应变式称重传感器(以下简称为称重传感器)是知识密集型、技术密集型和技巧密集型的高技术产品,具有多样性、边缘性、综合性和技艺性等特点,需要多学科、多技术和多种制造工艺配合。
按其外界信息和变换效应它属于物理型传感器类别中的物性型传感器,是利用物质定律—虎克定律构成的。该定律是表示金属材料客观性质的法则,即σ=Eε 。任何称重传感器****重要的机械部分通常是弹性元件,其功能是对作用载荷的反作用,同时把载荷的作用集中于一个*的、尽量是均匀的应变场内,便于电阻应变计测量。
称重传感器的基本特性与构成其弹性元件金属材料的性能密不可分,即利用金属材料的固有特性通过应变转换元件电阻应变计来实现对重量信息的检测。所以,称重传感器的设计主要是弹性元件的结构设计和材料选择,使弹性元件性能与金属材料性能合为一体。
称重传感器的摩擦分为外部摩擦和内部摩擦两大类:外部摩擦是指弹性元件上承载面与压头,下端面与承压垫或基础之间的摩擦;内部摩擦是指弹性元件局部应力集中,造成晶格之间位错所产生的摩擦。
两种摩擦均使滞后和非线性误差显著增加,因此应进行无摩擦设计:
(1)弹性元件下端面为平面时,或选用低摩擦系数的材料作下压垫;或选用固定式三滚珠压垫;或选用由两组相互垂直交叉的滚柱组成的自由底座。
(2)上压头、下压垫采用无摩擦设计(如球面结构),使加载、承载为点接触(实为接触圆)。
(3)大量程的整体三柱、四柱结构可以加大承载部位球面半径,降低在大载荷和冲击载荷下承载球头的变形程度,减小摩擦影响****称重传感器的静态和动态应用特性。
(4)尽量选用整体式结构,使弹性元件与支承无接触问题,扭矩传感器,如S型,整体剪切梁型等。
(5)采用柔性隔离方法,即用铰接方法把弹性元件和承载底座联接起来,利用铰接不传递力矩这一力学特性,将摩擦面与弹性元件隔离。
(6)正确设计称重传感器的加载方式,拉压力传感器,是保证衡器在使用期限内“承载器受力分配系数”恒定不变的关键。
(7)弹性元件需要设计保护外壳时,应尽量减少组件、连接件、紧固件数量,把非整体状态外壳的紧固、摩擦、接触影响减至****较小。
(8)合理的应力分布。应力水平过高,将引起弹性元件晶格之间相对位移,产生内部摩擦,微型压式传感器,因此应力水平应控制在弹性****限的1/3左右。
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,自动控制力传感器,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*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,它应属于不可持续性的工作器件,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,****称重传感器的故有可靠性。