应变式称重传感器的可靠性

应变式称重传感器的可靠性
    20世纪90年代以来，我国称重传感器和电子衡器在工业与商业称重计量中得到广泛应用，称重传感器的稳定性和可靠性问题，越来越引起用户的普遍关注。在目前条件下，研制生产出较高准确度等级的称重传感器并非难事，但研制生产出具有较高稳定性和可靠性的称重传感器并非易事。在多次国际学术会议和学术交流中，各国专家一致认为就称重传感器的工作原理、结构特点、制造工艺和应用条件而言，它应属于半永久性的工作器件，IP67、IP68防护密封等级的称重传感器应能稳定可靠的工作10年以上。
    根据产品可靠性定义和称重传感器的实际应用情况，其可靠性定义为：称重传感器在规定的使用条件下和一定的时间内完成规定功能的能力或概率。具体来说，就是在规定的使用条件下和一定时间内，称重传感器保持其各项技术性能并稳定工作的能力，多以无故障工作时间或可靠寿命来度量。众所周知，称重传感器主要用于各种电子衡器和电子称重系统，要求综合性能好且稳定，即非线性、滞后误差和灵敏度温度影响等所有偏差之和，应处于某一允许误差带之内。其中零点和灵敏度的稳定性直接影响称重传感器的长期稳定性和工作可靠性，目前，国内外对传感器可靠性多集中在一些可靠性要求高的系统上，例如运载火箭与导弹、卫星与宇宙飞船、军用与民用飞机、大型工业控制系统等。对于这些系统所用的各种传感器，根据4个可靠性基本函数，进行各项试验，完成了大量的数据采集、分析处理工作。美国的可靠性分析中心和我国的军事科研部门都累积了大量的传感器可靠性数据。对于称重传感器可靠性的研究，国内外还只限于可靠性分析和跟踪测试阶段。
可靠性分析贯穿于称重传感器设计、制造、使用的全过程，它是可靠性研究的重要环节。主要是故障（失效）机理分析，通过对故障进行宏观到微观分析，查找故障原因，摸清故障的内在规律，从而采取相应对策，提高称重传感器的固有可靠性。
    跟综测试是经济适用的研究称重传感器可靠性的简易方法，国内外一些企业在这方面进行了两种工作。一种是在试验室环境条件下，对称重传感器的贮存寿命进行了跟踪测试；一种是在使用环境条件下，对称重传感器的无故障工作时间，即使用寿命进行了跟踪测试。寿命试验是可靠性试验中的重要内容，除贮存寿命试验外还有损耗寿命试验、加速寿命试验等。建议生产企业与使用单位密切配合，互相进行信息交流，积累称重传感器的无故障工作时间等可靠性教据。按传统的可靠性分析方法，产品的失效率遵循浴盆曲线，如图1所示。
左边部分为早期失效期是递减的，在产品使用的早期，由于加工制造内部留下一些缺陷，失效率往往较高，一般都是在产品出厂前通过老炼试验消除早期失效。中间部分为偶然失效期是水平的接近一个常数，这是因为产品经过早期失效后，失效率稳定在一个较低的水平，这个时期的失效率往往因随机的原因引起，称为偶然失效期。右边部分为损耗失效期是递增的，由于零部件老化、损耗等原因，失效率开始增加。称重传感器的稳定性和可靠性完全符合这一规律，分为初始不稳定期、稳定期和疲劳不稳定期。初始不稳定期是由于弹性元件经过锻造、机械加工、热处理以及表面打磨、喷砂、贴片等工艺产生残余应力，并不断的松弛和释放，使零点和灵敏度发生变化，造成称重传感器性能波动。它可以通过对元器件实施环境应力筛选，对称重传感器进行老炼和稳定处理，尽量释放和消除残余应力，在生产过程中渡过初始不稳定期，出厂后就开始进入能够稳定可靠工作的稳定。在经历了长时期的无故障工作后，由于防护密封材料老化，电路补偿与调整元器件损耗，电阻应变计疲劳等原因，使称重传感器产生性能波动，工作不稳定直至失效，称为疲劳不稳定期。称重传感器的可靠性理论就是研究分析各种影响其可靠性的系统性和随机性因素，科学合理的提出可靠性的定性和定量要求，如故障模式及影响分析、无故障工作时间和可靠寿命等。
    三、应变式称重传感器的可靠性设计
    把比较复杂系统的可靠性设计方法引入称重传感器可靠性设计，采用系统化的分析程序进行故障模式与严重度分析，查明可能存在的隐患，采取措施改进设计，目前还有较大困难。因为称重传感器的可靠性是属于指数分布还是威布尔分布还有待于进一步认识。但根据称重传感器的工作原理、制造工艺和应用情况，从残余应力影响，元器件和密封材料老化，电阻应变计疲劳积累等方面分析，一个合乎逻辑的处理就是按其功能将称重传感器各个相互作用又相互依赖的组成部分，独立出来分别研究其可靠性。例如弹性元件材料及热处理；电阻应变计及应变胶粘剂；电路补偿元器件与补偿工艺；防护密封材料与密封工艺等。称重传感器的技术指标确定后，不能像设计一个比较复杂系统那样，将技术指标分配给各分系统、单机或部件，为可靠性设计提供定量的目标。因为称重传感器的各组成部分是相互作用又相互依赖的，可以说都是称重传感器的基础，哪一个环节的故障率高，都对称重传感器的可靠性产生较大影响，因此，必须作好称重传感器可靠性的基础设计。