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应变式称重传感器的可靠性设计-弹性元件的可靠性设计

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。

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很小。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；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，载荷引入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，但为了获得较好的性能和保证它能稳定可靠的工作，机器人力传感器，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。

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称重传感器的故障分类详解

1.电桥电路故障

称重传感器电桥电路中的每个元器件都按其功能发挥作用，这些元器件工作特性的任何细微变化都将引起电桥输出信号变化而产生测量误差。同样电桥电路中的零点温度补偿、零点输出调整、非线性补偿、灵敏度温度补偿、灵敏度标准化调整和输入、输出电阻标准化调整等电路故障或补偿电阻变化，也将直接影响称重传感器的称量准确度和工作可靠性。

2、转换元件故障

称重传感器应变电阻转换元件故障，即电阻应变计、焊线端子、应变胶粘剂固化与后固化故障。电阻应变计的工作原理与制造工艺决定了它必然产生缺陷，应用于称重传感器时，如果制造工艺缺乏科学性、合理性，就会埋下故障隐患。

3、技术性能故障

称重传感器的质量评定方法，是建立总误差带的质量评定概念，以分度数表示准确度分类，允许误差包括由非线性、滞后误差和温度对输出灵敏度的影响。准确度等级考核的主要质量指标，对于C级和D级称重传感器，主要是称重传感器误差（EL）、重复性误差(ER)、温度对静载荷输出的影响(CM)、称重传感器蠕变误差（CC）、静载荷输出恢复值(CMDLOR）等。

4、防护与密封故障

防护与密封是称重传感器生产工艺流程中的要害工序，防护与密封不良埋下故障隐患，将彻底丧失所有工序的工艺成果。特别是采用表面密封和盲孔灌封的称重传感器，由于密封材料选择或配制不当，耐湿性和耐老化能力下降，使防护与密封剂胶层吸收空气中和水份而膨胀增塑，造成电阻应变计及应变胶粘剂的粘结强度和刚度急剧降低，圆板式传感器，引起绝缘电阻下降、零点漂移等多种故障。

5、总体结构与附件故障

总体结构与附件故障主要表现在总体结构设计不够合理，弹性元件应变区外还有应力集中处，埋下性能波动隐患。弹性元件金属材料选择只追求经济性忽视功能性，是引发此类故障的重要原因。

圆柱式弹性元件在承受压向载荷时，截面积增加，使刚度和弹性模量均稍稍增大，输出小于线性值，机器人手爪力传感器，呈递减的抛物线；在承受拉向载荷时，截面积减少，使刚度和弹性模量均稍稍减小，输出大于线性值，呈递增的抛物线，两者均产生较大的非线性误差。

轴向应变每变化100με时，截面积变化引起的非线性误差为0.003％。剪切式和平行梁式称重传感器，在承受拉伸和压缩载荷时，弹性元件的容积是相等的，即应变区截面积不发生变化，因此固有线性好。可推导出圆柱、圆筒式称重传感器因截面积变化引起的非线性误差△1=±0.56ε。为使圆柱、圆筒式称重传感器具有较高的准确度等级，必须进行非线性补偿。

圆柱、圆筒式称重传感器弹性元件应变区利用的是轴向和径向应变，由于泊松比μ的影响，轴向与径向应变相差很大，为了提高输出灵敏度S，必须加大轴向应变ε，而增大ε必然使P－ε函数中产生非常量因子，因此加大了非线性误差。正如美国Vishay公司《测量集团技术评论》 第TN－507号“电桥非线性所引起的误差”一文指出“此误差乃是电桥内某一桥臂电阻的变化与相邻桥臂电阻的反向变化不匹配所引起的，手机传感器，即圆柱式弹性元件的泊松比效应。圆柱式弹性元件的轴向应变每变化100με时，电桥的非线性约为0.007%”。可推导出的圆柱、圆筒式称重传感器因泊松比效应引起的非线性误差△2=0.72ε。

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