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(guó)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的決定性標(biāo)志，也是我國(guó)應(yīng)變式稱重傳感器與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家同類產(chǎn)品的主要差距。結(jié)合我國(guó)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(jiǎn)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(dòng)，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(duì)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的決定性標(biāo)志。

標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO8402）對(duì)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(duì)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(duì)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?？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*的持續(xù)工作時(shí)間?？煽啃允怯煞Q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(guó)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(jí)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(huì)議和學(xué)術(shù)交流中，各國(guó)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(jí)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(zhǎng)期穩(wěn)定性和工作可靠性。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)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(duì)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(guó)的可靠性分析中心和我國(guó)的科研部門都累積了大量的傳感器可靠性數(shù)據(jù)。對(duì)于稱重傳感器可靠性的研究，國(guó)內(nèi)外還只限于可靠性分析和跟蹤測(cè)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(duì)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(duì)策，提高稱重傳感器的固有可靠性。

跟綜測(cè)試是經(jīng)濟(jì)適用的研究稱重傳感器可靠性的簡(jiǎn)易方法，國(guó)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(duì)稱重傳感器的貯存壽命進(jìn)行了跟蹤測(cè)試；一種是在使用環(huán)境條件下，對(duì)稱重傳感器的*工作時(shí)間，即使用壽命進(jìn)行了跟蹤測(cè)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(dòng)。它可以通過對(duì)元器件實(shí)施環(huán)境應(yīng)力篩選，對(duì)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(zhǎng)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(dòng)，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(shí)。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(duì)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(dòng)，或使其性能波動(dòng)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(chǎng)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(cè)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(duì)稱重傳感器的綜合性能指標(biāo)，長(zhǎng)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?。荒驼駝?dòng)、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(cè)試后不能二次使用，只能測(cè)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(guó)內(nèi)外稱重傳感器生產(chǎn)企業(yè)，對(duì)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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