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

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、穩定性和可靠性是廣大消費者和國際經(jīng)銷(xiāo)商最關(guān)心的問(wèn)題；也是我國與工業(yè)發(fā)達國家同類(lèi)產(chǎn)品差距最大的問(wèn)題；更是各生產(chǎn)企業(yè)需要下一番功夫才能實(shí)現的問(wèn)題。其中穩定性和可靠性是基礎，沒(méi)有穩定性和可靠性何談準確度。穩定性是指在一定時(shí)期內、相同條件下電子臺案秤耐受環(huán)境條件變化影響的程度；可靠性是指在規定的使用條件下和一定的時(shí)間內，電子臺案秤保持各項技術(shù)性能并穩定工作的能力，多以無(wú)故障工作時(shí)間或可靠壽命來(lái)度量。兩者的共同點(diǎn)是如何能夠耐受各種可能遇到的環(huán)境條件作用，而能穩定可靠的體現其技術(shù)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，選擇能夠對抗這些環(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(guān)環(huán)境和感應環(huán)境。前者為周?chē)淖匀画h(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年國家監督抽查  14省市  25個(gè)企業(yè)  15kg電子計價(jià)秤  75臺，合格 36臺，合格率 48%；2003年國家監督抽查  9省市  33個(gè)企業(yè)生產(chǎn)的  33種  15kg電子計價(jià)秤，合格 17種，合格率   51.5%。兩次國家監督抽查因為稱(chēng)重傳感器溫度性能指標超差，而造成電子計價(jià)秤溫度試驗項目不符合標準規定分別占不合格產(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?jiàn)稱(chēng)重傳感器的溫度性能對電子臺案秤的穩定性和可靠性的重要性，這也是長(cháng)期以來(lái)生產(chǎn)企業(yè)致力于解決的主要技術(shù)問(wèn)題。其實(shí)質(zhì)是電子臺案秤對外部條件的穩定性，或者說(shuō)是環(huán)境適應性，主要是對溫度、濕度變化和各種干擾的穩定性。根據處于國際市場(chǎng)引導者地位的電子臺案秤制造企業(yè)的經(jīng)驗，解決此問(wèn)題的有效方法是提高鋁合金稱(chēng)重傳感器的防護與密封技術(shù)和穩定性處理工藝水平，并對整秤進(jìn)行溫

度循環(huán)的時(shí)效處理。

二、電子臺案秤用鋁合金稱(chēng)重傳感器的穩定性

電子臺案秤用鋁合金稱(chēng)重傳感器的穩定性是建立在比較精確的靈敏度溫度補償前提下，即通過(guò)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  K和彈性元件幾何尺寸隨溫度變化的影響。由于稱(chēng)重傳感器的靈敏度溫度誤差是一個(gè)系統誤差，靈敏度溫度補償不像零點(diǎn)溫度補償那樣逐個(gè)進(jìn)行，而是批量進(jìn)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(xiàn)性化調整電阻均不改變。實(shí)際上，批量的進(jìn)行靈敏度溫度補償并不可能使稱(chēng)重傳感器的靈敏度溫度漂移為零，與完全補償的理想值之間總是存在一定的偏差。當此偏差為正時(shí)產(chǎn)生過(guò)補償，為負時(shí)產(chǎn)生欠補償。

過(guò)補償的結果使稱(chēng)重傳感器隨著(zhù)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(chēng)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的缺陷，又提高了電子臺案秤的穩定性。

稱(chēng)重傳感器的穩定性，就是在一定時(shí)間內和相同條件下其特性變化的程度，主要是零點(diǎn)和靈敏度的變化程度，也可以說(shuō)是零點(diǎn)和靈敏度的穩定性。

所謂零點(diǎn)穩定性，就是稱(chēng)重傳感器在一定時(shí)間內和相同條件下，零點(diǎn)輸出的最大變化量。零點(diǎn)輸出穩定性 Z用%FS／三個(gè)月、%FS／六個(gè)月、%FS／年表

若每次測試時(shí)溫度無(wú)法保持相同，允許根據實(shí)測的靈敏度溫度系數進(jìn)行計算修正。稱(chēng)重傳感器的穩定性是極為重要的質(zhì)量指標，但在國內外生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品樣本中卻很少給出。其原因是目前國內外尚無(wú)統一的評定標準，行業(yè)內的普遍共識是稱(chēng)重傳感器的靈敏度變化不應該超過(guò)重復性誤差的兩倍。

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

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(chēng)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(diǎn)，但如果對鋁合金種類(lèi)和熱處理時(shí)效狀態(tài)選擇不當，會(huì )使稱(chēng)重傳感器蠕變誤差增大，穩定性變差。

國內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(shí)效狀態(tài)，即熱處理自然時(shí)效 2A12—T和熱處理人工時(shí)效   2A12—T。由于  2A12鋁合46金淬火后產(chǎn)生較大的內應力，其表層為拉應力，芯部為壓應力，經(jīng)自然時(shí)效得不到有效的消除，加工成彈性元件后，會(huì )因為應力松弛而產(chǎn)生變形。自然時(shí)效狀態(tài)的相和組織也不穩定，使用過(guò)程中會(huì )繼續進(jìn)行沉淀相的脫溶過(guò)程，而引起尺寸變化，造成稱(chēng)重傳感器的零點(diǎn)和靈敏度不穩定，產(chǎn)生較大的測量誤差。因此必須選擇熱處理人工時(shí)效狀態(tài)的 2A12—T鋁合金。

6由于國內市場(chǎng)銷(xiāo)售的多為熱處理自然時(shí)效狀態(tài)的 2A12—T鋁合金，應用前4必須進(jìn)行改變熱處理狀態(tài)的再時(shí)效處理，變自然時(shí)效狀態(tài) T為人工時(shí)效狀態(tài)   T改變時(shí)效狀態(tài)的再時(shí)效處理工藝為：190℃×24h或連續升溫110℃、150℃、190℃保溫 6、12、24小時(shí)（時(shí)間連續計算）。再時(shí)效處理，不僅改變了狀態(tài)、穩定了組織，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(chēng)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(shí)機與涂刷前的清洗至關(guān)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(xiàn)組橋和測量絕緣電阻各工序質(zhì)量檢查合格后進(jìn)行。即將整體清洗后的彈性元件盡快放入高溫試驗箱內，加溫 40℃并保溫一定時(shí)間，從箱內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(guò)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(xué)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(wú)腐蝕性硅橡膠。在鋁合金稱(chēng)重傳感器電路補償與調整工藝完成后，實(shí)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(gè)具有優(yōu)良防護性能的表面密封結構。它由內層的防護膠粘劑，中層的密封

薄膜和外層的硅橡膠構成?？拷娮钁冇嫷膬葘臃雷o膠粘劑主要起粘結密封薄膜作用，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(lèi)密封薄膜中有一種 PTFE密封薄膜，實(shí)際上是雙面經(jīng)過(guò)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(xué)焤蝕能力強的特點(diǎn)。有關(guān)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(guān)和機械性能等均無(wú)明顯變化。

3．實(shí)施有效的穩定性處理工藝

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

根據美國20世紀80年代伯薩迪納傳感器技術(shù)研討會(huì )資料介紹，第一次穩定性處理采用熱處理法，主要是恒溫時(shí)效法和冷熱循環(huán)法。恒溫時(shí)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(shí)效時(shí)，殘余應力釋放與時(shí)效時(shí)間關(guān)系表明，保溫 24小時(shí)，可使殘余應力下降50％左右。冷熱循環(huán)工藝為-196℃×4小時(shí)/190℃×4小時(shí)，循環(huán)3次，可使殘余應力下降 90％左右，并且組織結構穩定，微量塑性變形抗力高，尺寸穩定性好。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。

第二次穩定性處理采用機械法，主要有脈動(dòng)疲勞、超載靜壓和振動(dòng)時(shí)效三種方法。脈動(dòng)疲勞法是將鋁合金稱(chēng)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(jìn)行5000～10000次的循環(huán)，可有效的釋放彈性元件、電阻應變計、應變粘結劑膠層的殘余應力。超載靜壓法是在專(zhuān)用的標準砝碼加載裝置中或簡(jiǎn)易機械螺旋加載設備上，對鋁合金稱(chēng)重傳感器施加125％額定載荷，保持4～8小時(shí)，或施加110％額定載荷，保持24小時(shí)，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(jiǎn)單，成本低，效果好，為鋁合金稱(chēng)重傳感器制造企業(yè)廣泛采用。振動(dòng)時(shí)效法是將鋁合金稱(chēng)重傳感器安裝在額定正弦推力滿(mǎn)足振動(dòng)時(shí)效要求的振動(dòng)臺上，根據額定量程估算頻率來(lái)決定施加的振動(dòng)載荷、工作頻率和振動(dòng)時(shí)間。對于小量程平行梁稱(chēng)重傳感器，在頻率 30Hz、振動(dòng)加速度 10g時(shí)，振動(dòng)15分鐘即可獲得較好的效果。共振時(shí)效比振動(dòng)時(shí)效釋放殘余應力的效果更好。

振動(dòng)時(shí)效和共振時(shí)效工藝的特點(diǎn)是：能耗低，周期短，效果好，不損壞彈性元件表面，而且操作簡(jiǎn)單。以上三種穩定性處理方法，提高鋁合金稱(chēng)重傳感器零點(diǎn)和靈敏度穩定性的效果極為明顯。

三、電子臺案秤的穩定性

國內外電子臺案秤生產(chǎn)企業(yè)大量試驗證明，即使是常溫技術(shù)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(xiàn)邊緣甚至出現超差。有的電子臺案秤在“安全過(guò)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(guò)溫度誤差限。上述兩種情況有一個(gè)共同的規律，就是低溫時(shí)輸出表現為正差，高溫時(shí)輸出表現為負差。究其原因，除上述分析的鋁合金稱(chēng)重傳感器靈敏度溫度補償不精細、零點(diǎn)和靈敏

度穩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(jìn)行，來(lái)自于電源、功放、變壓器的熱源影響處理不當等，都將引起電子臺案秤自身的溫度系數變化而產(chǎn)生溫度漂移，使穩定性變差。

根據國內電子臺案秤制造企業(yè)對實(shí)際檢測結果的統計分析得出，鋁合金稱(chēng)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(diǎn)解決鋁合金稱(chēng)重傳感器穩定性的同時(shí)，也要努力解決測量電路的溫度漂移和穩定性問(wèn)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(shí)，電子臺案秤內部測量電路的溫度已達到 47℃左右，鋁合金稱(chēng)重傳感器部分的溫度將達到 44℃。這就要求在電子臺案秤結構、測量電路設計和鋁合金稱(chēng)重傳感器選擇時(shí)，應以秤內可能達到的最高溫度為依據。

為提高電子臺案秤的穩定性，保證工作時(shí)的計量準確度，必須在其經(jīng)過(guò)各項制造工藝形成產(chǎn)品后，逐臺進(jìn)行環(huán)境應力篩選。根據國外處于市場(chǎng)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(chēng)之為老化；一種是隨機振動(dòng)，即振動(dòng)時(shí)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(chēng)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，國內外生產(chǎn)企業(yè)多采用溫度循環(huán)方法進(jìn)行整秤的穩定性處理。

1．電子臺案秤溫度循環(huán)穩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)處理臺數都不盡相同，市場(chǎng)上無(wú)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(lái)，溫度循環(huán)處理老化室應具備下列條件：滿(mǎn)足溫度循環(huán)的高溫、低溫極限溫度要求，方便實(shí)現高低溫交變；能自動(dòng)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；老化室內應有電源和接地裝置，保證電子臺案秤實(shí)施通電老化；對溫度循環(huán)全過(guò)程自動(dòng)控制，即升溫速率、溫度保持時(shí)間、降溫速率、溫度保持時(shí)間自動(dòng)控制和自動(dòng)轉換；人員方便進(jìn)入和在內部進(jìn)行各項試驗測量，在外部進(jìn)行老化情況觀(guān)察。

2．電子臺案秤溫度循環(huán)穩定性處理工藝

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

OIMLR76《非自動(dòng)秤通用檢定規程》規定“在秤技術(shù)說(shuō)明中，沒(méi)有說(shuō)明特定的工作溫度，則秤應在下列溫度界限內保持其計量性能，－10℃～＋40℃”。GB／T7722—2005電子臺案秤國家標準規定使用溫度范圍為 0℃～＋40℃。根據我國電子臺案秤多在室內使用，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(gè)溫度循環(huán)時(shí)間和溫度循環(huán)次數可參考日本大和制衡株式會(huì )社的電子計價(jià)秤老化工藝，即一次溫度循環(huán)的時(shí)間為

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

圖 1可以看出，溫度循環(huán)穩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(shí)間較短；由高溫45℃降溫至低溫0℃，溫度梯定較大，所用時(shí)間較長(cháng)?？傊郎?、降溫的速率都不大，實(shí)現起來(lái)比較容易。

國內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條款規定：“為了消除復雜電子設備中大多數隱藏的制造缺陷，至少應進(jìn)行10個(gè)熱循環(huán)。”日本大和制衡株式會(huì )社個(gè)的溫度循環(huán)穩定性處理工藝，也規定溫度循環(huán)次數為 10次，即進(jìn)行 10天10夜的溫度循環(huán)穩定性處理。對10次高、低溫的溫度循環(huán)穩定性處理觀(guān)察、試驗、測量結果統計表明，電子臺案秤的顯示、鍵盤(pán)、測量電路、電源電路、稱(chēng)重傳感器、A／D電路等故障，在第9、第10個(gè)溫度循環(huán)故障為零，即電子臺案秤已趨于穩定；在第7、第8個(gè)溫度循環(huán)出現的故障數只占總故障數的5%；95%的故障發(fā)生在第一至第6個(gè)溫度循環(huán)中，特別是第一和第二個(gè)溫度循環(huán)出現的故障數最多。以上溫度循環(huán)穩定性處理測量結果證明，采用 10個(gè)溫度循環(huán)處理工藝是科學(xué)合理的。

在10個(gè)溫度循環(huán)穩定性處理過(guò)程中，應根據電子臺案秤計量性能要求和本企業(yè)制造工藝特點(diǎn)設定檢測項目，最好是在高溫和低溫停留期間結束前進(jìn)行檢測。對電子臺案秤出現的各種故障，應記錄清楚出現故障時(shí)的環(huán)境鼓勵情況。通常溫度循環(huán)穩定性處理出現故障有兩種情況，其一是永久性損壞，多為功能上問(wèn)題，由于承受不了高溫環(huán)境元器件性能時(shí)效，導致系統產(chǎn)生缺陷或不能工作；其二是周期性變差，多為性能上問(wèn)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(wèn)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)穩定性處理至關(guān)重要的問(wèn)題。由此不難得出，如果沒(méi)有合理有效的監測，就不能達到電子臺案秤溫度循環(huán)穩定性處理的目的。

四、結束語(yǔ)

電子臺案秤的穩定性由自身的穩定性和對外部環(huán)境條件的穩定性組成，所以在研制生產(chǎn)過(guò)程中必須統一考慮，不得厚此失彼。提高電子臺案秤自身穩定性的有效途徑是合理設計秤體結構、優(yōu)選原材料、元器件并進(jìn)行嚴格的環(huán)境應力篩選。

特別是要選擇好鋁合金稱(chēng)重傳感器，要求進(jìn)行嚴格的零點(diǎn)和靈敏度溫度補償，零點(diǎn)和靈敏度穩定性好。電子臺案秤對外部環(huán)境條件的穩定性，主要是對溫度變化的穩定性，特別是對高溫環(huán)境條件下的穩定性。由于鋁合金稱(chēng)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(wèn)題指明了方向。國內外生產(chǎn)企業(yè)解決此問(wèn)題的有效途徑是利用“有向補償”效應控制鋁合金稱(chēng)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最小且穩定，同時(shí)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(shí)施10個(gè)高溫45℃、低溫0℃溫度循環(huán)的穩定性老化處理，使故障暴露在穩定性處理老化工藝過(guò)程中，并對其進(jìn)行有效的處理，使電子臺案秤一到用戶(hù)手中即進(jìn)入各項性能穩定工作時(shí)期。