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ENGLISH0755-88840386發(fā)布時間:2019-11-07 14:28:36 |來源:網絡轉載
1概述
測力傳感器的穩(wěn)定性對于各類電子試驗機和測力系統(tǒng)是至關重要的,它決定了整個產品和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。目前國內外對測力傳感器的穩(wěn)定性尚無統(tǒng)一的評定標準和測試方法,世界各國測力傳感器生產企業(yè)都承認穩(wěn)定性是測力傳感器的重要質量指標,但在產品樣品和使用明書中卻很少給出穩(wěn)定性指標。許多企業(yè)因測力傳感器是采用焊接密封抽真空充氮工藝,就注明防護密封等級為IP68;采用聚氨酯等灌封膠實施盲孔灌封,就注明防護密封等級為IP67,以此來提示用戶本測力傳感器可以較長時期工作。但業(yè)內人士有一個共同體會,即在目前條件下研制一個高準確度的測力傳感器并不困難,但研制一個長期穩(wěn)定性好的測力傳感器卻十分困難,小批量生產測力傳感器的質量尚可控制,大批量生產卻難以控制。測力傳感器的穩(wěn)定性分為三個時期,即初始穩(wěn)定期、穩(wěn)定期和疲勞不穩(wěn)定期。在初始不穩(wěn)定期內測力傳感器的性能波動較大,主要表現(xiàn)在零點和靈敏度的不穩(wěn)定。這是因為彈性元件經過毛坯鍛造、機械加工、熱處理、表畫處理、表面打磨、電阻應變計粘貼和加壓固化等工藝過程,在其內部和膠層之中產生殘余應力,隨著時間的增加殘余應力逐漸釋放,造成測力傳感器在使用早期性能不穩(wěn)定。一般都是在測力傳感器出廠前,通過各種技術措施與工藝手段模擬使用條件,進行各種穩(wěn)定性處理(也稱人工老煉試驗)使其在生產過程中基本渡過初始不穩(wěn)定期,把性能波動減至最小,流通到用戶組測力裝置調試時已進入穩(wěn)定工作時期。
2影響測力傳感器穩(wěn)定性的因素,影響測力傳感器穩(wěn)定性的因素較多,歸納起來主要有:
2.1測力傳感器的結構
測力傳感器的彈性元件、外殼、膜片及上壓頭、下壓墊的設計,都必須保證受載后在結構上不產生性能波動,或性能波動很小,為此在測力傳感器設計時,應盡量作到應變區(qū)受力單一,應力均勻一致;貼片部位最好為平面;在結構上保證具有一定的抗偏心載荷和側向載荷的能力;安裝力遠離應變區(qū),測量時應避免載荷支承點的位移。盡管測力傳感器屬于裝配制造產品,但為了保證具有最佳技術性能和長期穩(wěn)定性,盡可能將它設計成一個整體結構。
2.2彈性元件的金屬材料
彈性元件的金屬材料對測力傳感器的綜合性能和長期穩(wěn)定性起關鍵作用。應選擇強度極限和彈性極限高,彈性模量的時間、溫度穩(wěn)定性好,彈性滯后小,機械加工和熱處理產生的殘余應力小的材料。有資料表明:只要材料淬火后的塑性好,它在機械加工和熱處理后的殘余應力就小。還要特別重視彈性模量隨時間的穩(wěn)定性,要求在測力傳感器使用壽命期間內材料的彈性模具不發(fā)生變化。
2.3機械加工與熱處理工藝
彈性元件在機械加工過程中,由于表面變形的不均勻產生較大的殘余應力,切削用量越大,殘余應力就越大,磨削加工產生的殘余應力最大。
應制訂合理的加工工藝和規(guī)定適當的切削用量。彈性元件在熱處理過程中,由于冷卻溫度不均勻和金屬材料相變等原因,在芯部和表層產生方向不同的殘余應力,其芯部為拉應力,表層為壓應力。必須通過回火處理工藝,在其內部產生方向相反的應力,與殘余應力相互抵消,減少殘余應力的影響。
2.4電阻應變計與應變粘結劑
電阻應變計應具有最佳性能,要求靈敏系數穩(wěn)定性好,熱輸出小,機械滯后和蠕變小,應變量為1000×10—6時疲勞壽命可達108,電阻值偏差小,批次質量均一性好等。應變粘結劑應具有粘結強度大,抗剪強度高;彈性模量較大且穩(wěn)定;電絕緣性能好;具有與彈性元件相同或相近的熱膨脹系數;蠕變和滯后??;固化時膠層體積收縮小等。粘貼電阻應變計時一定要嚴格控制膠層厚度,因為粘結強度隨膠層厚度的增加而降低。這是由于薄的膠層需要更大的應力才能變形,不易產生流動和蠕變,界面上的內應力很小,產生氣泡和缺陷的幾率也比較小,應變傳遞性能好,只要防護密封合理就可達到較高的穩(wěn)定性水平。
2.5制造工藝流程
應變式測力傳感器的工作原理和總體結構決定了,在生產工藝流程中有些工序必須手工操作,人為的因素對測力傳感器的質量影響較大。因此必須制訂科學合理并可重復的制造工藝流程,并在其中增加電子計算機控制的自動化或半自動化工序,盡量減少人為因素對產品質量的影響。
2.6電路補償與調整
應變式測力傳感器屬于裝配制造,貼片組橋后就形成了產品,由于內部不可避免的產生一些缺陷和外界環(huán)境條件的影響,測力傳感器的某些性能指標達不到設計要求,因此必須進行各項電路補償與調整,提高測力傳感器本身的穩(wěn)定性和對外部環(huán)境條件的穩(wěn)定性。完善而精細的電路補償工藝,是提高測力傳感器穩(wěn)定性的重要環(huán)節(jié)。
2.7防護與密封
防護與密封是測力傳感器制造工藝流程中的要害工序,是測力傳感器耐受客觀環(huán)境和感應環(huán)境影響而能穩(wěn)定可靠工作的根本保障。如果防護密封不良,粘貼在彈性元件上的電阻應變計及應變粘結劑膠層,都會吸收空氣中的水分而產生增塑,造成粘結強度和剛度下降,引起零點漂移和輸出無規(guī)律變化,直至測力傳感器失效。因此有效的防護密封是測力傳感器長期穩(wěn)定工作的根本保證,否則將使各項工藝成果前功盡棄。
2.8穩(wěn)定性處理(人工老煉試驗)
提高測力傳感器的穩(wěn)定性除處理好上述各種因素的影響外,最重要的途徑就是采取各種技術措施和工藝手段,模擬使用條件進行有效的人工老練試驗,盡量多的釋放殘余應力使其性能波動減至最小。
3.測力傳感器的穩(wěn)定性處理工藝由于彈性元件在毛坯鍛造、機械加工、熱處理、表面打磨、電阻應變計粘貼和加壓固化等工藝過程中產生各種殘余應力,隨著時間和使用條件的變化不斷松弛釋放,而造成測力傳感器的性能波動,主要表現(xiàn)在零點和靈敏度不穩(wěn)定。為使測力傳感器在生產過程中渡過初始不穩(wěn)定期,采用工藝手段模擬各種使用條件進行試驗,使其盡快穩(wěn)定的工藝稱為穩(wěn)定性處理,也稱人工老煉試驗。測力傳感器釋放殘余應力的穩(wěn)定性處理方法,除制造工藝流程中常用的溫度老化和電老化處理外,主要有兩種方法,即熱處理法和機械法。
3.1熱處理法
多應用于鋁合金測力傳感器,在毛坯加工成彈性元件后進行,主要有反淬火法、冷熱循環(huán)法和恒溫時效法。
(1)反淬火法
國內也稱深冷急熱法。將鋁合金彈性元件置于一196~E的液氮中,保溫12小時后,迅速用新生的高速蒸汽噴射或放入沸水之中。因深冷與急熱產生的應力方向相反而相互抵消,達到釋放殘余應力的目的。試驗表明,采用液氮——高速蒸汽法可降低殘余應力84%,采用液氮——沸水法可降低殘余應力50%。
(2)冷熱循環(huán)法
冷熱循環(huán)穩(wěn)定性處理工藝為一196~C×4小時/190~C×4小時,循環(huán)3次,可使殘余應力下降90%左右,并且組織結構穩(wěn)定,微量塑性變形抗力高,尺寸穩(wěn)定性好。釋放殘余應力的效果如此明顯,一是因為加熱時原子熱運動能量增加,點陣畸變減小或消失,內應力下降,上限溫度越高,原子熱運動越大塑性越好,越有利于殘余應力釋放。二是因為冷熱溫度梯度產生的熱應力與殘余應力相互作用,使其重新分布而獲得殘余應力下降的效果。
(3)恒溫時效法
恒溫時效即可消除機械加工產生的殘余應力,又能消除熱處理引入的殘余應力。LY12硬鋁合金在200~C高溫下恒溫時效時,殘余應力釋放與時效時間關系表明,保溫24小時,可使殘余應力下降50%左右。
3.2機械法
機械法穩(wěn)定性處理,多在測力傳感器電路補償與調整和防護密封后,基本形成產品時進行。主要工藝有脈動疲勞法、超載靜壓法和振動時效法。’
(1)脈動疲勞法
將測力傳感器安裝在低頻疲勞試驗機上,施加下限為(1,5~113)額定載荷,上限為額定載荷或120%額定載荷,以每秒35次的頻率進行500010000次的循環(huán)??捎行У尼尫艔椥栽?、電阻應變計、應變粘結劑膠層的殘余應力,提高零點和靈敏度穩(wěn)定性的效果極為明顯。
理論上適用于各種量程,但在實際生產中以鋁合金小量程測力傳感器應用較多。其工藝是:在專用的標準砝碼加載裝置中或簡易的機械螺旋加載設備上,對測力傳感器施加125%額定載荷,保持48小時,或施加110%額定載荷,保持24小時,兩種工藝都可以達到釋放殘余應力,提高零點和靈敏度穩(wěn)定性的目的。由于超載靜壓工藝所用設備簡單,成本低,效果好,為鋁合金測力傳感器制造企業(yè)廣泛采用。
將測力傳感器安裝在額定正弦推力滿足振動時效要求的振動臺上,根據稱重傳感器的額定量程估算頻率,來決定施加的振動載荷、工作頻率和振動時間。共振時效比振動時效釋放殘余應力的效果更好,但必須測量出測力傳感器的固有頻率。振動時效和共振時效工藝的特點是:能耗低,周期短,效果好,不損壞彈性元件表面,而且操作簡單。振動時效的機理,目前尚無定論。國外專家提出的理論和觀點有:塑性變形理論、疲勞理論、晶格錯位滑移理論、能量觀點及材料力學觀點等。只是作出了不同程度的解釋,但都沒有充分的、有說服力的、權威性的試驗證明。這些理論和觀點往往是相互交叉的,所以可認為振動時效的機理是一個復雜的過程。經過振動時效的試驗研究,有些專家傾向于用材料力學的重復應力過載的觀點,解釋振動時效的機理。即作用在彈性元件上的振動應力與其內部的殘余應力相互作用,使殘余應力松弛并釋放。
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