关键词：L/C和GAGE寿命 GAGE缺陷 疲劳筛选 加压次数 减小滞后
一. 前言
称重传感器Load cell （L/C）10万次以上的加卸载疲劳试验，不仅能检验L/C和应变计STRAIN GAGE的预期使用寿命；还可以把各种有缺陷的GAGE贴在弹性体上或等应变梁上做疲劳试验或超载疲劳试验，以便检验各种缺陷对GAGE和L/C的使用可能产生的影响，从而使这些检验规范有更充分的实践基础。在超载加压的疲劳试验中，L/C的性能参数会发生改变，有些参数还有变好的趋势。因此超载疲劳试验也可作为改善L/C性能的一项辅助手段，现在就来看一看超载加压对L/C参数的影响情况。
二. 试验数据1
我们把成品L/C分为五组，每组5只，用120%FS的重量分别加压7000次、1.4万次、2.1万次、2.8万次和3.5万次后测试，数据见下表。但由于五组L/C的初始条件不同，所以我们采用了取其增量△进行比较的方法。
数据表1：L/C参数随疲劳加压次数和时间的变化表
|
A组
|
上胶前 2/14
|
成品后 2/23
|
成品压7000次后10天 4/16
|
|
蠕 变
|
线性
|
重复性
|
滞后
|
蠕 变
|
线性
|
重复性
|
滞后
|
蠕 变
|
线性
|
重复性
|
滞后
|
|
244251
|
176
|
92
|
56
|
72
|
-36
|
92
|
-42
|
48
|
52
|
-21
|
298
|
216
|
60
|
72
|
-46
|
|
244252
|
296
|
50
|
142
|
252
|
-128
|
20
|
-108
|
187
|
247
|
227
|
386
|
168
|
158
|
232
|
-119
|
|
244263
|
178
|
70
|
54
|
104
|
-40
|
80
|
-30
|
54
|
94
|
-30
|
188
|
138
|
52
|
60
|
-40
|
|
244255
|
204
|
102
|
56
|
71
|
-36
|
20
|
-30
|
-60
|
41
|
46
|
286
|
194
|
62
|
71
|
-41
|
|
244257
|
200
|
70
|
78
|
55
|
-25
|
-10
|
-110
|
-38
|
25
|
45
|
250
|
230
|
72
|
115
|
-85
|
|
平均值
|
211
|
77
|
67
|
111
|
-53
|
40
|
-64
|
76
|
92
|
74
|
282
|
189
|
81
|
110
|
-66
|
|
Δ
|
|
|
|
|
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
242
|
253
|
5
|
18
|
-8
|
|
B组
|
上胶前 2/14
|
成品后 2/23
|
成品压1.4万次后10天 4/16
|
|
蠕 变
|
线性
|
重复性
|
滞后
|
蠕 变
|
线性
|
重复性
|
滞后
|
蠕 变
|
线性
|
重复性
|
滞后
|
|
244250
|
172
|
82
|
-54
|
25
|
-15
|
-20
|
-72
|
-72
|
97
|
76
|
244
|
122
|
-62
|
61
|
-30
|
|
244253
|
150
|
102
|
-70
|
37
|
-14
|
-18
|
-56
|
-66
|
98
|
75
|
214
|
140
|
62
|
51
|
-47
|
|
244264
|
158
|
68
|
64
|
79
|
-34
|
-10
|
-108
|
-52
|
30
|
59
|
206
|
118
|
-52
|
74
|
-44
|
|
244256
|
176
|
50
|
78
|
88
|
-69
|
-40
|
-98
|
-38
|
39
|
49
|
216
|
108
|
-52
|
113
|
-98
|
|
244258
|
200
|
130
|
-36
|
50
|
-20
|
-20
|
-60
|
-52
|
90
|
55
|
290
|
180
|
70
|
95
|
-65
|
|
平均值
|
171
|
86
|
-60
|
56
|
-30
|
-22
|
-79
|
-56
|
71
|
63
|
234
|
134
|
-60
|
79
|
-57
|
|
Δ
|
|
|
|
|
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
256
|
213
|
-4
|
8
|
-6
|
|
|
|
C组
|
上胶前 2/14
|
成品后 2/23
|
成品压2.1万次后10天 4/16
|
|
蠕 变
|
线性
|
重复性
|
滞后
|
蠕 变
|
线性
|
重复性
|
滞后
|
蠕 变
|
线性
|
重复性
|
滞后
|
|
244249
|
166
|
98
|
-58
|
54
|
29
|
-118
|
-128
|
-60
|
83
|
108
|
226
|
118
|
-60
|
49
|
-20
|
|
244260
|
-62
|
-124
|
|
|
|
-82
|
-154
|
-88
|
46
|
97
|
92
|
42
|
-76
|
31
|
56
|
|
244261
|
-88
|
-174
|
|
|
|
-106
|
-136
|
-98
|
34
|
131
|
-10
|
-20
|
-68
|
49
|
68
|
|
244266
|
124
|
20
|
-76
|
67
|
43
|
-116
|
-124
|
-72
|
34
|
82
|
172
|
154
|
-50
|
38
|
-29
|
|
244267
|
114
|
20
|
-62
|
52
|
57
|
-72
|
-146
|
-76
|
21
|
88
|
176
|
124
|
-44
|
47
|
47
|
|
平均值
|
51
|
-32
|
-65
|
58
|
43
|
-99
|
-138
|
-79
|
44
|
101
|
131
|
84
|
-60
|
43
|
44
|
|
Δ
|
|
|
|
|
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
230
|
222
|
-19
|
-1
|
-57
|
|
D组
|
上胶前 2/14
|
成品后 2/23
|
成品压2.8万次后10天 4/16
|
|
蠕 变
|
线性
|
重复性
|
滞后
|
蠕 变
|
线性
|
重复性
|
滞后
|
蠕 变
|
线性
|
重复性
|
滞后
|
|
244259
|
-178
|
-242
|
|
|
|
-252
|
-252
|
-96
|
26
|
121
|
-64
|
-84
|
-96
|
74
|
74
|
|
244262
|
-142
|
-194
|
|
|
|
-152
|
-162
|
-116
|
36
|
152
|
-30
|
-30
|
-78
|
41
|
91
|
|
244265
|
20
|
10
|
-66
|
44
|
59
|
-238
|
-228
|
-106
|
143
|
148
|
50
|
30
|
-66
|
30
|
59
|
|
244268
|
40
|
30
|
-74
|
55
|
55
|
-142
|
-142
|
-86
|
76
|
106
|
110
|
110
|
-66
|
45
|
40
|
|
244254
|
114
|
38
|
-54
|
52
|
-24
|
-122
|
-142
|
-51
|
24
|
47
|
152
|
94
|
-58
|
57
|
-33
|
|
平均值
|
-29
|
-72
|
-65
|
50
|
46
|
-181
|
-185
|
-91
|
61
|
115
|
44
|
24
|
-73
|
49
|
59
|
|
Δ
|
|
|
|
|
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
225
|
209
|
-18
|
-12
|
-56
|
|
E组
|
上胶前 2/14
|
成品后 2/23
|
成品压3.5万次后10天 4/16
|
|
蠕 变
|
线性
|
重复性
|
滞后
|
蠕 变
|
线性
|
重复性
|
滞后
|
蠕 变
|
线性
|
重复性
|
滞后
|
|
244244
|
-664
|
-602
|
|
|
|
-518
|
-370
|
-173
|
40
|
148
|
-116
|
-170
|
-140
|
79
|
137
|
|
244245
|
-536
|
-504
|
|
|
|
-246
|
-312
|
-256
|
121
|
106
|
-32
|
-140
|
-276
|
177
|
91
|
|
244246
|
-720
|
-698
|
|
|
|
-402
|
-414
|
-170
|
71
|
170
|
-190
|
-158
|
-166
|
101
|
164
|
|
244247
|
-794
|
-740
|
|
|
|
-360
|
-458
|
-162
|
24
|
153
|
-174
|
-272
|
-148
|
33
|
131
|
|
244248
|
104
|
-76
|
|
|
|
-94
|
-198
|
-84
|
19
|
118
|
-72
|
-114
|
-76
|
52
|
104
|
|
平均值
|
-606
|
-524
|
-72
|
85
|
75
|
-324
|
-350
|
-169
|
55
|
139
|
-117
|
-171
|
-161
|
88
|
125
|
|
Δ
|
|
|
|
|
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
207
|
179
|
-8
|
33
|
-14
|
三、数据1的分析
由数据表1可以看出，对于成品，加压7000次以后，再加压到1.4万次、2.1万次、2.8万次和3.5万次，每加压7000次后，所测得的值与未加压时所测得的值之间的差值的变化。由数据表一的数据经过整理之后画成曲线图一。由曲线图一可以看到，经过加压后，不管加压的次数如何，在压后L/C的蠕变、零漂等均会有大幅度增加，而滞后会有所下降，非线性误差和重复性则有升有降。下面做具体的分析。
1、蠕变和零漂
在L/C加压以后，蠕变和零漂都往正的方向增大。压0.7万次后蠕变大约往正的方向增大250ppm；压0.7~2.8万次之间对蠕变的影响差不多，即近似在一条水平线上下波动；当压到3.5万次后会稍有减小，但仍然比成品L/C未压前增大了约207 ppm，见图一。零漂的变化曲线和蠕变很相似，只是波动范围稍小一些。
2、滞后
我们希望通过疲劳加压来减小滞后以提高L/C的精度。疲劳加压0.7~1.4万次时，滞后只减小6~8 ppm，此后还会逐渐增大一些。而当加压2.1~2.8万次时，滞后会比未加压时减小56 ppm左右，再自然存放二、三个月之后，滞后的改善还很有效。当加压次数增加到3.5万次时，滞后反而会有少量反弹，再自然存放一段时间之后，滞后的改善也不大。
3、非线性误差
疲劳加压0.7万次时，非线性误差比未压前增大约5 ppm；加压1.4万次时，比未压前减小4ppm；加压2.1~2.8万次时，线性误差会比未压前减小19 ppm左右；当加压次数增加到3.5万次时，线性误差只比未压前减小8 ppm，即有小量反弹。
4、重复性
加压次数为0.7~2.8万次时，重复性的增量从正到负会有十几ppm的起伏；加压到3.5万次时，重复性会有所反弹，即比未压前增大33 ppm。
四. 初步结论
疲劳加压的目的是希望通过超载加压来减小滞后、重复性和线性误差，当压力为120%FS加压2.1万次后，滞后会减小57 ppm，重复性减小1 ppm，线性误差减小19 ppm。当加压次数为2.8万次后，滞后减小56 ppm，重复性减小12 ppm，线性减小18 ppm。如单纯对比这三项参数来考虑，我们会选择疲劳加压2.8万次作为有效的筛选手段。但是再考虑到相接近的效果要更省时省力，以及筛选手段要留有一定余地，以便必要时还可以增加疲劳加压次数来调节筛选效果。这样我们就会选择120%FS的2.1万次加压作为标准的疲劳筛选手段。
五. 试验数据2
我们对这些进行过超载疲劳加压的传感器进行了参数跟踪测试，看看这种筛选手段对L/C是不是破坏性的。经过疲劳筛选后的L/C参数能否稳定。
跟踪测试的数据见表二（略），表二的数据经过整理以后分别按照蠕变、零漂、线性、重复性和滞后随时间的变化列成数据表并画成曲线，而以加压次数的多少作为参变量。每种加压次数画一条5只L/C平均值的变化曲线，共得出5组曲线族，分别为图二～图六。每个曲线族中都包含5条曲线，它们分别表示加120%FS的力压0.7万次~3.5万次之间的疲劳加压之后5只L/C参数平均值的变化情况。
六、数据表2的分析
1、蠕变
蠕变随时间的变化见图2，从4月6日加压后，4月16日第一次测试，到6月15日第三次测试的2个月内，蠕变都是波动上升（向正的方向增大）。
其中：A组（压0.7万次）平均增大了73 ppm；
B组（压1.4万次）平均增大了半部128 ppm；
C组（压2.1万次）平均增大了124 ppm；
D组（压2.8万次）平均增大了132 ppm；
E组（压3.5万次）平均增大了108 ppm。
在疲劳加压2个月之后进入稳定期，从6月15日~7月6日的21天中，A组~D组都基本不变或略有下降，只有E组（压3.5万次）是仍然上升。相对其他四组来说，就是反常的，从7月6日以后又进入向下的波动期。
2、零漂
零点漂移的变化见图三，零漂的变化和蠕变很相似，即疲劳加压后2个月内是波动上升期，2个月之后波动减小（即上升趋缓），从7月6日（即加压3个月）之后，零漂进入波动下降期，只是零漂的变化数值比蠕变稍小一些（也在100 ppm左右），类似于蠕变。在疲劳加压3.5万次的E组出现了和其他组曲线的明显的差异。
3、非线性失真
非线性失真随时间的变化曲线见图4，大致变化规律也是在压后的3个月之内属于下降（或上升）期，之后进入相反的上升（或下降）期。其中加压2.1万次和2.8万次的C组和D组非线性失真可减小20~40 ppm，而A组和B组加压次数少，线性会增大（B组）或稍减小（A组），但都不是我们所期望的。压3.5万次的E组线性会增大很多，是我们不希望要的反常的类型。
4、重复性
重复性随时间的变化见图5，它的变化也是波动性的，只有C组和D组的变化对我们有利，其他的都不利。E组的曲线也和其他组差异很大。
5、滞后
滞后随时间的变化见图6，这些变化也是波动的。我们所期望的是通过疲劳加压来减小滞后，从曲线看，D组（压2.8万次）最好。加压后能使滞后下降50~70 ppm；C组次之，压2.1万次之后也能使L/C的滞后减小50~60 ppm。加压次数少了，滞后下降较少，作用不大。加压3.5万次的E组仍然和其他组差异较大。
七. 结论
疲劳加压筛选不仅能使传感器的参数稳定（减少波动的幅度），更主要的是它能使L/C的滞后减小50~60 ppm（或者更多）。我们对加压后的L/C进行了四个多月的跟踪测试，只要加压力度控制在120%FS加压2.1~2.8万次以内，就没有发现对L/C有任何的破坏作用。由于疲劳加压后蠕变会增大100~120 ppm，建议凡是要进行疲劳加压的L/C，应该选择GAGE预留-150 ppm的余量。如果要考虑弹性体的高温存贮和L/C的高温电老化，则应选择GAGE在成品时的蠕变为-250 ppm左右。这可以作为L/C的一项有效的筛选手段，特别是对于1/10000以上精度传感器尤为有效。建议标准的筛选工艺为加压120FS%，共进行2.5万次疲劳加压。顺便提一句，我们关于对L/C进行疲劳筛选和高温电老化以及对弹性体的高温存贮的设想和刘九卿先生的关于称重传感器可靠性设计与控制的想法是不谋而合的，见[1]。但从我们的试验数据来看加压10000次，还未达到最佳加压次数,当然他是泛指,我是对特定的L/C,这也有差异.
八. 疲劳试验机简介
疲劳试验机是我们自己设计制造的，最初只有一根悬臂梁。其上有四个可以悬挂砝码的位置。后来为了提高效率改成了有2根悬臂梁，可以同时工作，可有8个悬挂砝码的工位，下图为其示意图。
调速马达1的转速在20-1200转/分可调，通过皮带2带动主轴3旋转，主轴上的两个凸轮4分别控制两根悬臂梁抬起或降下，悬臂梁5上的悬挂点6上悬挂的砝码就可以对其下方放置的L/C或贴有GAGE的等应变梁施加重力。主轴上装有电子计数器，每转一圈记一次数，可以清零，也可累加。这套装置可以同时对几只L/C进行不同应力大小的疲劳加载试验，使用起来很方便。由于两根悬臂梁相对凸轮的位置一个向上，一个向下，相互抵消平衡之后，可以提高马达举起总量的效率。
最后，对沙路先生帮我们制作疲劳试验机示意图的工作表示感谢！
参考文献：
[1] 称重传感器的可靠性设计、控制与管理 刘九卿 《衡器》2003年第3期
|
