影响地磅称重传感器产品质量的关键环节

本文分别从地磅称重传感器的弹性元件材料、弹性元件结构设计和机械加工、 制造工艺及检测设备四个方面阐述了在产品制造时对质量影响的关键环节。文中所阐述的产 品质量包括性能指标、产品的长期稳定性及故障周期等。本文目的在于对提高地磅称重传感器整 体性能指标和产品质量提供充分的参考依据。

一、前言

随着信息技术的发展，传感器也得到了日益 广泛的应用。工业、农业、航空航天、军事国防，从陆地到海洋，从天空到太空，从各种复杂的工 程系统到生活的衣食住行，几乎每一个现代化项 目都离不开各种类型的传感器。作为信息采集和 信息传递的主要构成要素，传感器已经成为现代 信息技术系统三大支柱之一。这也是许多工业发 达国家把传感器技术作为未来科学研究与发展重 点的一个重要原因。

在我国，尽管航空、航天工业部门早在20世 纪50年代末期就开始研究及应用电阻应变式负荷 传感器，但并未向民用发展。就全国而言，负荷 传感器的研制与生产起步较晚，60年代只有几个 厂家生产普通精度等级的电阻应变式测力传感器。 结构单一，基本不进行电路补偿与调整，有的产 品甚至用外部平衡箱调整零点。80年代初，全国 有20余家企业用资一亿元人民币，用汇1300万 美元，从美、日等国引进应变式负荷传感器制造 技术与工艺装备，进行学习、消化和吸收。经过仿制和试生产后，开始多品种小批量生产，推向 市场后，取得了相当可观的效益。称重传感器尽 管是国家强制管理的法制计量器具，应当比较难 进入此行业，但由于种种原因导致一些企业和个 人很容易进入，造成市场拥挤，加剧了市场竞争。 终于在90年代后期爆发了价格大战，谁的价格 低，谁就是大赢家，而且逐年升级越演越烈，己 经到了走火入魔的程度。价格大战的恶果是技术 进步缓慢，工艺水平下降，质量问题严重且管理 监督失控。带着这些问题进入21世纪，称重传感 器与工业发达国家的差距非但未缩小，反而加大 了。近几年国家监督抽查结果和终端客户的反馈 就是很好的例证。

因此，如何提高我国地磅传感器的性能和品质， 显得迫在眉睫。如何才能做好？我国著名电阻应 变式称重传感器专家刘九卿老师曾总结为“材料 是基础，结构是关键，工艺是核心，检测是保 障”。本文也就是从称重传感器弹性元件的材料及 结构设计、制造工艺及检测设备四个方面进了分 析研究，为提高我国称重传感器的竞争力提供参 考。

二、弹性元件的材料对称重传感器品质影响

在额定载荷作用下，弹性元件应变区的应变 程度，对称重传感器的线性、滞后、蠕变和疲劳 寿命都有较大影响。实际上，保证应变稳定并与 载荷成较严格线性关系的应变范围，它与弹性元 件所用的材料密切相关。

目前，称重传感器的弹性元件材料主要分为 三类：铝合金（LY12、合金钢（40CrNiMoA、 不锈钢（0Cr17Ni4Cu4ND，前两种材料应用最为 普遍，加工工艺、热处理工艺、制作工艺已十分 成熟。以不锈钢作为弹性元件材料的称重传感器， 可以进行金属膜片焊接密封，具有防腐、防爆、 高可靠性、高稳定性的特点，在腐蚀性场合、食 品、化工等行业，将成为合金钢称重传感器的替 代品，市场容量逐渐放大。

提高弹性元件应变的稳定性是提高传感器的 整体稳定性的基础和关键。因此弹性元件的材料 不仅是结构材料而且是功能材料。一般来讲，弹 性元件采用的金属材料除了对化学成分和冶炼条 件严格要求外，还要有优良的综合性能，在保证 弹性和应力的同时，尽量选用抗塑变形（弹性滞 后)能力高的材料，且材料的纯度要高，成分的 均匀性好。选择弹性材料时，还应特别注意材料 的弹性模量E以及材料的弹性后效（蠕变）和热 弹性效应对称重传感器性能的影响。 因此材料选 择及成分的确定是第一步，其次，热处理工艺和 与应变片的匹配成为关键点。

称重传感器是技术、工艺密集型产品，性能 的一致性需要合理严格的工艺作保障，热处理工 艺在称重传感器的生产中是十分重要的。以不锈 钢称重传感器为例的热处理工艺流程为：清洗— 固溶处理—深冷处理—时效处理。热处理工艺的 冷却介质为水冷、油冷或强制惰性气体冷却，冷 却速率有很大区别，同时要考虑弹性元件尺寸的 大小，降温速率要有所不同，使冷却速度达到相 应要求，固溶时的冷却介质、冷却速度对称重传 感器的指标影响很大，工艺参数不合理对称重传 感器指标是有害的。

三、弹性元件的结构设计和机械加工对称重传感器品质的影响

弹性元件的形式是由称重传感器的量程确定 的，一般常见的形式有：悬臂梁式、剪切梁式、 双孔弯曲梁式、柱式、扭环式等。弹性元件的设 计基本属于机械结构设计的范围，但因测力性能 的需要，其结构上与普通的机械零件和构件有所 不同。一般说来，普通的机械零件和构件只须满 足在足够大的安全系数下的强度和刚度即可，对 在受力条件下零件或构件上的应力分布情况不必 严格要求。然而，对于弹性元件来说，除了需要 满足机械强度和刚度要求以外，必须保证弹性元 件上粘贴电阻应变片部位的应力（应变）与弹性 元件承受的载荷（被测力）保持严格的对应关系 (最好是线性关系)；同时，为了提高测力传感器测 力的灵敏度，还应使电阻应变计贴片部位达到较 高应力状态，弹性元件的设计必须满足以下两项 要求：）贴片部位的应力（应变）应与被测力保 持严格的对应关系； 2 贴片部位应具有较高的应 力（应变）水平。为了满足上述两项要求，在测 力传感器的弹性元件设计方面，应用“应力集中” 的设计原则，确保贴片部位的应力（应变）水平 较高，并与被测力保持严格的对应关系，以提高 所设计测力传感器的测力灵敏度和测力精度。

称重传感器的工作频率由弹性元件及粘贴其上的电阻应变计决定，电阻应变计的频率响应是 很高的，通常根据弹性元件确定工作频率。在设 计动态下使用的称重传感器时，应尽量提高它的 固有频率。弹性元件固有频率的计算公式为：

式中：K——单位位移需要的力值；m——弹 性元件的相对质量。

(一）弹性元件切削加工过程中的残余应力对 称重传感器品质的影响

弹性元件中残余应力，主要来自原材料在乳 制或拉制工艺成形过程中产生的残余应力；在热 处理过程中，由于冷却温度不均匀和相变而产生 的残余应力；在机械加工中，因切削力作用而产 生的残余应力。刨、铣、车、磨等机械加工，使 弹性元件表面变形不均匀，而产生较大的残余应 力，切削用量越大，表面的残余应力越大。车削 加工时不同进刀量轴向和径向的残余应力也不相 同，在弹性元件表面为最大残余拉应力，距表面 约40^ m?80^ m深处为最大残余压应力。磨削 加工时产生的残余应力最大，磨削深度越大，产 生的残余应力就越大，其最大残余应力位于距表 面约20^ m?40^ m处。为提高弹性元件的加工精 度，宜采用先进的数控加工工艺提高加工质量。 热处理后弹性元件的精加工尽量不采用磨削加工。

弹性元件切削加工后在弹性元件表面形成变 质层，使其组织处于不稳定状态，随着时间的变 化内应力松弛，而导致尺寸变化，弹性和疲劳寿 命降低。弹性元件任何几何形状的改变，必然伴 随出现一定程度的非线性影响，将造成称重传感 器的非线性误差。

(二）弹性元件的形位误差对称重传感器品质 的影响

称重传感器一般设计成只受垂直方向的载荷， 而对侧向载荷不敏感，或把力矩和侧向载荷的影 响限制在规定的误差范围内。这样称重传感器的 输出仅仅取决于沿主轴或与主轴平行的载荷的大 小，这就要求弹性元件具有较高的尺寸精度和形 位精度，同时保证应变片粘贴位置的准确性和对 称性。实际上弹性元件的制造精度是有一定限度 的，总存在一定的尺寸、形位误差。所以，称重 传感器对迭加在主分量上的力矩和侧向载荷都是 敏感的，而侧向灵敏度的大小和方向不能预先知 道，且结构量程不同，灵敏度也不同。侧向灵敏 度与弹性元件的形位误差和应变片粘贴位置有关。 有试验证明，若有额定载荷5%侧向载荷存在，对 高精度的称重传感器，侧向灵敏度的影响会出现 满量程± 0.1%的误差；对于一般精度的称重传感 器，此误差可达± 0.6%。

(三）弹性元件的表面质量和硬度对称重传感 器品质的影响

通常称重传感器有两个承受载荷的接触面， 即引入载荷的接触面和传递载荷的接触面。对于 承受压向载荷的称重传感器，两个承受载荷的接 触面为弹性元件的上平面（有时设计成球励和 下底面。与称重传感器的上压头、下压垫接触的 面都影响载荷的引入与传递。一般要求上压头的 硬度小于弹性元件的硬度，但不能太低，因为压 头的硬度越低，弹性元件的表面粗糙度越大，在 较小的载荷下会产生较大的变形，会使合力的作 用点发生变化，从而引起称重传感器灵敏度的变 化。此外，英国物理实验室测力研究室，用环氧 树脂模型进行接触面粗糙度影响试验得出：接触 面表面粗糙度越小，载荷传递性能越好，输出就 越大。

四、制造工艺对称重传感器品质的影响

制造工艺是称重传感器生产过程中最活跃、 最积极的因素，是研究成果转化为商品的桥梁。 它不仅是基础的工艺技术，而且是称重传感器生 产过程中起核心作用的专业技术。称重传感器的 竞争，主要是制造技术、制造工艺的竞争，因此 它是企业的核心竞争技术。

称重传感器的通用制造工艺流程如下：

(1）电阻应变计准备：自然时效或人工老化处 理—外观检查—阻值测量—分组—清洗—电阻应 变计粘贴。

(2）弹性元件准备：冷热加工质量检查、刻写 号码—整体清洗—第一次稳定处理—应变区表面 打磨—表面清洗—电阻应变计粘贴。

(3）电阻应变计与弹性元件准备合并为如下工 艺流程：电阻应变计粘贴→安装夹具、施加压力—固化—后固化—外观、阻值、绝缘检查—电 阻应变计防潮处理—连线组桥—线性、滞后等性 能工序检测—各项电路补偿与调整—防护与密封处理—第二次稳定性处理—综合技术性能测试— 测试结果存档、产品入库。

在称重传感器的制造工艺过程中，每个环节 都必须重视。只有重视了工艺过程中的每个环节， 才能确保产品的性能和品质要求。一般情况下， 工艺过程中打磨、贴片、固化会直接影响称重传 感器的技术性能指标，即就是说，只要材料和结 构没有问题，产品的固有精度已经形成，只是没 有连接成惠斯通电桥进行测试而已。工艺过程中 对绝缘的检查、防护和密封处理等对称重传感器 品质稳定性起到关键性作用 。 关于测试和补偿方 面的重要性不言而喻，它主要与检测设备有关， 本文下一小节将详细阐述。

总之，制造工艺中的相关工序过程，可能对 产品性能起关键作用，也可能对产品长期稳定性 和寿命周期起关键作用，还可能是对两者同时起 到关键作用。明确问题后，将更有利于优化和完 善制造工艺，也会进一步提高称重传感器的性能 指标和品质稳定性。

五、检测设备对称重传感器品质的影响

在称重传感器的制造过程中，用于检定、校 准称重传感器的力标准装置称之为力标准机。力 标准机通常有四种类型：静重式、杠杆式、液压 式和叠加式。用于控制环境温度的装置称之为高 低温试验箱。在检测设备中还包括高精度数字万 用表，绝缘电阻测试仪，硬度计等。而在实际当 中，以力标准机和高低温试验箱最为关键。本文 也就主要针对这两种检测设备及检测方法对称重 传感器性能和品质的影响进行阐述。

力标准机在整个制造过程中，主要对称重传 感器的非线性、滞后、重复性、蠕变等性能指标 进行测试，同时完成对其灵敏度测试和补偿。产 品性能和品质的优劣，检测数据是直观的反应。 因此检测设备的准确度和长期稳定性就变得尤为 重要。要保证产品的性能和品质，先要确保力标 准机是否能达到要求，力标准机上所配的标准传 感器或砝码、标准负荷测试仪等都要达到测试精 度的要求外，测试方法以及受力位置和传力构建 是否满足要求也是至关重要的。建议称重传感器 的制造企业，除了第三方机构每年定期对力标准 机检定外，还要养成对公司内不同力标准机进行 比对测试或校准的习惯。重视力标准机的维护及 测试方法将会最大化的降低因检测设备对称重传 感器造成的质量隐患。

高低温试验箱是对称重传感器温度特性进行 测试时的关键设备，温度对称重传感器零点的影 响、 温度对称重传感器灵敏度的影响、 温度对称 重传感器非线性的影响等有关温度的性能指标是 通过该设备进行的。将高低温试验箱通过支架或 支架上的导轨推入力标准机中，以实现加载情况 下的测试。特别要强调的是，在整个测试过程中， 温度从20°C—-10^—50^—20^，一定要注意测 试砝码和产品本身出现结露的情况。建议高低温 试验箱必须密闭且带有除湿功能。对于小量程的 称重传感器在进行测试时也有杜绝高低温试验箱 在工作时产生振动造成的影响。综合概括即为：

(1)确保高低温试验箱的温度场均匀，且有充 分的时间保证称重传感器达到内外等温。

(2）要充分重视高低温试验箱的密封性，确保 在温度切换过程中结露对测试的影响降到最低点。

(3 ）整体式高低温试验箱工作时的振动对小量 程称重传感器的测试结果有很大的影响，务必对 其要重视。

高低温试验的测试数据是直接为后续补偿工 艺服务的，倘若不重视高低温测试设备和测试方 法，会对称重传感器的技术性能及品质留下严重 的隐患，而且在出厂时也是无法察觉。

六、结论

本文从称重传感器的弹性元件材料、 弹性元 件结构设计和机械加工、 制造工艺及检测设备四 个方面阐述了在称重传感器制造时的关键环节 这里需要强调的是，其实称重传感器制造过程中 每个环节都是必须依据严格的按照规程要求完成， 之所以称之为关键环节，实际上也是相对的，譬 如说：所有的环节都很重视，但电阻应变计本身 不符合要求或有质量瑕疵，也是无法生产出性能 优良、品质合格的称重传感器。

本文所阐述的关键环节是基于普遍情况下而 言，可能对于不同的制造企业又有不同的实际情 况，本文旨在通过汇总梳理，让大家在整体思路 上对其进行充分认识。实际上，只有集思广益、 不断总结，我们才会得到更加宝贵的经验，进而 为称重传感器制造技术的发展起到推动作用，也 有利于我国称重传感器制造技术跻身世界一流水平，推动我国衡器工业持续、健康的发展。