從應變式傳感器的工藝分析其故障原因

技術幫助 | 2019-07-08

一、應變式傳感器主要工藝步驟

貼片→組橋→補償→測試→防護

1、貼片

貼片就是利用膠粘劑，將應變計粘貼在彈性體上，並通過一定的條件(升溫，加壓)，使彈性體與應變計緊密結合，從而達到由應變計來傳遞彈性體應力應變的過程。貼片是整個傳感器製造過程中（機械加工部分除外）關鍵工序，貼片質量的好壞，直接決定了一隻傳感器的性能，直接影響到傳感器的零點，零點補償，滯後，蠕變，重複性，穩定性等關鍵指標。

2、組橋過程簡述

組橋是將應變計按一定的要求連成惠斯頓電橋的過程。組橋是由焊點打磨掛錫、焊接導線的準備、橋路的連接等步驟組成。

3、補償過程簡述

補償指的是對連完橋的傳感器零點輸出和滿量程輸出的修正。

（1）對零點輸出的修正

傳感器在應用於稱重係統的時候，由於要與儀表相配套使用，因此需將其零位修正到一定的範圍，否則會增加整個測試係統的誤差。同時，由於傳感器在使用時環境溫度的變化，也會引起零點輸出隨時間溫度變化而變化，則就需要在生產中對傳感器零點進行補償，將其在應用到係統中後受環境影響而產生的變化降到符合使用要求的誤差範圍之內。

（2）對滿量程的修正

傳感器在使用時，由於材料受環境溫度變化的影響，溫度升高時其彈性模量變小，使得滿量程輸出變大；當溫度降低時彈性模量變大，使得滿量程變小。而這種滿量程隨輸出溫度變化而產生的變化往往大大超出傳感器所允許的誤差範圍，因此就需要對這一現象進行修正，即對滿量程的修正，也稱之為溫度靈敏度補償。一般的，對溫度靈敏度的補償，在設計產品時已按一定的參數進行了修正，加入了橋路中。

二、貼片工序常見故障及分析

1、故障分類

貼片在傳感器整個生產過程中，起著非常重要的作用，若貼片質量不能保證，則整個傳感器的質量都難以保證。在貼片過程中常見的質量問題主要有以下幾個方麵：

（1）應變計鼓包；（2）應變計移位；（3）應變計加壓不夠。

2、造成應變計鼓包的分析

應變計鼓包指的是應變計表麵在貼完片後凹凸不平。眾所周知，傳感器是將應變計貼在彈性體表麵上來傳遞應變，而由於彈性體材料的本身的特性，傳感器在設計時一般的zui大應變量為1500-2000微應變，通過應變計轉換後，其輸出信號一般隻有20-30毫伏，而傳感器的設計精度一般在0.02-0.03級(萬分之二到萬分之三)，其允許偏差隻有4-10毫伏。當貼完片的傳感器若應變計表麵鼓包，則在傳遞應變時就會失真，不能將彈性體的真實應變傳遞，從而造成傳感器性能超差。同時，由於應變計的絲柵極細，若應變計表麵鼓包，則會使其鼓包處絲柵變細，形成阻值不均勻（該出阻值變大），在傳感器使用過程中，使得該點熱輸出變大，輕者造成傳感器零點漂移，使傳感器無法正常使用；嚴重的會使傳感器絲柵斷裂，造成傳感器報廢。下麵對造成應變計鼓包的原因加以分析：

（1）彈性體表麵光潔度不夠。由於彈性體在機械加工時表麵光潔度不夠，整個表麵本身凹凸不平，就造成應變計鼓包。在強光下觀察應變計，可看應變計表麵色度一致，但凹凸不平。去除應變計後，可明顯看到彈性體表麵凹凸不平，凸起處發亮，若應變計保持完整，在有放大鏡或投影儀下可觀察到應變計背麵的金屬顆粒。
（2）彈性體清洗不幹淨，貼片部位有其他異物存在，應變計與彈性體間夾雜其他雜物。主要為灰塵、砂粒、膠粒及膠中懸浮物等。在強光下觀察應變計，可看到鼓包處應變計顏色與其他地方不同，較其他地方顏色深。完整去除應變計後，可看到彈性體表麵光潔、平整，而應變計背麵在放大鏡或投影儀下觀察，可看到有異物存在。

3、造成應變計移位的分析

應變計移位指的是應變計偏移其定位線。由於應變計采集的是zui大應變（設計時定），若偏離預定貼片位置，則會造成應變計采集應變偏小，從而影響傳感器滿量程，其輸出靈敏度偏小，同時會影響到傳感器的線性、滯後這兩項指標。應變計移位主要特征為應變計定位圖標偏移定位線，一般情況若偏移距離大於0.5mm，則該應變計應予以返工重新貼片。造成應變計移位的主要原因有兩個方麵：

（1）貼片時本身對位不準，偏離定位線，從而造成應變計移位。大部分是由於膠粘劑刷的過多或膠粘劑比例不對，在擠膠過程中造成應變計偏離貼片位置，而擠膠完畢後又未進行檢查所至。
（2）加壓工裝設計不合理，從而造成應變計移位。主要集中在鋼製傳感器，由於其貼片部位形式各異，工裝設計不合理，及易造成應變計移位。

三、組橋工序常見故障及分析

1、故障分類

組橋工序常見故障有以下幾個方麵：

（1）橋路組錯；（2）零點不穩；（3）絕緣阻抗超差；（4）橋路阻抗超差。

2、造成橋路組錯的分析

將應變計通過導線按一定的要求連接起來，構成惠斯頓電橋。連橋過程中應注意，焊接引線時，電烙鐵不能在應變計焊點上接觸時間過長，否則易造成焊點脫落和浮柵。對於用導線直徑大於Φ0.5mm的，應先在應變計前粘一塊接線端子，將應變計與接線端子用線徑小於Φ0.2mm的鍍銀線或漆包線連接，然後將直徑大於Φ0.5mm導線焊接在接線端子上。對於高精度傳感器（精度高於0.02%FS），此方法可消除連橋導線所產生的附加應力，使傳感器的穩定性、一致性更高。對連完橋的傳感器，應及時用丙酮或酒精棉球將焊點清潔幹淨，若清潔不及時，會造成傳感器不穩現象。同時還應注意應變計的性質，受拉還是受壓，若連錯橋路，會造成傳感器無輸出現象或輸出為負現象。

正確的連橋方式應為輸入（+）與輸出（+）之間用壓片連接，輸入（+）與輸出（—）之間用拉片連接，輸出（+）與輸入（—）之間用拉片連接，輸出（—）與輸入（—）之間用壓片連接（注：彈性體受力後產生拉伸變形部位所貼應變計簡稱為拉片；彈性體受力後產生壓縮變形部位所貼應變計簡稱為壓片）。連完橋後的傳感器應先進行阻抗測試，阻抗滿足工藝要求後，用絕緣阻抗測試儀進行絕緣阻抗測試，絕緣阻抗大於5000兆歐（100V直流電源或50V交流電源）方為合格產品，才可進行下一步驟。

3、造成零點不穩的分析

組橋造成零點不穩的主要原因是橋路焊接過程中出現虛焊、假焊、焊點清洗不幹淨等。表現為傳感器標定時零點閃爍不定，在某一數值上下5μV擺動。對於這一情況，一般應重新焊接各組橋線接頭部分，並徹底清洗幹淨即可排除故障。

4、造成絕緣阻抗超差的分析

絕緣阻抗超差指的是傳感器橋路與彈性體之間阻抗達不到要求的指標。主要有兩種表現形式：

（1）彈性體與橋路間絕緣阻抗小於2000兆歐，但大於1*10歐，即通常所說的絕緣不夠。這種情況一般的都是由於在焊接時清洗不幹淨，使用酸性助焊劑等所導致。相應的處理辦法為：將傳感器橋路各焊點重新焊接，並徹底清洗幹淨即可。還有就是由於焊接時電烙鐵與應變計、柔性線路板、接線端子接觸時間過長，導致這些電器元件絕緣強度降低，此時則應將這些電器元件予以更換。
（2）彈性體與橋路間絕緣阻抗小於1*10歐，即通常所說的絕緣通，表現在用絕緣電阻測試儀測量時，其指針擺幅劇烈。造成這種情況的原因屬於橋路某部分與彈性體接觸，此時絕緣阻抗為零；或似接非接，這種情況測試時絕緣組抗極不穩定，一般為組橋用漆包線或塑膠線外層破損所至。對於這種情況則應仔細查找，將損壞元件替換掉即可。

絕緣阻抗不夠一直是困擾諸多傳感器生產廠家的難題，因為組橋過程中稍微的操作不當均可能導致傳感器絕緣超差。而傳感器的橋路至少有四個應變計，大部分的由八個應變計組成，甚至更多，當產生絕緣超差時，查找起來非常麻煩，而且極難確定故障所在。因此，對於這些問題，總結近幾年現場生產的經驗，按如下步驟即可準確找到故障所在點：

①將傳感器橋路由輸出線兩端斷開，使其成為兩部分，分別測量這兩部分絕緣阻抗，對絕緣阻抗超差的橋臂，再將其分為兩部分，依次測量，直至找到故障點。此方法對於多應變計橋路zui為有效，可快速有效的確定故障點；
②對確定的故障點重新進行焊接，測試絕緣阻抗合格後，重新將橋路連接起來；
③橋路連接完畢後，重新對照圖紙進行檢查，測量輸入、輸出阻抗和絕緣阻抗，合格後方可提交。

若仍不合格，重複步驟①②③直至合格。

5、造成橋路阻抗超差的分析

橋路阻抗超差指的是傳感器輸入阻抗、輸出阻抗、零橋阻抗(即相鄰橋臂間的阻抗)與標稱值不相符合。如下圖所示傳感器橋路圖，分別標出了傳感器的輸入阻抗、輸出阻抗。