穩(wěn)定性是電子臺案秤非常重要的質(zhì)量指標，是市場競爭力的決定性標志，也是我國與工業(yè)發(fā)達國家同類產(chǎn)品的主要差距。結(jié)合我國電子臺案秤研制、生產(chǎn)總體情況和在應用中出現(xiàn)的問題，介紹了電子臺案秤自身穩(wěn)定性和對環(huán)境條件穩(wěn)定性概念；討論了提高電子臺案秤穩(wěn)定性的相關問題及系統(tǒng)性和隨機性因素；提出了在生產(chǎn)過程中對核心部件鋁合金稱重傳感器的穩(wěn)定處理工藝和對電子臺案秤的溫度循環(huán)時效處理方法，兩者結(jié)合起來將是提高電子臺案秤穩(wěn)定性的有效途徑。

一、概述

我國電子臺案秤生產(chǎn)企業(yè)多、產(chǎn)量和出口量大、應用范圍廣，即涉及到廣大消費者利益，又涉及到我國出口產(chǎn)品形象，是國家強制管理的法制計量器具和3C認證產(chǎn)品。其中電子臺案秤的準確度、穩(wěn)定性和可靠性是廣大消費者和國際經(jīng)銷商最關心的問題；也是我國與工業(yè)發(fā)達國家同類產(chǎn)品差距最大的問題；更是各生產(chǎn)企業(yè)需要下一番功夫才能實現(xiàn)的問題。其中穩(wěn)定性和可靠性是基礎，沒有穩(wěn)定性和可靠性何談準確度。穩(wěn)定性是指在一定時期內(nèi)、相同條件下電子臺案秤耐受環(huán)境條件變化影響的程度；可靠性是指在規(guī)定的使用條件下和一定的時間內(nèi)，電子臺案秤保持各項技術性能并穩(wěn)定工作的能力，多以無故障工作時間或可靠壽命來度量。兩者的共同點是如何能夠耐受各種可能遇到的環(huán)境條件作用，而能穩(wěn)定可靠的體現(xiàn)其技術性能指標，即對環(huán)境條件的適應性。因此必須重視并了解環(huán)境條件及其潛在影響，選擇能夠?qū)惯@些環(huán)境條件影響的設計方案和工藝措施。按環(huán)境的性質(zhì)和特征，一般環(huán)境條件分為客觀環(huán)境和感應環(huán)境。前者為周圍的自然環(huán)境，后者是人為環(huán)境。電子臺案秤耐受的環(huán)境條件兩者兼而有之，主要是環(huán)境溫度、濕度和各種干擾。

2001年國家監(jiān)督抽查  14省市  25個企業(yè)  15kg電子計價秤  75臺，合格 36臺，合格率 48%；2003年國家監(jiān)督抽查  9省市  33個企業(yè)生產(chǎn)的  33種  15kg電子計價秤，合格 17種，合格率   51.5%。兩次國家監(jiān)督抽查因為稱重傳感器溫度性能指標超差，而造成電子計價秤溫度試驗項目不符合標準規(guī)定分別占不合格產(chǎn)品的54%和 56%。其中最大誤差低溫－13.5g，常溫－11.5g，高溫－12.0g?？梢姺Q重傳感器的溫度性能對電子臺案秤的穩(wěn)定性和可靠性的重要性，這也是長期以來生產(chǎn)企業(yè)致力于解決的主要技術問題。其實質(zhì)是電子臺案秤對外部條件的穩(wěn)定性，或者說是環(huán)境適應性，主要是對溫度、濕度變化和各種干擾的穩(wěn)定性。根據(jù)處于國際市場引導者地位的電子臺案秤制造企業(yè)的經(jīng)驗，解決此問題的有效方法是提高鋁合金稱重傳感器的防護與密封技術和穩(wěn)定性處理工藝水平，并對整秤進行溫

度循環(huán)的時效處理。

二、電子臺案秤用鋁合金稱重傳感器的穩(wěn)定性

電子臺案秤用鋁合金稱重傳感器的穩(wěn)定性是建立在比較精確的靈敏度溫度補償前提下，即通過靈敏度溫度補償消除了彈性元件材料彈性模量 E、電阻應變計靈敏系數(shù)  K和彈性元件幾何尺寸隨溫度變化的影響。由于稱重傳感器的靈敏度溫度誤差是一個系統(tǒng)誤差，靈敏度溫度補償不像零點溫度補償那樣逐個進行，而是批量進行。在彈性元件材料、電阻應變計、應變粘接劑等都不變的前提下，靈敏度溫度補償電阻和并聯(lián)的線性化調(diào)整電阻均不改變。實際上，批量的進行靈敏度溫度補償并不可能使稱重傳感器的靈敏度溫度漂移為零，與完全補償?shù)睦硐胫抵g總是存在一定的偏差。當此偏差為正時產(chǎn)生過補償，為負時產(chǎn)生欠補償。

過補償?shù)慕Y(jié)果使稱重傳感器隨著環(huán)境溫度的升高而輸出減少，導致高溫負差。這就需要測量出電子臺案秤測量電路的溫度漂移方向，控制稱重傳感器靈敏度溫度補償電阻量，使其產(chǎn)生與測量電路溫度漂移方向相反的溫度漂移量，即克服了批量靈敏度溫度補償?shù)娜毕荩痔岣吡穗娮优_案秤的穩(wěn)定性。

稱重傳感器的穩(wěn)定性，就是在一定時間內(nèi)和相同條件下其特性變化的程度，主要是零點和靈敏度的變化程度，也可以說是零點和靈敏度的穩(wěn)定性。

所謂零點穩(wěn)定性，就是稱重傳感器在一定時間內(nèi)和相同條件下，零點輸出的最大變化量。零點輸出穩(wěn)定性 Z用%FS／三個月、%FS／六個月、%FS／年表

若每次測試時溫度無法保持相同，允許根據(jù)實測的靈敏度溫度系數(shù)進行計算修正。稱重傳感器的穩(wěn)定性是極為重要的質(zhì)量指標，但在國內(nèi)外生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品樣本中卻很少給出。其原因是目前國內(nèi)外尚無統(tǒng)一的評定標準，行業(yè)內(nèi)的普遍共識是稱重傳感器的靈敏度變化不應該超過重復性誤差的兩倍。

提高鋁合金稱重傳感器穩(wěn)定性的有效途徑是合理選擇鋁合金材料及熱處理時效狀態(tài)；優(yōu)化防護密封材料及密封工藝；實施有效的穩(wěn)定性處理工藝。

1．合理選擇鋁合金材料

由于電子臺案秤的量程較小，為使稱重傳感器即有較高的靈敏度又具有較大的剛度，多采用比重小，Eρ乘積小，屈強比高，比強度大，塑性好，耐腐蝕，低溫性能好，并具有優(yōu)良機械加工性能的低彈性模量鋁合金材料。盡管鋁合金材料有如此多的優(yōu)點，但如果對鋁合金種類和熱處理時效狀態(tài)選擇不當，會使稱重傳感器蠕變誤差增大，穩(wěn)定性變差。

國內(nèi)外應用較多的是強度高，耐熱性好，屬于鋁－銅－鎂系的硬鋁合金，美國、日本牌號為 2024，我國牌號為 2A12（原牌號 LY12），有兩種熱處理時效狀態(tài)，即熱處理自然時效 2A12—T和熱處理人工時效   2A12—T。由于  2A12鋁合46金淬火后產(chǎn)生較大的內(nèi)應力，其表層為拉應力，芯部為壓應力，經(jīng)自然時效得不到有效的消除，加工成彈性元件后，會因為應力松弛而產(chǎn)生變形。自然時效狀態(tài)的相和組織也不穩(wěn)定，使用過程中會繼續(xù)進行沉淀相的脫溶過程，而引起尺寸變化，造成稱重傳感器的零點和靈敏度不穩(wěn)定，產(chǎn)生較大的測量誤差。因此必須選擇熱處理人工時效狀態(tài)的 2A12—T鋁合金。

6由于國內(nèi)市場銷售的多為熱處理自然時效狀態(tài)的 2A12—T鋁合金，應用前4必須進行改變熱處理狀態(tài)的再時效處理，變自然時效狀態(tài) T為人工時效狀態(tài)   T改變時效狀態(tài)的再時效處理工藝為：190℃×24h或連續(xù)升溫110℃、150℃、190℃保溫 6、12、24小時（時間連續(xù)計算）。再時效處理，不僅改變了狀態(tài)、穩(wěn)定了組織，而且還達到了消除熱處理和粗加工產(chǎn)生的殘余應力的目的。

2．優(yōu)化防護密封材料及密封工藝

鋁合金稱重傳感器防護與密封的基礎是涂刷電阻應變計防護面膠，涂刷時機與涂刷前的清洗至關重要。一般是在貼片、加壓固化、卸壓后固化、質(zhì)量檢查、粘貼端子、焊線組橋和測量絕緣電阻各工序質(zhì)量檢查合格后進行。即將整體清洗后的彈性元件盡快放入高溫試驗箱內(nèi)，加溫 40℃并保溫一定時間，從箱內(nèi)取出彈性元件在干燥的環(huán)境條件下涂刷防護面膠，其目的是防止電阻應變計在生產(chǎn)過程中受潮，并為最后的防護與密封打好基礎。用于電阻應變計保護涂層的材料較多，具有代表性的是：美國VISHAY公司生產(chǎn)的M-CoatC型防護面膠，它是一種溶劑稀釋的RTV硅橡膠，固化后形成堅韌而有彈性的透明薄膜，且有良好的機械、電氣特性和防化學侵蝕性能，其涂層的薄膜厚度為 0.4～0.5mm；德國  HBM公司生產(chǎn)的SN-4型氯丁橡膠和BARRIER-C型無腐蝕性硅橡膠。在鋁合金稱重傳感器電路補償與調(diào)整工藝完成后，實施表面多層防護密封工藝。其防護密封機理是利用多種防護與密封材料的特性和它們之間的互補性，組成一個具有優(yōu)良防護性能的表面密封結(jié)構。它由內(nèi)層的防護膠粘劑，中層的密封

薄膜和外層的硅橡膠構成。靠近電阻應變計的內(nèi)層防護膠粘劑主要起粘結(jié)密封薄膜作用，外層硅橡膠起一定的密封和機械防護作用，真正起密封作用的是密封薄膜。在這類密封薄膜中有一種 PTFE密封薄膜，實際上是雙面經(jīng)過特殊處理的聚四氟乙烯薄膜，它具有防濕熱、耐水解性能好，抗大氣老化和化學焤蝕能力強的特點。有關資料給出，厚度為0.1mm的聚四氟乙烯薄膜在室外暴露六年多，其外觀和機械性能等均無明顯變化。

3．實施有效的穩(wěn)定性處理工藝

鋁合金稱重傳感器的穩(wěn)定性處理分兩次進行，第一次穩(wěn)定性處理是在鋁合金彈性元件機械加工后進行，第二次穩(wěn)定性處理是在完成全部制造工藝形成產(chǎn)品后進行。

根據(jù)美國20世紀80年代伯薩迪納傳感器技術研討會資料介紹，第一次穩(wěn)定性處理采用熱處理法，主要是恒溫時效法和冷熱循環(huán)法。恒溫時效即可消除機械加工產(chǎn)生的殘余應力，又能消除熱處理引入的殘余應力。LY12硬鋁合金在200℃高溫下恒溫時效時，殘余應力釋放與時效時間關系表明，保溫 24小時，可使殘余應力下降50％左右。冷熱循環(huán)工藝為-196℃×4小時/190℃×4小時，循環(huán)3次，可使殘余應力下降 90％左右，并且組織結(jié)構穩(wěn)定，微量塑性變形抗力高，尺寸穩(wěn)定性好。冷熱溫度梯度產(chǎn)生的熱應力與殘余應力相互作用，使其重新分布而獲得殘余應力下降的效果。

第二次穩(wěn)定性處理采用機械法，主要有脈動疲勞、超載靜壓和振動時效三種方法。脈動疲勞法是將鋁合金稱重傳感器安裝在特制的多工位低頻疲勞試驗機上，施加下限為(1/5～1/3)額定載荷，上限為額定載荷或120％額定載荷，以每秒3～5次的頻率進行5000～10000次的循環(huán)，可有效的釋放彈性元件、電阻應變計、應變粘結(jié)劑膠層的殘余應力。超載靜壓法是在專用的標準砝碼加載裝置中或簡易機械螺旋加載設備上，對鋁合金稱重傳感器施加125％額定載荷，保持4～8小時，或施加110％額定載荷，保持24小時，以達到釋放殘余應力的目的。由于超載靜壓工藝所用設備簡單，成本低，效果好，為鋁合金稱重傳感器制造企業(yè)廣泛采用。振動時效法是將鋁合金稱重傳感器安裝在額定正弦推力滿足振動時效要求的振動臺上，根據(jù)額定量程估算頻率來決定施加的振動載荷、工作頻率和振動時間。對于小量程平行梁稱重傳感器，在頻率 30Hz、振動加速度 10g時，振動15分鐘即可獲得較好的效果。共振時效比振動時效釋放殘余應力的效果更好。

振動時效和共振時效工藝的特點是：能耗低，周期短，效果好，不損壞彈性元件表面，而且操作簡單。以上三種穩(wěn)定性處理方法，提高鋁合金稱重傳感器零點和靈敏度穩(wěn)定性的效果極為明顯。

三、電子臺案秤的穩(wěn)定性

國內(nèi)外電子臺案秤生產(chǎn)企業(yè)大量試驗證明，即使是常溫技術性能符合標準要求，各項誤差均比較小的電子臺案秤，在高溫＋40℃、低溫－0℃環(huán)境下，其誤差值可能達到誤差線邊緣甚至出現(xiàn)超差。有的電子臺案秤在“安全過負荷”試驗之前誤差較小，但在該項試驗之后誤差突然變大，甚至超過溫度誤差限。上述兩種情況有一個共同的規(guī)律，就是低溫時輸出表現(xiàn)為正差，高溫時輸出表現(xiàn)為負差。究其原因，除上述分析的鋁合金稱重傳感器靈敏度溫度補償不精細、零點和靈敏

度穩(wěn)定性處理不充分或缺失外，組成電子臺案秤測量電路的電子元器件、模塊等環(huán)境應力篩選不嚴格或未進行，來自于電源、功放、變壓器的熱源影響處理不當?shù)龋紝⒁痣娮优_案秤自身的溫度系數(shù)變化而產(chǎn)生溫度漂移，使穩(wěn)定性變差。

根據(jù)國內(nèi)電子臺案秤制造企業(yè)對實際檢測結(jié)果的統(tǒng)計分析得出，鋁合金稱重傳感器和測量電路的溫度漂移分別占整秤溫度漂移的 65%和35%。這就要求生產(chǎn)企業(yè)在重點解決鋁合金稱重傳感器穩(wěn)定性的同時，也要努力解決測量電路的溫度漂移和穩(wěn)定性問題。

由于電子臺案秤的高溫環(huán)境要比低溫環(huán)境嚴酷，當外部環(huán)境溫度達到 40℃時，電子臺案秤內(nèi)部測量電路的溫度已達到 47℃左右，鋁合金稱重傳感器部分的溫度將達到 44℃。這就要求在電子臺案秤結(jié)構、測量電路設計和鋁合金稱重傳感器選擇時，應以秤內(nèi)可能達到的最高溫度為依據(jù)。

為提高電子臺案秤的穩(wěn)定性，保證工作時的計量準確度，必須在其經(jīng)過各項制造工藝形成產(chǎn)品后，逐臺進行環(huán)境應力篩選。根據(jù)國外處于市場引導者地位企業(yè)的經(jīng)驗，主要采用兩種環(huán)境應力篩選方法：一種是溫度循環(huán)，也稱之為老化；一種是隨機振動，即振動時效。由于電子臺案秤除物流運輸之外，基本都是處于靜態(tài)使用狀態(tài)，而且不論鋁合金稱重傳感器還是測量電路受溫度變化的影響更大一些。此外，再從經(jīng)濟性和可行性上考慮，國內(nèi)外生產(chǎn)企業(yè)多采用溫度循環(huán)方法進行整秤的穩(wěn)定性處理。

1．電子臺案秤溫度循環(huán)穩(wěn)定性處理的工藝裝備

由于各生產(chǎn)企業(yè)的制造模式、批量大小、一次性溫度循環(huán)處理臺數(shù)都不盡相同，市場上無標準設備供應，所有電子臺案秤生產(chǎn)企業(yè)都是自己設計建造溫度循環(huán)處理老化室。歸納起來，溫度循環(huán)處理老化室應具備下列條件：滿足溫度循環(huán)的高溫、低溫極限溫度要求，方便實現(xiàn)高低溫交變；能自動控制溫度，控溫誤差±2℃；由常溫到高溫的升溫速率為 15℃／h，由高溫到低溫的降溫速率為 10℃／h；老化室內(nèi)應有電源和接地裝置，保證電子臺案秤實施通電老化；對溫度循環(huán)全過程自動控制，即升溫速率、溫度保持時間、降溫速率、溫度保持時間自動控制和自動轉(zhuǎn)換；人員方便進入和在內(nèi)部進行各項試驗測量，在外部進行老化情況觀察。

2．電子臺案秤溫度循環(huán)穩(wěn)定性處理工藝

電子臺案秤溫度循環(huán)穩(wěn)定性處理的主要參數(shù)有高溫和低溫的極限值；高溫和低溫的停留（保持溫度）時間；由常溫到高溫和由高溫到低溫的升、降溫速率；一個溫度循環(huán)時間；溫度循環(huán)次數(shù)。只有上述這些參數(shù)選擇的科學合理，才能取得有效的穩(wěn)定性處理結(jié)果和合理的成本投入。

OIMLR76《非自動秤通用檢定規(guī)程》規(guī)定“在秤技術說明中，沒有說明特定的工作溫度，則秤應在下列溫度界限內(nèi)保持其計量性能，－10℃～＋40℃”。GB／T7722—2005電子臺案秤國家標準規(guī)定使用溫度范圍為 0℃～＋40℃。根據(jù)我國電子臺案秤多在室內(nèi)使用，以及溫度老化條件應高于使用溫度條件這一原則，溫度循環(huán)的上限值為＋45℃，下限值為0℃。一個溫度循環(huán)時間和溫度循環(huán)次數(shù)可參考日本大和制衡株式會社的電子計價秤老化工藝，即一次溫度循環(huán)的時間為

24小時，其中，由常溫升溫至高溫的時間為 2小時，高溫停留時間為 8小時；由高溫降溫到低溫的時間為6小時，低溫停留時間為8小時。一個溫度循環(huán)的穩(wěn)定性處理工藝的溫度與時間曲線如圖1所示。

圖 1可以看出，溫度循環(huán)穩(wěn)定性處理室的溫度由常溫升至高溫 45℃，溫度梯度較小，所用時間較短；由高溫45℃降溫至低溫0℃，溫度梯定較大，所用時間較長?？傊郎?、降溫的速率都不大，實現(xiàn)起來比較容易。

國內(nèi)外電子儀器儀表制造企業(yè)產(chǎn)品的溫度老化處理，基本參照美國軍用標準《電子設備環(huán)境應力篩選方法》，該標準的 5.12條款規(guī)定：“為了消除復雜電子設備中大多數(shù)隱藏的制造缺陷，至少應進行10個熱循環(huán)。”日本大和制衡株式會社個的溫度循環(huán)穩(wěn)定性處理工藝，也規(guī)定溫度循環(huán)次數(shù)為 10次，即進行 10天10夜的溫度循環(huán)穩(wěn)定性處理。對10次高、低溫的溫度循環(huán)穩(wěn)定性處理觀察、試驗、測量結(jié)果統(tǒng)計表明，電子臺案秤的顯示、鍵盤、測量電路、電源電路、稱重傳感器、A／D電路等故障，在第9、第10個溫度循環(huán)故障為零，即電子臺案秤已趨于穩(wěn)定；在第7、第8個溫度循環(huán)出現(xiàn)的故障數(shù)只占總故障數(shù)的5%；95%的故障發(fā)生在第一至第6個溫度循環(huán)中，特別是第一和第二個溫度循環(huán)出現(xiàn)的故障數(shù)最多。以上溫度循環(huán)穩(wěn)定性處理測量結(jié)果證明，采用 10個溫度循環(huán)處理工藝是科學合理的。

在10個溫度循環(huán)穩(wěn)定性處理過程中，應根據(jù)電子臺案秤計量性能要求和本企業(yè)制造工藝特點設定檢測項目，最好是在高溫和低溫停留期間結(jié)束前進行檢測。對電子臺案秤出現(xiàn)的各種故障，應記錄清楚出現(xiàn)故障時的環(huán)境鼓勵情況。通常溫度循環(huán)穩(wěn)定性處理出現(xiàn)故障有兩種情況，其一是永久性損壞，多為功能上問題，由于承受不了高溫環(huán)境元器件性能時效，導致系統(tǒng)產(chǎn)生缺陷或不能工作；其二是周期性變差，多為性能上問題，例如在高溫下產(chǎn)生漂移或工作異常，但回到常溫又恢復正常。針對上述問題應制定具體的故障檢查程序和相應的故障排除方法，是溫度循環(huán)穩(wěn)定性處理至關重要的問題。由此不難得出，如果沒有合理有效的監(jiān)測，就不能達到電子臺案秤溫度循環(huán)穩(wěn)定性處理的目的。

四、結(jié)束語

電子臺案秤的穩(wěn)定性由自身的穩(wěn)定性和對外部環(huán)境條件的穩(wěn)定性組成，所以在研制生產(chǎn)過程中必須統(tǒng)一考慮，不得厚此失彼。提高電子臺案秤自身穩(wěn)定性的有效途徑是合理設計秤體結(jié)構、優(yōu)選原材料、元器件并進行嚴格的環(huán)境應力篩選。

特別是要選擇好鋁合金稱重傳感器，要求進行嚴格的零點和靈敏度溫度補償，零點和靈敏度穩(wěn)定性好。電子臺案秤對外部環(huán)境條件的穩(wěn)定性，主要是對溫度變化的穩(wěn)定性，特別是對高溫環(huán)境條件下的穩(wěn)定性。由于鋁合金稱重傳感器和測量電路的溫度漂移分別占整秤溫度漂移的 65%和 35%，這就為解決整秤的溫度漂移問題指明了方向。國內(nèi)外生產(chǎn)企業(yè)解決此問題的有效途徑是利用“有向補償”效應控制鋁合金稱重傳感器靈敏度溫度補償后的溫度漂移方向與測量電路的溫度漂移方向相反，使兩者相互抵消保證整秤的溫度系數(shù)最小且穩(wěn)定，同時優(yōu)化電阻應變計和測量元器件的防護密封材料及工藝。對整秤實施10個高溫45℃、低溫0℃溫度循環(huán)的穩(wěn)定性老化處理，使故障暴露在穩(wěn)定性處理老化工藝過程中，并對其進行有效的處理，使電子臺案秤一到用戶手中即進入各項性能穩(wěn)定工作時期。