影响传感器精度的主要因素初探

传力电子衡器（南京）有限公司       梁昌锐执笔    李从芳整理

【摘要】称重传感器的主要结构材料和各种加工工艺会对其精度产生一定的影响。但是否所有的材料都要要从美国或台湾进口呢？弹性体的机加工和传感器组装时会产生应力，这些应力又会怎样影响这些对比实验结果呢？应力本身的变化规律又是怎样的呢？请继续看下去。

【Article abstract】 Main structure material and making process of load cell Will influence the precision of load cell。But Whether all material are needed to import from America or Taiwan Elastic bodg′s machining and load cell′s making process Will produce stress, How does stress influence the comparative test result and what′s the changing rule of the stress itself please read the followin。

【关键词】SPAN精度   GAGE基底材料  弹性体材料  清洗溶剂  引线   传感器应力

【Key words】 Span precision,material of gage base,material of elastic body,rinsing solvent,lead wire,the stress of load cell。

前    言

    我们传力公司是一家美商独资企业。芝加哥总部成立于1981年，20多年以来专业从事各种电子衡器、称重仪表、称重传感器和电阻应变计等全方位的研发和生产。我们的产品在定型投产以前都要做大量的基础研究工作，以确保产品能长期稳定、可靠地工作。现在摘要发表的只是2003年初进行的一次试验工作，其后我们还做了大量有关老化筛选等方面的试验研究工作，例如高温存储、高温电老化、超载静压、10万次疲劳加压、超载疲劳加压、潮湿箱试验，高温、高压、高湿的PCT试验，高压密封检漏等试验，其中有些试验已在《衡器》杂志摘要发表过。   
                                
    2003年2月19日，我们公司参考《传感器参数漂移的原因和预防措施》[1]开会讨论了影响传感器SPAN漂移的主要因素：GAGE、弹性体铝材，传感器制程中使用的各种引线材料和清洗液以及上胶情况等问题安排做了一系列的对比分析试验。现将试验数据和初步结果列表分析于后。

一、实验方案

1、影响GAGE质量的试验

    我们用FAJ-10AB传感器使用不同条件下生产的GAGE做对比试验。实验数据见表一。

2、用不同铝材做弹性体的试验

    我们用美国进口铝材和国产铝材加工制成的弹性体做成FAJ-10AB传感器，测试其SPAN随时间漂移的影响。试验数据见表二。

3、使用不同清洗液对传感器SPAN精度的影响

    我们用不同清洗液清洗后做成的传感器测试结果见表三。

4、传感器中使用不同引线的影响

    我们分别使用美国引线和台北引线加工成FAN-7..5kg传感器后测试SPAN精度，对比试验数据见表四。

5、上胶与否对传感器SPAN精度的影响

    我们对FAN-7.5kg传感器上胶前后测试了SPAN的精度，对比实验数据见表五。

二、样本数和数据统计方法

    1、每一组对比试验安排的传感器（L/C）样本都是5只。

    2、我们把在不同条件下做成的传感器每隔一小时测量一次SPAN值，在5个小时间隔范围内计算出了最大的差值，再折合成相应的传感器SPAN精度，再从相同状态下的5只传感器中统计出SPAN的最高精度，最低精度以及去掉最高和最低精度的其余3只传感器的平均精度。这些数据分别填写在表一～表五的相应栏中。（说明：不同时间测得的SPAN数据减去SPAN的起始数值就是SPAN的变化值，变化值再除以起始值就是相对变化，由于相对变化很小，我们用PPM为单位做记录，相对变化也可以表示成精度。例如5小时SPAN的相对变化小于10PPM,我们就说他的精度可以达到万分之一。）

    3、我们计划每隔5天测试一次传感器SPAN漂移的结果并统计它的精度随时间的变化情况，到基本稳定的时候就能以这些数据为依据，统计对比出各种因素对传感器SPAN漂移影响的程度。

三、实验前的理论设想—应力波动衰减学说

    1、大家知道铝型材在挤压加工的过程中会产生很大的应力，最好的消除办法是放在露天让它日晒雨淋长时间的自然消除。在铝弹性体的锯铣加工等过程中也会产生应力，也要有一个释放的过程。根据以往多次的试验经验。由于喷砂、贴片后的加压和高温烘烤以及上胶后的应力都有一个逐步释放的过程，所以从贴片到上胶刚刚做好的传感器测试的参数只能做参考，不能做绝对的结论。例如L/C进行10000次疲劳加压后，迟滞和线性都会变好，但压完后马上就测试所得的结果可能会适地其反，10天之后再进行测试，疲劳试验的良性效应就能显示出来。

    2、应力释放的理论设想—应力波动衰减学说

    固态分子都有一定的稳态微观结构，当它受到外力作用时会偏离原有的结构而产生一定的变形，它外力去除后，又会本能的恢复到原有的结构，但这个恢复的过程应该是振荡衰减的，就像打秋千一样，推动的外力去除后要经过N次振荡衰减才能到稳定的最低点。因此，我们假设应力的释放过程是波动的，但波动的幅度会是逐步趋小的。

    3、由于上述的设想，所以我们安排各组实验都是每隔5天测试一组数据，其中第七次即30天以后的数据作为实验结论用，而前面6次测试的数据就是为了“形象地”观察应力衰减过程用的。

四、见附表测试数据及曲线图

五、数据分析和结论

    1、总的变化趋势是刚刚组装的传感器SPAN漂移很大（大约在600-1200PPM之间），很快就按波动方式趋向减小，大约在成品后30天趋于稳定。这种变化的总趋势和我们以前的设想是一致的，这就是我们创立的应力波动衰减学说。在成品 后5天前后的数据只能作参考不能作为分析结论的依据。只有基本稳定后的数据才能作为分析对比作结论的依据。

    2、大部分未上胶的传感器成品后25天左右就趋于稳定，而上胶后的传感器大约要30天左右才能稳定。

    3、以前没有做过传感器SPAN随时间漂移的试验，但我们做过大量的传感器蠕变、线性等随时间变化的试验。从表面现象来看，这些参数的变化会随时间而波动性减小。它反映的是传感器内部应力逐渐释放这个实质。从这个意义上来说，传感器SPAN随时间的变化也反映了传感器内部应力逐渐释放这样一个实质。由于是相同的内部矛盾在外部以不同的形式表现出来，所以我们能预测到SPAN变化的总规律。当然具体的变化是多少，还是要由具体的试验条件来决定的。这可是唯物辩证法的一条基本原理。事物内部的矛盾（内因）是事物变化的根据，外部的矛盾（外因）是变化的条件，外因通过内因起作用。

    4、从这次试验情况来看，各种试验条件下生产的传感器问题都不大，都可用于做1/5000精度的秤。

    5、从图一可以看出：

    （1）代表酚醛基底胶的曲线和代表环氧胶的曲线在成品存放20天后就已经互相接近，环氧胶更好些。说明它对传感器漂移的影响更小些。

    （2）因为这只牵涉到箔材内部应力对传感器SPAN漂移的问题，箔材经过加热处理会有助于消除碾压后的内部应力，促使箔材内部分子结构更稳定。所以经过热处理的箔材组装成的传感器SPAN漂移比未处理的要小一些。

    6、从图二可以看出用进口美国的铝材做成的传感器漂移比用国产铝材的要小。这个结论要在传感器组装成成品25天后才能显示出来。如果要在成品存放20天之内就要匆忙下结论可能会适得其反。虽然国产铝料不如进口料好，但做1/5000精度的传感器还是可以。

    7、从图三可以看出，溶剂A、F以及B清洗传感器时对SPAN漂移的影响在成品存放25天之后是相同的，虽然在此之前有较大的差别。

    8、从图四可以看出美国引线和台北引线对SPAN漂移的影响是相同的，虽然在成品存放25天之前有一定的差别。

    9、从图五可以看出传感器上胶后会产生一定的附加应力。所以在成品存放30天之内上胶的传感器SPAN漂移大，但当胶中的应力释放完了之后就和不上胶的情况差不多了。所以在成品存放30天之后两条曲线交汇在一起。

作者简介：梁昌锐，毕业于清华大学电子工程系，教授级高工，从事多年高可靠航空航天集成电路的研发与生产，获得过国家发明三等奖，是多项专利的发明人或设计人，名字和成果被收编于由中国发明协会主编的《当代发明家大辞典》，并在静止式通讯卫星试验中荣立二等功。国内外发表论文多篇，和别人合作编写各种书籍八十多万字。近几年从事应变计和传感器的基础研究和产品研发。

    把七次测试的结果，每次测试的表一～表五的相关数据汇总制成表1～表5，再根据表1～表5的数据分别画成图一～图五的五组曲线图。

表1、不同GAEG生产条件对L/C SPAN的影响 

表2、不同铝材弹性体对L/C SPAN的影响

表3、不同清洗方法对L/C SPAN的影响

表4、不同引线对L/C SPA的影响

表5、上胶与不上胶对L/C SPAN的影响