关于应变式称重传感器的可靠性问题
中国运载火箭技术研究院第七○二研究所刘九卿
【摘 要】 可靠性是应变式称重传感器非常重要的质量指标，是市场竞争力的决定性标志，也是我国应变式称重传感器与工业发达国家同类产品的主要差距。结合我国应变式称重传感器研制、生产总体情况和在电子衡器应用中的可靠性问题，介绍了可靠性概念和研究方向；讨论了可靠性设计、控制和管理问题；分析了影响应变式称重传感器可靠性的系统性和随机性因素。提出生产过程中的设计符合性控制和工艺可靠性控制是提高应变式称重传感器可靠性的重要途径。
【关键词】 称重传感器；可靠性；故障；失效
一、概述
所有应变式称重传感器（以下简称称重传感器）和由称重传感器组成的电子称重系统，都将随着时间或使用而出现性能波动，不能完成规定功能并zui终失效（不稳定）。称重传感器从开始使用到失效前的时间是不确定的，可靠性就是研究在规定的条件和时间内，称重传感器的平均*工作时间、工作失效率和可靠寿命，这对提高称重传感器组装的电子衡器和电子称重系统的可靠性至关重要。因此，可靠性已成为称重传感器非常重要的质量指标和市场竞争的决定性标志。
标准化组织（ISO8402）对于可靠性的定义：“单元在给定的环境及运行条件下和在给定的时间内，完成规定功能的能力”。这里“单元”一词是讲作为一个整体来考虑的对象，它可以是一个元件，一个子系统，一个系统。单独考虑称重传感器它就是一个元件，与称重系统一起考虑它就是子系统或系统中的重要环节。“时间”应从广义角度去理解，就称重传感器或电子衡器而言，它是受应力循环的次数。对于质量的定义：“产品的质量反映产品满足明确和隐含需要的能力的特征总和”。“需要”按定义可包括性能、可用性、可信性、可靠性等，这里的“性能”是需要的一个方面，是中心考虑的问题，而可靠性就是产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。根据上述定义，把不能完成规定功能的状态称为故障或失效。可靠性的核心是故障，即可靠性是由产品的故障引发出来的。失效——故障——可靠性——可靠度，四者之间密切相关，构成了因果链。从上述可靠性理论可以得出称重传感器的可靠性就是在规定的环境条件下*的持续工作时间。可靠性是由称重传感器故障引发出来的，可靠度是用来度量称重传感器可靠性水平的数值，是在统计称重传感器工作时间和故障次数的基础上进行数据处理的结果。若要达到较高的可靠性水平，必须作好称重传感器的可靠性设计、控制和管理。
二、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*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*工作时间或可靠寿命来度量。*，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*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*工作时间等可靠性数据。
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*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期。在经历了长时期的*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、*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。
1、弹性元件的可靠性设计
弹性元件的结构是称重传感器的基础，是稳定性和可靠性的重要因素。因此，弹性元件及其保护外壳、焊接密封膜片、上下承载压头和压垫的设计，必须保证称重传感器受载后在结构上不产生性能波动，或使其性能波动减至zui小。为得到较高的可靠性，在弹性元件结构设计时应尽量作到：应变区受力单一，应力分布均匀，应变程度不应太高，非应变区应处于低应力水平，即应变区之外不能有高于应变区的应力场和应力集中处；通过自身结构或利用保护外壳使其具有较强的抗偏心和侧向载荷的能力，克服非测量载荷的影响；安装力远离应变区，引入载荷的压头和承受载荷的压垫受力合理，避免载荷引入点和支承点的位移；粘贴电阻应变计的表面尽量为平面，并有足够的工作面积，为贴片作业和防护密封创造有利条件。尽管称重传感器属于装配部件，但为了获得*性能和保证它能稳定可靠的工作，在结构设计时必须尽量减少零部件，提高集成化程度，尽可能是一个整体结构，因为各连接件之间的位移都可以引起非线性和离散性。
2、弹性元件材料及热处理工艺选择
弹性元件材料及热处理工艺对称重传感器的综合性能指标，长期稳定性和工作可靠性有较大影响，是称重传感器可靠性设计的关键问题。特别是不锈钢弹性元件材料的固溶热处理工艺及时效方法直接决定称重传感器的性能和可靠性。从弹性元件材料的弹性模量、滞弹性效应、残余应力影响和抗疲劳等方面考虑，应尽量选择弹性极限和屈服极限高；弹性模量的时间与温度稳定性好；弹性滞后与弹性后效小；耐振动、冲击，抗疲劳能力强；锻造、机械加工和热处理工艺性能好且产生残余应力小的金属材料。要使某一种金属材料同时具备上述各项性能是很难作到的，但可以通过某些控制方法和处理后，使其尽量满足或接近上述各项要求。在弹性元件材料上提高称重传感器可靠性的有效途径是严格要求成份的纯度和材质的均匀性，不突出某一单项指标，追求综合性能良好，特别要试验出*热处理工艺和时效制度。例如0Cr17Ni4Cu4Nb沉淀硬化不锈钢，就必须在固溶热处理工艺及两次时效法或冷却处理加时效法上多进行试验，确定满足称重传感器综合能和可靠性要求的热处理与时效工艺制度。
3、电阻应变计选择
电阻应变计是称重传感器的核心部件，其稳定性和可靠性在很大程度上决定称重传感器的稳定性和可靠性，因此是可靠性控制的重要环节。由于电阻应变计试验测试后不能二次使用，只能测量出实验室环境条件下的疲劳寿命，这给研究工作带来较大困难。目前国内外称重传感器生产企业，对电阻应变计可靠性的控制，通常围绕敏感栅结构形式、影响可靠性的诸因素和工作特性筛选等问题进行。
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