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計數計重電子臺案秤的穩定性問題的解決方案
計數計重電子臺案秤的穩定性問題的解決方案
中國運載火箭技術研究院di 702 研究所 劉九卿
【摘要】穩定性是電子臺案秤非常重要的質量指標，是市場競爭力的決定性 標志，也是我國與工業發達國家同類產品的主要差距。結合我國電子臺案秤研制、 生產總體情況和在應用中出現的問題，介紹了電子臺案秤自身穩定性和對環境條 件穩定性概念；討論了提高電子臺案秤穩定性的相關問題及系統性和隨機性因 素；提出了在生產過程中對核心部件鋁合金稱重傳感器的穩定處理工藝和對電子 臺案秤的溫度循環時效處理方法，兩者結合起來將是提高電子臺案秤穩定性的有 效途徑。
電子臺案秤的穩定性由自身的穩定性和對外部環境條件的穩定性組成，所以在研制生產過程中必須統一考慮，不得厚此失彼。提高電子臺案秤自身穩定性的有效途徑是合理設計秤體結構、優選原材料、元器件并進行嚴格的環境應力篩選。特別是要選擇好鋁合金稱重傳感器，要求進行嚴格的零點和靈敏度溫度補償，零點和靈敏度穩定性好。電子臺案秤對外部環境條件的穩定性，主要是對溫度變化的穩定性，特別是對高溫環境條件下的穩定性。由于鋁合金稱重傳感器和測量電路的溫度漂移分別占整秤溫度漂移的 65%和 35%，這就為解決整秤的溫度漂移問題指明了方向。國內外生產企業解決此問題的有效途徑是利用“有向補償”效應控制鋁合金稱重傳感器靈敏度溫度補償后的溫度漂移方向與測量電路的溫度漂移方向相反，使兩者相互抵消保證整秤的溫度系數小且穩定，同時優化電阻應變計和測量元器件的防護密封材料及工藝。對整秤實施 10 個高溫 45℃、低溫 0℃溫度循環的穩定性老化處理，使故障暴露在穩定性處理老化工藝過程中，并對其進行有效的處理，使電子臺案秤一到用戶手中即進入各項性能穩定工作時期。
【關鍵詞】電子臺案秤；稱重傳感器；準確度；穩定性；可靠性；穩定性處理
一、概述 我國電子臺案秤生產企業多、產量和出口量大、應用范圍廣，即涉及到廣大 消費者利益，又涉及到我國出口產品形象，是國家強制管理的法制計量器具和 3C 認證產品。其中電子臺案秤的準確度、穩定性和可靠性是廣大消費者和 經銷商zui關心的問題；也是我國與工業發達國家同類產品差距zui大的問題；更是 各生產企業需要下一番功夫才能實現的問題。其中穩定性和可靠性是基礎，沒有 穩定性和可靠性何談準確度。穩定性是指在一定時期內、相同條件下電子臺案秤 耐受環境條件變化影響的程度；可靠性是指在規定的使用條件下和一定的時間 內，電子臺案秤保持各項技術性能并穩定工作的能力，多以*工作時間或可 靠壽命來度量。兩者的共同點是如何能夠耐受各種可能遇到的環境條件作用，而 能穩定可靠的體現其技術性能指標，即對環境條件的適應性。因此須重視并了 解環境條件及其潛在影響，選擇能夠對&抗這些環境條件影響的設計方案和工藝措 施。按環境的性質和特征，一般環境條件分為客觀環境和感應環境。前者為周圍 的自然環境，后者是人為環境。電子臺案秤耐受的環境條件兩者兼而有之，主要 是環境溫度、濕度和各種干擾。 2001 年國家監督抽查 14 省市 25 個企業 15kg 電子計價秤 75 臺，合格 36 臺， 合格率 48&；2003 年國家監督抽查 9 省市 33 個企業生產的 33 種 15kg 電子計價 秤，合格 17 種，合格率 51.5&。兩次國家監督抽查因為稱重傳感器溫度性能指 2 標超差，而造成電子計價秤溫度試驗項目不符合標準規定分別占不合格產品的 54&和 56&。其中zui大誤差低溫－13.5g，常溫－11.5g，高溫－12.0g。可見稱重 傳感器的溫度性能對電子臺案秤的穩定性和可靠性的重要性，這也是長期以來生 產企業致力于解決的主要技術問題。其實質是電子臺案秤對外部條件的穩定性， 或者說是環境適應性，主要是對溫度、濕度變化和各種干擾的穩定性。根據處于 市場*地位的電子臺案秤制造企業的經驗，解決此問題的有*效方法是提 高鋁合金稱重傳感器的防護與密封技術和穩定性處理工藝水平，并對整秤進行溫 度循環的時效處理。
二、電子臺案秤用鋁合金稱重傳感器的穩定性 電子臺案秤用鋁合金稱重傳感器的穩定性是建立在比較精&確的靈敏度溫度 補償前提下，即通過靈敏度溫度補償消&除了彈性元件材料彈性模量 E、電阻應變 計靈敏系數 K 和彈性元件幾何尺寸隨溫度變化的影響。由于稱重傳感器的靈敏 度溫度誤差是一個系統誤差，靈敏度溫度補償不像零點溫度補償那樣逐個進行， 而是批量進行。在彈性元件材料、電阻應變計、應變粘接劑等都不變的前提下， 靈敏度溫度補償電阻和并聯的線性化調整電阻均不改變。實際上，批量的進行靈 敏度溫度補償并不可能使稱重傳感器的靈敏度溫度漂移為零，與*補償的理想 值之間總是存在一定的偏差。當此偏差為正時產生過補償，為負時產生欠補償。 過補償的結果使稱重傳感器隨著環境溫度的升高而輸出減少，導致高溫負差。這 就需要測量出電子臺案秤測量電路的溫度漂移方向，控制稱重傳感器靈敏度溫度 補償電阻量，使其產生與測量電路溫度漂移方向相反的溫度漂移量，即克服了批 量靈敏度溫度補償的缺陷，又提高了電子臺案秤的穩定性。 稱重傳感器的穩定性，就是在一定時間內和相同條件下其特性變化的程度， 主要是零點和靈敏度的變化程度，也可以說是零點和靈敏度的穩定性。 所謂零點穩定性，就是稱重傳感器在一定時間內和相同條件下，零點輸出的 zui大變化量。零點輸出穩定性 ZW 用&FS／三個月、&FS／六個月、&FS／年表 示，可用下式計算： 式中：Z2－在規定時間內零點輸出的zui大值； Z1－在規定時間內零點輸出的zui小值； ＝ 100％ 0 ´2 1 - Z Z Z Zb 3 Z0－零點輸出的標稱值。 所謂靈敏度穩定性，就是稱重傳感器在一定時間內和相同條件下，靈敏度的 zui大相對變化量。靈敏度穩定性 Sb 用％/三個月，％/六個月，％/年表示，可用 下式計算： 式中 ：S1 一前次試驗測得的靈敏度； S2 一本次試驗測得的靈敏度。 若每次測試時溫度無法保持相同，允許根據實測的靈敏度溫度系數進行計算 修正。稱重傳感器的穩定性是極為重要的質量指標，但在國內外生產企業的產品 樣本中卻很少給出。其原因是目前國內外尚無統一的評定標準，行業內的普遍共 識是稱重傳感器的靈敏度變化不應該超過重復性誤差的兩倍。 提高鋁合金稱重傳感器穩定性的有*效途徑是合理選擇鋁合金材料及熱處理 時效狀態；優化防護密封材料及密封工藝；實施有*效的穩定性處理工藝。
1．合理選擇鋁合金材料 由于電子臺案秤的量程較小，為使稱重傳感器即有較高的靈敏度又具有較大 的剛度，多采用比重小，Eρ 乘積小，屈強比高，比強度大，塑性好，耐腐蝕， 低溫性能好，并具有優良機械加工性能的低彈性模量鋁合金材料。盡管鋁合金材 料有如此多的優點，但如果對鋁合金種類和熱處理時效狀態選擇不當，會使稱重 傳感器蠕變誤差增大，穩定性變差。 國內外應用較多的是強度高，耐熱性好，屬于鋁－銅－鎂系的硬鋁合金，美 國、日本牌號為 2024，我國牌號為 2A12（原牌號 LY12），有兩種熱處理時效狀 態，即熱處理自然時效 2A12—T4 和熱處理人工時效 2A12—T6。由于 2A12 鋁合 金淬火后產生較大的內應力，其表層為拉應力，芯部為壓應力，經自然時效得不 到有*效的消&除，加工成彈性元件后，會因為應力松&弛而產生變形。自然時效狀態 的相和組織也不穩定，使用過程中會繼續進行沉淀相的脫溶過程，而引起尺寸變 化，造成稱重傳感器的零點和靈敏度不穩定，產生較大的測量誤差。因此須選 擇熱處理人工時效狀態的 2A12—T6 鋁合金。 由于國內市場銷售的多為熱處理自然時效狀態的 2A12—T4 鋁合金，應用前 須進行改變熱處理狀態的再時效處理，變自然時效狀態 T4 為人工時效狀態 T6。 ＝ 100％ 1 ´1 2 - S S S SL 4 改變時效狀態的再時效處理工藝為：190℃×24h 或連續升溫110℃、150℃、190℃ 保溫 6、12、24 小時（時間連續計算）。再時效處理，不僅改變了狀態、穩定了 組織，而且還達到了消&除熱處理和粗加工產生的殘余應力的目的。
2．優化防護密封材料及密封工藝 鋁合金稱重傳感器防護與密封的基礎是涂刷電阻應變計防護面膠，涂刷時機 與涂刷前的清洗至關重要。一般是在貼片、加壓固化、卸壓后固化、質量檢查、 粘貼端子、焊線組橋和測量絕緣電阻各工序質量檢查合格后進行。即將整體清洗 后的彈性元件盡快放入高溫試驗箱內，加溫 40℃并保溫一定時間，從箱內取出 彈性元件在干燥的環境條件下涂刷防護面膠［，其目的是防止電阻應變計在生產 過程中受潮，并為zui后的防護與密封打好基礎。用于電阻應變計保護涂層的材料 較多，具有代表性的是：美國 VISHAY 公司生產的 M-CoatC 型防護面膠，它是一 種溶劑稀釋的 RTV 硅橡膠，固化后形成堅韌而有彈性的透明薄膜，且有良好的機 械、電氣特性和防化學侵蝕性能，其涂層的薄膜厚度為 0.4～0.5mm；德國 HBM 公司生產的 SN-4 型氯丁橡膠和 BARRIER-C 型無腐蝕性硅橡膠。 在鋁合金稱重傳感器電路補償與調整工藝完成后，實施表面多層防護密封工 藝。其防護密封機理是利用多種防護與密封材料的特性和它們之間的互補性，組 成一個具有優良防護性能的表面密封結構。它由內層的防護膠粘劑，中層的密封 薄膜和外層的硅橡膠構成。靠近電阻應變計的內層防護膠粘劑主要起粘結密封薄 膜作用，外層硅橡膠起一定的密封和機械防護作用，真&正起密封作用的是密封薄 膜。在這類密封薄膜中有一種 PTFE 密封薄膜，實際上是雙面經過特殊處理的聚 四氟乙烯薄膜，它具有防濕熱、耐水解性能好，抗大氣老化和化學焤蝕能力強的 特點。有關資料給出，厚度為 0.1mm 的聚四氟乙烯薄膜在室外暴露六年多，其外 觀和機械性能等均無明顯變化。 3．實施有*效的穩定性處理工藝 鋁合金稱重傳感器的穩定性處理分兩次進行，di一次穩定性處理是在鋁合金 彈性元件機械加工后進行，di二次穩定性處理是在完成全部制造工藝形成產品后 進行。 根據美國 20 世紀 80 年代伯薩迪納傳感器技術研討會資料介紹，di一次穩定 性處理采用熱處理法，主要是恒溫時效法和冷熱循環法。恒溫時效即可消&除機械 5 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℃ 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。冷熱循環工藝為-196℃×4 小時/190℃×4 小時，循環 3 次，可使殘余應力下降 90％左右，并且組織結構穩定，微量塑性變形抗力高， 尺寸穩定性好。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。 di二次穩定性處理采用機械法，主要有脈動疲勞、超載靜壓和振動時效三種 方法。脈動疲勞法是將鋁合金稱重傳感器安裝在特制的多工位低頻疲勞試驗機 上，施加下限為(1/5～1/3)額定載荷，上限為額定載荷或 120％額定載荷，以每 秒 3～5 次的頻率進行 5000～10000 次的循環，可有*效的釋放彈性元件、電阻應 變計、應變粘結劑膠層的殘余應力。超載靜壓法是在的標準砝碼加載裝置中 或簡易機械螺旋加載設備上，對鋁合金稱重傳感器施加 125％額定載荷，保持 4～ 8 小時，或施加 110％額定載荷，保持 24 小時，以達到釋放殘余應力的目的。由 于超載靜壓工藝所用設備簡單，成本低，效果好，為鋁合金稱重傳感器制造企業 廣泛采用。振動時效法是將鋁合金稱重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。對于小量程平行梁稱重傳感器，在頻率 30Hz、振動加速度 10g 時，振 動 15 分鐘即可獲得較好的效果。共振時效比振動時效釋放殘余應力的效果更好。 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。以上三種穩定性處理方法，提高鋁合金稱重傳感器零點和 靈敏度穩定性的效果極為明顯。
三、電子臺案秤的穩定性 國內外電子臺案秤生產企業大量實&驗&證&明，即使是常溫技術性能符合標準要 求，各項誤差均比較小的電子臺案秤，在高溫＋40℃、低溫－0℃環境下，其誤 差值可能達到誤差線邊緣甚至出現超差。有的電子臺案秤在“&安*全過負荷”試驗 之前誤差較小，但在該項試驗之后誤差突然變大，甚至超過溫度誤差限。上述兩 種情況有一個共同的規律，就是低溫時輸出表現為正差，高溫時輸出表現為負差。 究其原因，除上述分析的鋁合金稱重傳感器靈敏度溫度補償不精細、零點和靈敏 度穩定性處理不充分或缺失外，組成電子臺案秤測量電路的電子元器件、模塊等 6 環境應力篩選不嚴格或未進行，來自于電源、功放、變壓器的熱源影響處理不當 等，都將引起電子臺案秤自身的溫度系數變化而產生溫度漂移，使穩定性變差。 根據國內電子臺案秤制造企業對實際檢測結果的統計分析得出，鋁合金稱重傳感 器和測量電路的溫度漂移分別占整秤溫度漂移的 65&和 35&。這就要求生產企業 在重&點解決鋁合金稱重傳感器穩定性的同時，也要努力解決測量電路的溫度漂移 和穩定性問題。 由于電子臺案秤的高溫環境要比低溫環境嚴酷，當外部環境溫度達到 40℃ 時，電子臺案秤內部測量電路的溫度已達到 47℃左右，鋁合金稱重傳感器部分 的溫度將達到 44℃。這就要求在電子臺案秤結構、測量電路設計和鋁合金稱重 傳感器選擇時，應以秤內可能達到的zui高溫度為依據。 為提高電子臺案秤的穩定性，保證工作時的計量準確度，須在其經過各項 制造工藝形成產品后，逐臺進行環境應力篩選。根據國外處于市場*地位企 業的經驗，主要采用兩種環境應力篩選方法：一種是溫度循環，也稱之為老化； 一種是隨機振動，即振動時效。由于電子臺案秤除物流運輸之外，基本都是處于 靜態使用狀態，而且不論鋁合金稱重傳感器還是測量電路受溫度變化的影響更大 一些。此外，再從經濟性和可行性上考慮，國內外生產企業多采用溫度循環方法 進行整秤的穩定性處理。
1．電子臺案秤溫度循環穩定性處理的工藝裝備 由于各生產企業的制造模式、批量大小、一次性溫度循環處理臺數都不盡相 同，市場上無標準設備供應，所有電子臺案秤生產企業都是自己設計建造溫度循 環處理老化室。歸納起來，溫度循環處理老化室應具備下列條件：滿足溫度循環 的高溫、低溫極限溫度要求，方便實現高低溫交變；能自動控制溫度，控溫誤差 ±2℃；由常溫到高溫的升溫速率為 15℃／h，由高溫到低溫的降溫速率為 10℃ ／h；老化室內應有電源和接地裝置，保證電子臺案秤實施通電老化；對溫度循 環全過程自動控制，即升溫速率、溫度保持時間、降溫速率、溫度保持時間自動 控制和自動轉換；人員方便進入和在內部進行各項試驗測量，在外部進行老化情 況觀察。
2．電子臺案秤溫度循環穩定性處理工藝 電子臺案秤溫度循環穩定性處理的主要參數有高溫和低溫的極限值；高溫和 7 低溫的停留（保持溫度）時間；由常溫到高溫和由高溫到低溫的升、降溫速率； 一個溫度循環時間；溫度循環次數。只有上述這些參數選擇的科學合理，才能取 得有*效的穩定性處理結果和合理的成本投入。 OIML R76《非自動秤通用檢定規程》規定“在秤技術說明中，沒有說明特定 的工作溫度，則秤應在下列溫度界限內保持其計量性能，－10℃～＋40℃”。GB ／T7722—2005 電子臺案秤國家標準規定使用溫度范圍為 0℃～＋40℃。根據我 國電子臺案秤多在室內使用，以及溫度老化條件應高于使用溫度條件這一原則， 溫度循環的上限值為＋45℃，下限值為 0℃。一個溫度循環時間和溫度循環次數 可參考日本大和制衡株式會社的電子計價秤老化工藝，即一次溫度循環的時間為 24 小時，其中，由常溫升溫至高溫的時間為 2 小時，高溫停留時間為 8 小時； 由高溫降溫到低溫的時間為 6 小時，低溫停留時間為 8 小時。一個溫度循環的穩 定性處理工藝的溫度與時間曲線如圖 1 所示。 圖 1 一個溫度循環穩定性處理溫度與時間曲線 從圖 1 可以看出，溫度循環穩定性處理室的溫度由常溫升至高溫 45℃，溫 度梯度較小，所用時間較短；由高溫 45℃降溫至低溫 0℃，溫度梯定較大，所用 時間較長。總之升溫、降溫的速率都不大，實現起來比較容易。 國內外電子儀器儀表制造企業產品的溫度老化處理，基本參照美國軍用標準 《電子設備環境應力篩選方法》，該標準的 5.12 條款規定：“為了消&除復雜電子 設備中大多數隱藏的制造缺陷，至少應進行 10 個熱循環。”日本大和制衡株式會 T（℃） 45 常溫 0 h 2 8 6 8 （小時） 升溫 高溫停留 降溫 低溫停留 8 社個的溫度循環穩定性處理工藝，也規定溫度循環次數為 10 次，即進行 10 天 10 夜的溫度循環穩定性處理。對 10 次高、低溫的溫度循環穩定性處理觀察、試 驗、測量結果統計表明，電子臺案秤的顯示、鍵盤、測量電路、電源電路、稱重 傳感器、A／D 電路等故障，在di 9、di 10 個溫度循環故障為零，即電子臺案秤 已趨于穩定；在di 7、di 8 個溫度循環出現的故障數只占總故障數的 5&；95&的 故障發生在di一至di 6 個溫度循環中，特別是di一和di二個溫度循環出現的故障 數zui多。以上溫度循環穩定性處理測量結果證明，采用 10 個溫度循環處理工藝 是科學合理的。 在 10 個溫度循環穩定性處理過程中，應根據電子臺案秤計量性能要求和本 企業制造工藝特點設定檢測項目，是在高溫和低溫停留期間結束前進行檢 測。對電子臺案秤出現的各種故障，應記錄清楚出現故障時的環境鼓勵情況。通 常溫度循環穩定性處理出現故障有兩種情況，其一是損壞，多為功能上問 題，由于承*高溫環境元器件性能時效，導致系統產生缺陷或不能工作；其 二是周期性變差，多為性能上問題，例如在高溫下產生漂移或工作異常，但回到 常溫又恢復正常。針對上述問題應制定具體的故障檢查程序和相應的故障排除方 法，是溫度循環穩定性處理至關重要的問題。由此不難得出，如果沒有合理有*效 的監測，就不能達到電子臺案秤溫度循環穩定性處理的目的。
四、結束語 電子臺案秤的穩定性由自身的穩定性和對外部環境條件的穩定性組成，所以 在研制生產過程中須統一考慮，不得厚此失彼。提高電子臺案秤自身穩定性的 有*效途徑是合理設計秤體結構、優選原材料、元器件并進行嚴格的環境應力篩選。 特別是要選擇好鋁合金稱重傳感器，要求進行嚴格的零點和靈敏度溫度補償，零 點和靈敏度穩定性好。電子臺案秤對外部環境條件的穩定性，主要是對溫度變化 的穩定性，特別是對高溫環境條件下的穩定性。由于鋁合金稱重傳感器和測量電 路的溫度漂移分別占整秤溫度漂移的 65&和 35&，這就為解決整秤的溫度漂移問 題指明了方向。國內外生產企業解決此問題的有*效途徑是利用“有向補償”效應 控制鋁合金稱重傳感器靈敏度溫度補償后的溫度漂移方向與測量電路的溫度漂 移方向相反，使兩者相互抵消保證整秤的溫度系數zui小且穩定，同時優化電阻應 變計和測量元器件的防護密封材料及工藝。對整秤實施 10 個高溫 45℃、低溫 0℃ 9 溫度循環的穩定性老化處理，使故障暴露在穩定性處理老化工藝過程中，并對其 進行有*效的處理，使電子臺案秤一到用戶手中即進入各項性能穩定工作時期。
計數計重電子臺案秤的穩定性問題的解決方案