè)計就是做好可靠性的基礎(chǔ)設(shè)計，主要包括彈性元件及附件設(shè)計、彈性元件材料及熱處理工藝選擇、電阻應(yīng)變計及元器件篩選、耐環(huán)境條件設(shè)計等，從結(jié)構(gòu)和原材料、元器件上保證稱重傳感器性能波動小。

（2）重視工藝裝備，完善檢測手段。進入 21 世紀，可以說稱重傳感器的競爭主要是制造技術(shù)、制造工藝的競爭。生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵工藝裝備，例如帶高低溫度試驗箱的力標準機、智能化的溫度補償裝置等不能簡化或缺少。生產(chǎn)工藝必須先進、科學(xué)、合理，并不斷提高工藝裝備的自動化、智能化水平，嚴格生產(chǎn)可靠性控制，盡大可能從工藝裝備上減少人為因素對稱重傳感器可靠性的影響。

（3）在生產(chǎn)過程中加強全面質(zhì)量控制和可靠性管理，提高技術(shù)和生產(chǎn)人員的質(zhì)量意識和可靠性意識，嚴格工藝紀律，遵守試驗與測試規(guī)定，大限度的排除不可靠因素，并避免這些因素引起稱重傳感器可靠性下降。

（4）努力做好支持工藝、基礎(chǔ)工藝、核心工藝和特殊工藝的科學(xué)運用和集成。采用先進的電路補償與調(diào)整工藝，不斷提高補償工藝水平。除研究改進基礎(chǔ)工藝外，還應(yīng)加強特殊工藝的研究與應(yīng)用，特別要研究和應(yīng)用提高穩(wěn)定性和可靠性的工藝技術(shù)與方法。

（5）生產(chǎn)廠家與用戶密切配合，加強應(yīng)用中的信息傳遞，不斷積累稱重傳感器無故障工作時間等可靠性信息。有條件的產(chǎn)廠家可進行稱重傳感器可靠性增長試驗、可靠性驗證試驗，取得稱重傳感器可靠壽命的重要依據(jù)。

（6）充分認識稱重傳感器穩(wěn)定性和可靠性的初始不穩(wěn)定期、穩(wěn)定期和疲勞不穩(wěn)定期之間的關(guān)系。采用有效的老化處理和穩(wěn)定性處理工藝，盡量在生產(chǎn)過程中渡過初始不穩(wěn)定期，投入使用時即可進入穩(wěn)定期。使稱重傳感器真正成為國際公認的“半永久性器件”，對于 IP67 和 IP68 防護密封等級的稱重傳感器應(yīng)能穩(wěn)定的工作 10 年以上。

七、結(jié)語

綜上所述，關(guān)于稱重傳感器的可靠性問題可以得出以下結(jié)論：

（1）稱重傳感器的可靠性就是在規(guī)定的使用條件下和一定的時間內(nèi)保持技術(shù)性能并穩(wěn)定可靠 工作的能力，以無故障工作時間或可靠壽命來表示。稱重傳感器屬于半永久性工作器件，一個防護密封良好的稱重傳感器至少應(yīng)能穩(wěn)定的工作 10 年。

（2）稱重傳感器可靠性的核心是故障，即可靠性是由故障引發(fā)出來的，因此在稱重傳感器研制、生產(chǎn)的全過程中，采取各種技術(shù)與工藝措施消除故障隱患，是提高可靠性的重要途徑。

（3）稱重傳感器的可靠性設(shè)計就是考慮可靠性的稱重傳感器設(shè)計，不存在獨立于稱重傳感器設(shè)計之外的可靠性設(shè)計。

（4）考慮可靠性的稱重傳感器設(shè)計，就是作好可靠性的基礎(chǔ)設(shè)計，主要包括彈性元件結(jié)構(gòu)與附件設(shè)計、彈性元件材料與熱處理工藝選擇、電阻應(yīng)變計與輔助元器件選擇、電橋與補償電路的簡化設(shè)計、耐環(huán)境設(shè)計等。

（5）在稱重傳感器可靠性諸環(huán)節(jié)中，可靠性設(shè)計和生產(chǎn)過程可靠性控制是兩個重要環(huán)節(jié)，而可靠性管理則起著核心作用，它使可靠性各環(huán)節(jié)有效運轉(zhuǎn)。

（6）稱重傳感器的壽命試驗多采用在使用環(huán)境條件下，對無故障工作時間即使用壽命進行跟蹤測試，壽命試驗是可靠性試驗的重要內(nèi)容。

（7）稱重傳感器的可靠性是設(shè)計出來的，生產(chǎn)出來的，管理出來的。要特別重視設(shè)計符合性控制和工藝可靠性控制。

（8）生產(chǎn)高可靠性稱重傳感器必須提高技術(shù)和生產(chǎn)人員的質(zhì)量意識、可靠性意識，嚴格工藝紀律，保證工藝兌現(xiàn)率達到 100%。