应变式称重传感器设计与制造的若干问题.ppt

应变式称重传感器 设计与制造的若干问题 中国运载火箭技术研究院第七0二所 刘九卿 一、概述 1.传感器技术发展趋势 传感器技术的最大特点是不断引入多学科的新技术 和现代制造技术发展新功能，研制新产品。 随着电子、微机电系统（MEMS）、计算机技术的 发展，以及人类对自然变化认知的深入，传感器技 术已进入由传统向新型突破的关键阶段。 未来传感器技术的发展将呈现出微型化、数字化、 多功能化、智能化和网络化的趋势。 汽车行业将是传感器最大的应用市场，其电子化、 智能化的发展趋势，需要大量的各类传感器。 传感网络将成为继计算机、通信网络之后信息产业 的第三次浪潮。物联网实质就是传感网，需要大量 传感器； 今后各大传感器制造企业，在市场上的竞争重点将 是提升传感器的技术含量，提高传感器的准确度、 稳定性和可靠性。 应变式称重传感器的技术发展，完全符合这些技术 发展和市场竞争规律。 2.称重传感器技术发展问题 ? 我国称重传感器制造企业总体技术与工艺水平，研制 出较高准确度的称重传感器并非难事，但是研制出较 高稳定性的称重传感器并非易事。 ? 在认证被批准和取得生产许可证后，也不具备充分条件，确保生产的称重传感器始终如一的符合国家标准，因为样件是在认证和取证的强制条件下生产的。 ? 在批量生产条件下，不能保证总有必要的工艺装备、检测手段和严格纪律来重现样件的生产条件，所以很难做到连续生产出质量一贯符合要求的产品。 处于国际市场引导地位的称重传感器制造企业的经 验值得借鉴，这就是：必须以合理的弹性元件结构 和优良的金属材料为基础，以可重复的精密而科学 的生产工艺规程作保障。 ? 这些企业认为称重传感器的性能随着下面三个关键 因素而变化：设计、制造、检定。因此他们一贯重 视设计技术、制造技术和检测技术的研究与应用。 ? 上述三个因素与我们总结的“结构是基础、材料是关 键、工艺是核心、检测是保障”四个环节基本相同。 3.关键的设计与工艺问题 弹性元件结构最合理，包括材料具有最高的稳定性 和最低限度的滞后； 电阻应变计应具有最佳的工作特性和与弹性元件最 好的匹配性； 优良的且可控制的应变胶粘剂； 可重复的精密而科学的生产工艺流程； 高精确度的试验、检测装备； 有效的质量控制程序，保障制程稳定 ； 用于恶劣的环境条件和生产过程控制元件时，要求 环境适应性强，可靠性高，故障率低。 4.环境适应性问题 称重传感器用于比较恶劣的环境条件时，更要求 它的环境适应性强，可靠性高，故障率低。环境适应 性主要是 ： 耐气候因素——温度、湿度、压力等的影响； 电磁因素——电磁场或电磁辐射的干扰； 特殊介质因素——盐水、化学腐蚀性气体、核辐射等 影响的耐受能力。 例如德国对申请样机试验的新型称重传感器，要 求对零件的耐磨性、老化及对干扰的敏感性进行试验 和计量，保证称重传感器的计量性能不受电磁场、静 电力、振动、气候条件、机械磨损等干扰量的影响。 5.称重传感器的长期稳定性问题 长期稳定性应包括老化、疲劳和环境三个因素。 “老化”即时间影响； “疲劳”是指把时间影响模拟为固定次数的称重过程或 固定小时的工作量（PTB规定用最大或至少1／2秤 量加荷20万次，实际上是一种持久试验）； “环境因素”是把时间模拟为长期温度、湿度变化的影 响，通过可靠性试验，包括寿命试验和环境试验， 对其环境适应性进行验证。 PTB规定对无密封“开放”型称重传感器要进行温 度、湿度试验，因为其零点和特性随温度、湿度的 变化较大。 二、弹性元件的结构设计 为了维护线性的和重复的应变——载荷关系，弹性元件应该是一个整体结构，因为各连接件之间的位移都可以引起非线性和离散性。 连接、摩擦接触、紧固或任何非整体状态都成为潜在的问题，所以压头、压垫、外壳等设计应与弹性元件匹配。 弹性元件应有足够的热转换以防止电阻应变计自热，如果其温度比弹性元件高，那怕只差0.1℃，就可能难以达到稳定的性能。 在电阻应变计和补偿电阻面积上的任何温度梯度，都能引起零点温度漂移或标定结果的变化。 设计较高准确度级别的称重传感器时，应引入微观屈服强度概念。 微观屈服强度定义：产生一个微应变（1με）永久变形所要求的应力（它比σ0.2约小3倍）。 微观屈服强度意义：表明所设计的精密弹性元件，其永久变形可能