本文通過對數(shù)據(jù)的分析,繪出地磅稱重傳感器疲勞超壓蠕變、零漂,非線性失 真、重復性差、滯后五種平均值隨時間的變化曲線圖,總結超載加壓對稱重傳感器參數(shù)的影 響情況。
一、前言
稱重傳感器10萬次以上的加卸載疲勞試驗, 不僅能檢驗稱重傳感器和應變計的預期使用壽命; 還可以把各種有缺陷的應變計貼在彈性體上或等 應變梁上做疲勞試驗或超載疲勞試驗,以便檢驗 各種缺陷對應變計和稱重傳感器的使用可能產(chǎn)生 的影響,從而使這些檢驗規(guī)范有更充分的實踐基 礎。在超載加壓的疲勞試驗中,稱重傳感器的性 能參數(shù)會發(fā)生改變,有些參數(shù)還有變好的趨勢。 因此超載疲勞試驗也可作為改善稱重傳感器性能 的一項輔助手段,現(xiàn)在就來看一看超載加壓對稱 重傳感器參數(shù)的影響情況。
二、試驗數(shù)據(jù)1
我們把成品稱重傳感器分為五組,每組5只, 用120%FS的重量分別加壓7000次、1.4萬次、 2.1萬次、2.8萬次和3.5萬次后測試,數(shù)據(jù)如表1 所示。但由于五組稱重傳感器的初始條件不同, 所以我們采用了取其增量△進行比較的方法。
三、數(shù)據(jù)1的分析
由表1可以看出,對于成品,加壓7000次以 后,再加壓到1.4萬次、2.1萬次、2.8萬次和3.5 萬次,每加壓7000次后,所測得的值與未加壓時 所測得的值之間的差值的變化。由表1的數(shù)據(jù)經(jīng) 過整理之后畫成曲線,如表2、圖1所示。由圖1 可以看到,經(jīng)過加壓后,不管加壓的次數(shù)如何, 在壓后稱重傳感器的蠕變、零漂等均會有大幅度 增加,而滯后會有所下降,非線性誤差和重復性 則有升有降。下面做具體的分析。
(一)蠕變和零漂
在稱重傳感器加壓以后,蠕變和零漂都往正 的方向增大。壓0.7萬次后蠕變大約往正的方向增 大250ppm;壓0.7?2.8萬次之間對蠕變的影響差 不多,即近似在一條水平線上下波動;當壓到3.5 萬次后會稍有減小,但仍然比成品稱重傳感器未 壓前增大了約207ppm,如圖1所示。零漂的變化 曲線和蠕變很相似,只是波動范圍稍小一些。
(二)滯后
我們希望通過疲勞加壓來減小滯后以提高稱 重傳感器的精度。疲勞加壓0.7?1.4萬次時,滯后 只減小6~8ppm,此后還會逐漸增大一些。而當加 壓2.1?2.8萬次時,滯后會比未加壓時減小56ppm 左右,再自然存放二、三個月之后,滯后的改善 還很有效。當加壓次數(shù)增加到3.5萬次時,滯后反 而會有少量反彈,再自然存放一段時間之后,滯 后的改善也不大。
(三) 非線性誤差
疲勞加壓0.7萬次時,非線性誤差比未壓前增 大 約 5ppm; 加 壓 1.4 萬 次 時 , 比 未 壓 前 減 小 4ppm;加壓2.1?2.8萬次時,線性誤差會比未壓前 減小19ppm左右;當加壓次數(shù)增加到3.5萬次時, 線性誤差只比未壓前減小8ppm,即有小量反彈。
(四)重復性
加壓次數(shù)為0.7?2.8萬次時,重復性的增量從 正到負會有十幾ppm的起伏;加壓到3.5萬次時, 重復性會有所反彈,即比未壓前增大33ppm。
四、初步結論
疲勞加壓的目的是希望通過超載加壓來減小 滯后、重復性和線性誤差,當壓力為120%FS加壓 2.1萬次后,滯后會減小57ppm,重復性減小 1ppm,線性誤差減小19ppm。當加壓次數(shù)為2.8 萬次后,滯后減小56ppm,重復性減小12ppm, 線性減小18ppm。如單純對比這三項參數(shù)來考慮, 我們會選擇疲勞加壓2.8萬次作為有效的篩選手 段。但是再考慮到相接近的效果要更省時省力, 以及篩選手段要留有一定余地,以便必要時還可 以增加疲勞加壓次數(shù)來調(diào)節(jié)篩選效果。這樣我們 就會選擇120%FS的2.1萬次加壓作為標準的疲勞 篩選手段。
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五、試驗數(shù)據(jù)2
我們對這些進行過超載疲勞加壓的傳感器進 行了參數(shù)跟蹤測試,看看這種篩選手段對稱重傳 感器是不是破壞性的。經(jīng)過疲勞篩選后的稱重傳 感器參數(shù)能否穩(wěn)定。
跟蹤測試的數(shù)據(jù)(略),數(shù)據(jù)經(jīng)過整理以后分 別按照蠕變、零漂、線性、重復性和滯后隨時間 的變化列成數(shù)據(jù)表(如表3-表7所示并畫成曲 線,而以加壓次數(shù)的多少作為參變量。每種加壓 次數(shù)畫一條5只稱重傳感器平均值的變化曲線, 共得出5組曲線族,分別為圖2-圖6。每個曲線 族中都包含5條曲線,它們分別表示加120%FS的 力壓0.7萬次?3.5萬次之間的疲勞加壓之后5只 稱重傳感器參數(shù)平均值的變化情況。
六、試驗數(shù)據(jù)的分析
(一)蠕變
蠕變隨時間的變化如圖2所示,從4月6曰 加壓后,4月16日第一次測試,到6月15日第三 次測試的2個月內(nèi),蠕變都是波動上升(向正的 方向增大。
其中:A組(壓0.7萬次)平均增大了 73ppm;
B組(壓1.4萬次平均增大了 128ppm;
C組(壓2.1萬次平均增大了 124ppm;
D組(壓2.8萬次平均增大了 132ppm;
E組(壓3.5萬次平均增大了 108ppm。
在疲勞加壓2個月之后進入穩(wěn)定期,從6月 15日?7月6日的21天中,A組?D組都基本不 變或略有下降,只有E組(壓3.5萬次是仍然上 升的。相對其他四組來說,就是反常的,從7月6 日以后又進入向下的波動期。
(二)零漂
零點漂移的變化如圖3所示,零漂的變化和 蠕變很相似,即疲勞加壓后2個月內(nèi)是波動上升期,2個月之后波動減?。瓷仙吘?/span>),從7月 6日(即加壓3個月)之后,零漂進入波動下降 期,只是零漂的變化數(shù)值比蠕變稍小一些(也在 100ppm左右),類似于蠕變。在疲勞加壓3.5萬次 的E組出現(xiàn)了和其他組曲線的明顯差異。
(三)非線性失真
非線性失真隨時間的變化曲線如圖4所示, 大致變化規(guī)律也是在壓后的3個月之內(nèi)屬于下降 (或上升)期,之后進入相反的上升(或下降) 期。其中加壓2.1萬次和2.8萬次的C組和D組非線性失真可減小20?40ppm,而A組和B組加壓次 數(shù)少,線性會增大?組)或稍減小(A組),但都不是我們所期望的。壓3.5萬次的E組線性會增 大很多,是我們不希望要的反常的類型。
(四)重復性
重復性隨時間的變化如圖5所示,它的變化也是波動性的,只有C組和D組的變化對我們有利,其他的都不利。E組的曲線也和其他組差異很大。
(五)滯后
滯后隨時間的變化如圖6所示,這些變化也 是波動的。我們所期望的是通過疲勞加壓來減小 滯后,從曲線看,D組(壓2.8萬次最好。加壓 后能使滯后下降50~70ppm; C組次之,壓2.1萬次之后也能使稱重傳感器的滯后減小50~60ppm。 加壓次數(shù)少了,滯后下降較少,作用不大。加壓 3.5萬次的E組仍然和其他組差異較大。
七、結論
疲勞加壓篩選不僅能使傳感器的參數(shù)穩(wěn)定減少波動的幅度),更主要的是它能使稱重傳感 器的滯后減小50~60ppm (或者更多)。我們對加 壓后的稱重傳感器進行了四個多月的跟蹤測試, 只要加壓力度控制在120%FS加壓2.1?2.8萬次以 內(nèi),就沒有發(fā)現(xiàn)對稱重傳感器有任何的破壞作用。 由于疲勞加壓后蠕變會增大100?120ppm,建議凡 是要進行疲勞加壓的稱重傳感器,應該選擇應變 計預留-150ppm的余量。如果要考慮彈性體的高 溫存貯和稱重傳感器的高溫電老化,則應選擇應 變計在成品時的蠕變?yōu)?/span>-250ppm左右。這可以作 為稱重傳感器的一項有效的篩選手段,特別是對于 1/10000以上精度傳感器尤為有效。建議標準的篩 選工藝為加壓120FS%,共進行2.5萬次疲勞加壓。 順便提一句,我們關于對稱重傳感器進行疲勞篩選 和高溫電老化以及對彈性體的高溫存貯的設想和劉 九卿先生的關于稱重傳感器可靠性設計與控制[1]的 想法是不謀而合的。但從我們的試驗數(shù)據(jù)來看加壓 10000次,還未達到最佳加壓次數(shù),當然他是泛 指,我是對特定的稱重傳感器,這也有差異。
八、疲勞試驗機簡介
疲勞試驗機是我們自己設計制造的,最初只 有一根懸臂梁。其上有四個可以懸掛砝碼的位置。 后來為了提高效率改成了有2根懸臂梁,可以同 時工作,可有8個懸掛砝碼的工位,如圖7所示。
調(diào)速馬達1的轉速在20- 1200轉/分可調(diào),通 過皮帶2帶動主軸3旋轉,主軸上的兩個凸輪4 分別控制兩根懸臂梁抬起或降下,懸臂梁5上的 懸掛點6上懸掛的砝碼就可以對其下方放置的稱 重傳感器或貼有應變計的等應變梁施加重力。主 軸上裝有電子計數(shù)器,每轉一圈記一次數(shù),可以 清零,也可累加。這套裝置可以同時對幾只稱重 傳感器進行不同應力大小的疲勞加載試驗,使用 起來很方便。由于兩根懸臂梁相對凸輪的位置一 個向上,一個向下,相互抵消平衡之后,可以提 高馬達舉起總量的效率。