毛大勇
（广东香山衡器集团股份有限公司广东省中山市528400）
摘要：本文对钢片式电阻应变计测力传感器的使用场合、工作过程、生产工艺流程、装配使用等各环节作了说明，对相关经验数据做了分析，对传感器在生产及使用过程中的常见故障作列举分析，针对不同问题，找到了切实可用的控制方法。
关键词：钢片式电阻应变计；测力；应变计；传感器失效
1简介
钢片式电阻应变计测力传感器是一种结构简单、成本较低的用来测力及测重的器件，广泛应用于电力、电子、建筑、大众健康等相关行业及产业的测力及测重重等多种场合。随着弹性体钢材的热处理工艺及应变计制造工艺水平的提高，钢片式电阻应变计测力传感器的精度也越来越高，以其出众的性价比，现已成为200kg以内测力及计重领域的首选感应器。
随着上游设备生产商对仪表、机床的不断优化及数字化、智能化升级，钢片式电阻应变测力传感器的技术同质化，制造工艺日趋简化。这就降低了资本进入门槛，带来下游制造企业的竞争日趋激烈。制造的良品率均值在99.5%以上，一旦低于这个水平，品质成本的增加会降低产品竞争力。
2基本结构及工作方式
钢片式电阻应变计称重传感器以下简称传感器，基本结构如下：
图1所示的钢片式电阻应变计称重传感器主要由钢片弹性体1、应变计2、焊盘3、基底胶4、防潮胶5、引出线6等结构及元件组成。其中钢片弹性体1为热处理及表面处理的65Mn弹簧钢，是整个传感器的基础结构件，是弹性敏感元件；应变计2通过基底胶4与弹性体1牢固地粘贴为一体；引出线6通过焊盘3与应变计2焊接在一起；焊接完成后，涂防潮胶5进行保护。工作时，外力或重力施加在弹性体的活动臂上时，弹性体产生相应的变形，带动固定在其上的应变计同步变形，应变计的伸长和缩短带来电阻的变化，引出信号线将这一变化表现为电压值的变化，经A/D转换后成为数字信号，在显示器上显示出来。
3制作工艺
为满足良品率在99.5%以上，传感器对制程及制作环境都有严格要求。通常要经过激光毛化—裁片—贴片—加压固化—撕胶纸—涂保护胶—打磨—焊线—焊点清洗—涂防潮胶—加压固化等过程。制作过程的环境温度控制在25℃±5℃，湿度为50±15RH，在无尘车间生产，操作人员须配静电环，操作台铺设防静电台布，地面铺设防静电漆生产出来的传感器再经检验后入库。
上述工艺、环境的严格执行，才能够保证传感器的质量。
4主要衡量指标
衡量一组传感器性能的指标很多，主要有量程、输出灵敏度、非线性、滞后、重复性、蠕变等。使用前需要抽检的指标主要是输出灵敏度和蠕变，输出灵敏度稳定，传感器单个使用或多个配组使用均可提供稳定输出值，蠕变符合要求，就不会随时间产生零点飘移，这样可满足大多数场合下的测力及测重的要求。反之亦然。
5引起传感器不良的5个因素
实际使用过程中，传感器常见的故障主要表现在显示跳数和偏载，造成产品不能正常测量或测量数值的重复性不好。由表及里对故障作分析，通常是由如下几个不良引起的：
1）弹性体不良：弹性体材质为65Mn弹簧钢，要经过淬火及高温回火处理，硬度范围为HRC43~48，且表面要经过喷砂及应变测量区域激光毛化处理。热处理不足会导致传感器弹性不足，对分组的分散性影响较大，影响整机的疲劳测试数据及使用寿命。激光毛化处理不良，导致基底胶附着力不足甚至脱落，引起传感器失效。
2）清洗不干净：弹性体毛化区域清洗不干净或水本身不干净，会导致杂质在表面沉积，刺穿基底胶，导致应变计短路，从而传感器失效。
3）防潮胶不良：见图2，由于防潮胶采用的是PR-1防潮胶，可以快速在空气中吸湿固化，防潮胶层厚度不足或缺胶时，应变计、焊盘和焊点都得不到保护，在环境湿度较大或盐水浸泡后，焊点及焊盘会受到腐蚀，导致松脱或脱落。图2为应变计受潮鼓包，就是弹性体激光毛化不良何防潮胶不良综合引起的。造成传感器零点不稳及跳数。
4）焊接不良：下图为焊盘脱落及焊点不良的实物图片。图3焊盘脱落和图4焊点不良是传感器制造和使用中最常见的问题，归结到焊接不良当中，对使用中的质量的稳定性影响很大，也是所有故障当中最具破坏性的。
5）断线不良：当运输及使用过程中不当操作对引线产生拉扯、夹持，而且超过剥离力临界值时，就会产生短线，从而导致传感器失效。
6应对措施
对于引起传感器不良的各因素，需要及时应对，否则均可能导致批量不良。所以需要对传感器的生产控制及运输、装配各环节全流程作控制。需要做好如下几点：
1）弹性体须对来料硬度进行足够数量的抽检，确保弹性体的批次一致性，不同批次的互换性。确保应变计附着区域整洁，毛化面均匀。
2）涂抹防潮胶使用机器自动化操作，可以控制好出胶量及出胶时间，控制好环境温度和湿度也很重要，要求图层均匀一致，确保对应变计、焊盘及焊点的全覆盖。在尺寸及干涉要求允许的情况下，涂胶区域尽量加大。同时，防潮胶的配方也很重要，好的配方可以确保胶的玻璃强度。
3）弹性体的清洗应使用纯净水或900清洗剂，抽检时使用30倍以上的LED放大镜观测，不得有直径大于0.2μm的金属渣或尘点。
4）焊线不良的控制要从烙铁温度和焊接时间着手，自动焊接要求焊接温度在380℃左右，焊接时间大约1s，烙铁温度过低，焊接不牢固或虚焊，烙铁温度过高，则容易引起焊盘烧伤脱落。焊接时间的控制也是这个道理。手工焊接则对操作人员的熟练程度要求很高，焊接完成后要进行全检，以消除人工操作一致性的偏差。
5）对于断线不良，要避免传感器线受垂直方向受力（或受力小于3N），避免水平方向受力（或受力小于30N），需要在运输过程中做好防护，在安装过程中避免拉线。
7自动化作业有助于减少不良率
传感器是精密测量产品的核心器件或重要零部件，好像人体的神经末梢，对制造、使用过程中各个环节的要求都非常高。只有上文所述各个环节都控制好，才能保证最终产品的正常使用。制造的良品率每提高0.1%，预防成本和鉴定成本成本可能增加10%或更多，所以制造过程尽量采用机器进行自动化作业，个别工序不能用机器替代的才使用人力手工作业，但人力作业需要严格检验，确保为下游工序提供合格的输入，确保最终产品能够长期运行或测量。
结束语：
随着技术的发展及制造工艺的持续改进，钢片式电阻应变计测力的应用越来越广泛，了解其常见故障及控制点，具有现实意义及价值，本文的分析基于生产及使用的大量数据，可用于指导专业生产，对行业中类似测量仪器，也可作为一定程度的借鉴。
参考文献：
[1]《电阻应变式称重传感器》中国运载火箭技术研究院第702研究所刘九卿