關(guān)于應(yīng)變式稱重傳感器的可靠性問題

關(guān)于應(yīng)變式稱重傳感器的可靠性問題

中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院第七○二研究所劉九卿

【摘 要】 可靠性是應(yīng)變式稱重傳感器非常重要的質(zhì)量指標(biāo)，是市場競爭力的決定性標(biāo)志，也是我國應(yīng)變式稱重傳感器與工業(yè)發(fā)達(dá)國家同類產(chǎn)品的主要差距。結(jié)合我國應(yīng)變式稱重傳感器研制、生產(chǎn)總體情況和在電子衡器應(yīng)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(shè)計(jì)、控制和管理問題；分析了影響應(yīng)變式稱重傳感器可靠性的系統(tǒng)性和隨機(jī)性因素。提出生產(chǎn)過程中的設(shè)計(jì)符合性控制和工藝可靠性控制是提高應(yīng)變式稱重傳感器可靠性的重要途徑。

【關(guān)鍵詞】 稱重傳感器；可靠性；故障；失效

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(shí)間或使用而出現(xiàn)性能波動，不能完成規(guī)定功能并zui終失效（不穩(wěn)定）。稱重傳感器從開始使用到失效前的時(shí)間是不確定的，可靠性就是研究在規(guī)定的條件和時(shí)間內(nèi)，稱重傳感器的平均*工作時(shí)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(biāo)和市場競爭的決定性標(biāo)志。

標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO8402）對于可靠性的定義：“單元在給定的環(huán)境及運(yùn)行條件下和在給定的時(shí)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(gè)整體來考慮的對象，它可以是一個(gè)元件，一個(gè)子系統(tǒng)，一個(gè)系統(tǒng)。單獨(dú)考慮稱重傳感器它就是一個(gè)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)。“時(shí)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”。“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(gè)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(shí)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。可靠性的核心是故障，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*的持續(xù)工作時(shí)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(jì)稱重傳感器工作時(shí)間和故障次數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的結(jié)果。若要達(dá)到較高的可靠性水平，必須作好稱重傳感器的可靠性設(shè)計(jì)、控制和管理。

 

二、應(yīng)變式稱重傳感器的可靠性

20世紀(jì)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(jì)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(zhǔn)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。

在多次學(xué)術(shù)會議和學(xué)術(shù)交流中，各國專家一致認(rèn)為就稱重傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、制造工藝和應(yīng)用條件而言，它應(yīng)屬于半*性的工作器件，IP67、IP68防護(hù)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(shí)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(shí)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(shí)間內(nèi)，稱重傳感器保持其各項(xiàng)技術(shù)性能并穩(wěn)定工作的能力，多以*工作時(shí)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(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(diǎn)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(yùn)載火箭與導(dǎo)彈、衛(wèi)星與宇宙飛船、軍用與民用飛機(jī)、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(gè)可靠性基本函數(shù)，進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)，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。

可靠性分析貫穿于稱重傳感器設(shè)計(jì)、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(jī)理分析，通過對故障進(jìn)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(jì)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(jìn)行了兩種工作。一種是在試驗(yàn)室環(huán)境條件下，對稱重傳感器的貯存壽命進(jìn)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*工作時(shí)間，即使用壽命進(jìn)行了跟蹤測試。壽命試驗(yàn)是可靠性試驗(yàn)中的重要內(nèi)容，除貯存壽命試驗(yàn)外還有損耗壽命試驗(yàn)、加速壽命試驗(yàn)等。建議生產(chǎn)企業(yè)與使用單位密切配合，互相進(jìn)行信息交流，積累稱重傳感器的*工作時(shí)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，如圖1所示。

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(yàn)消除早期失效。中間部分為偶然失效期是水平的接近一個(gè)常數(shù)，這是因?yàn)楫a(chǎn)品經(jīng)過早期失效后，失效率穩(wěn)定在一個(gè)較低的水平，這個(gè)時(shí)期的失效率往往因隨機(jī)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*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(jī)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(diǎn)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(shí)施環(huán)境應(yīng)力篩選，對稱重傳感器進(jìn)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(jìn)入能夠穩(wěn)定可靠工作的穩(wěn)定期。在經(jīng)歷了長時(shí)期的*工作后，由于防護(hù)密封材料老化，電路補(bǔ)償與調(diào)整元器件損耗，電阻應(yīng)變計(jì)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(jī)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、*工作時(shí)間和可靠壽命等。

三、應(yīng)變式稱重傳感器的可靠性設(shè)計(jì)

把比較復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)方法引入稱重傳感器可靠性設(shè)計(jì)，采用系統(tǒng)化的分析程序進(jìn)行故障模式與嚴(yán)重度分析，查明可能存在的隱患，采取措施改進(jìn)設(shè)計(jì)，目前還有較大困難。因?yàn)榉Q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(jìn)一步認(rèn)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(jì)疲勞積累等方面分析，一個(gè)合乎邏輯的處理就是按其功能將稱重傳感器各個(gè)相互作用又相互依賴的組成部分，獨(dú)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(jì)及應(yīng)變膠粘劑；電路補(bǔ)償元器件與補(bǔ)償工藝；防護(hù)密封材料與密封工藝等。稱重傳感器的技術(shù)指標(biāo)確定后，不能像設(shè)計(jì)一個(gè)比較復(fù)雜系統(tǒng)那樣，將技術(shù)指標(biāo)分配給各分系統(tǒng)、單機(jī)或部件，為可靠性設(shè)計(jì)提供定量的目標(biāo)。因?yàn)榉Q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(gè)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(jì)。

1、彈性元件的可靠性設(shè)計(jì)

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(hù)外殼、焊接密封膜片、上下承載壓頭和壓墊的設(shè)計(jì)，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zui小。為得到較高的可靠性，在彈性元件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)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(hù)外殼使其具有較強(qiáng)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(yuǎn)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(diǎn)和支承點(diǎn)的位移；粘貼電阻應(yīng)變計(jì)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(hù)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*性能和保證它能穩(wěn)定可靠的工作，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須盡量減少零部件，提高集成化程度，盡可能是一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，因?yàn)楦鬟B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(biāo)，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(jì)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(shí)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(shí)間與溫度穩(wěn)定性好；彈性滯后與彈性后效小；耐振動、沖擊，抗疲勞能力強(qiáng)；鍛造、機(jī)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(shí)具備上述各項(xiàng)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(xiàng)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(yán)格要求成份的純度和材質(zhì)的均勻性，不突出某一單項(xiàng)指標(biāo)，追求綜合性能良好，特別要試驗(yàn)出*熱處理工藝和時(shí)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(shí)效法或冷卻處理加時(shí)效法上多進(jìn)行試驗(yàn)，確定滿足稱重傳感器綜合能和可靠性要求的熱處理與時(shí)效工藝制度。

3、電阻應(yīng)變計(jì)選擇

電阻應(yīng)變計(jì)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(jì)試驗(yàn)測試后不能二次使用，只能測量出實(shí)驗(yàn)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(jì)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(jìn)行。

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