測溫傳感器常見設(shè)計、制造質(zhì)量問題及改進(jìn)方案

王剛

摘要：本篇文章主要是基于公司在某一時間段內(nèi)產(chǎn)品故障率較高，為降低產(chǎn)品的故障率，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量而進(jìn)行的從產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)加工、工藝等方面分析工作。根據(jù)現(xiàn)場的故障件實物的分析，質(zhì)量數(shù)據(jù)等內(nèi)容等分析出故障原因進(jìn)而制定改進(jìn)方案，并經(jīng)過試驗驗證、市場運行等取得了預(yù)期的改進(jìn)效果和良好的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：故障率;傳感器絕緣;感溫元件;熱膨脹性

0 ?引言

在上一年度的用戶產(chǎn)品問題分析中發(fā)現(xiàn)，傳感器故障引發(fā)的用戶投訴及質(zhì)量索賠呈上升趨勢，改進(jìn)目前傳感器存在問題有很大的現(xiàn)實意義。

船舶發(fā)動機(jī)監(jiān)控儀系統(tǒng)，其中溫度傳感器是監(jiān)控儀系統(tǒng)的核心部件，當(dāng)此部件產(chǎn)生故障時，監(jiān)控儀整機(jī)也不能正常工作，嚴(yán)重時會造成用戶短期不能開船;因此，此部件的可靠性至關(guān)重要，找到公司配套儀表的傳感器問題并改進(jìn)顯得尤為重要。

針對我公司生產(chǎn)的傳感器，對上一年度1月至12月的三包返修件進(jìn)行了統(tǒng)計，統(tǒng)計表明溫度傳感器故障率達(dá)2.53%，且其故障數(shù)占船用儀表總故障數(shù)的18.58%，溫度傳感器質(zhì)量問題突出。

相關(guān)工程技術(shù)、質(zhì)量人員通過對故障件明細(xì)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)溫度傳感器的主要故障點為在用戶現(xiàn)場有故障而回廠無故障（無故障，但灌封膠與外殼有細(xì)小縫隙占比47%、傳感器無輸出占比32%）兩大質(zhì)量問題點。

質(zhì)量人員通過對我廠近10年以來溫度傳感器的故障率和故障點，結(jié)合傳感器質(zhì)量穩(wěn)定時期的故障率綜合考慮目標(biāo)設(shè)定0.5%。

1 ?故障原因分析

結(jié)合用戶現(xiàn)場退回的傳感器統(tǒng)計分析情況，技術(shù)、質(zhì)量人員從傳感器故障設(shè)計、工藝、生產(chǎn)過程控制、檢驗等環(huán)節(jié)對產(chǎn)生質(zhì)量問題的各原因進(jìn)行了逐一分析：

1.1 傳感器絕緣不穩(wěn)定

相關(guān)技術(shù)、工藝人員對占比47%的首類故障件進(jìn)行分析：此類故障件表現(xiàn)為在用戶現(xiàn)場傳感器失靈，而返廠后傳感器各項指標(biāo)均正常;溫度傳感器為PT100小信號傳感器，對絕緣電阻要求較高，如果出現(xiàn)絕緣電阻下降的情況，則會出現(xiàn)此故障現(xiàn)象;因此項目組首先觀察了故障件的外觀，發(fā)現(xiàn)部分傳感器的灌封膠與銅導(dǎo)線有細(xì)小縫隙，而傳感器是在高溫高濕情況使用，因此有縫隙的傳感器一定會出現(xiàn)絕緣電阻下降的現(xiàn)象;

為確認(rèn)是否此現(xiàn)象造成，選取了兩只外觀良好的此類返廠無故障傳感器，清洗烘干后進(jìn)入130℃下恒溫恒濕箱內(nèi)測試;分別在10min、30min、60min、70min，80min，90min，100min后測試樣品絕緣性能，加壓500VDC，時間40s通過此實驗，確認(rèn)傳感器絕緣不穩(wěn)定是產(chǎn)生此類故障的重要因素之一。

1.2 感溫元件引腳斷或元件開裂

技術(shù)、質(zhì)量人員對占比32%無輸出的故障傳感器進(jìn)行了解剖，解剖后發(fā)現(xiàn)感溫元件不是出現(xiàn)引腳斷就是出現(xiàn)元件開裂的現(xiàn)象，出現(xiàn)此現(xiàn)象后傳感器斷路，無輸出;因此感溫元件引腳斷或元件開裂是傳感器失效的另一個重要因素。

1.3 插針壓接等裝配質(zhì)量不合格、使用不當(dāng)造成引線斷、傳感器外殼破壞

質(zhì)量人員調(diào)查了公司產(chǎn)品壓接/裝配工藝、檢驗工藝完善，生產(chǎn)過程可控;船用發(fā)動機(jī)溫度傳感器使用工況復(fù)雜，不可避免的會出現(xiàn)傳感器在安裝和運輸過程中因外力因素造成傳感器損壞。上述不是主要故障原因。

2 ?改進(jìn)方案設(shè)計

2.1 針對傳感器絕緣不穩(wěn)定，相關(guān)技術(shù)人員經(jīng)過分析討論擬從下述方面進(jìn)行改進(jìn)：①引線溫度耐溫等級提高到150℃。②改進(jìn)外殼設(shè)計，減少潮氣進(jìn)入傳感器內(nèi)部的概率。③用進(jìn)口絕緣膠，多次密封傳感器，根本杜絕潮氣;進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)，擬在T=130℃，自然濕度的情況下，絕緣電阻值≥100MΩ。

2.2 感溫元件引腳斷或元件開裂擬從下述方面進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)：①導(dǎo)線與引腳由焊接改為壓接方式;②調(diào)整黃銅壁厚，增大裝配內(nèi)腔空間，增加膠填充量，增加對芯片的保護(hù);③不銹鋼環(huán)壓接在整根導(dǎo)線外絕緣皮上，增強(qiáng)抗振能力;④用進(jìn)口絕緣膠，密封傳感器，形成一個整體。提高傳感器抗振動的能力，確保元件和其引腳不再損壞。

注：因兩種要因的改進(jìn)有相互作用，因此項目組將各改進(jìn)措施結(jié)合在一起改善。

3 ?改進(jìn)方案及試驗驗證

改進(jìn)前：

①黃銅頭部壁厚較厚，內(nèi)腔空間小，導(dǎo)致膠量不足，對芯片的保護(hù)不足。

②芯片的頭部是由膠帶纏裹，較難保證傳感器芯片的長期穩(wěn)定性、抗振性能、耐濕熱性能。

③內(nèi)部絕緣采用的是一般的PET/PVC熱縮管，絕緣性能和耐溫性能不足，不能有效的隔絕外界潮氣，在特定情況下傳感器存在絕緣降低的風(fēng)險。

改進(jìn)后：

①端口增加螺紋增大密封膠與金屬的接觸面，減少濕氣進(jìn)入傳感器內(nèi)部。

②調(diào)整壁厚，增大裝配內(nèi)腔空間，增加膠填充量，對芯片加強(qiáng)保護(hù)。

③芯片裝配工藝采用壓接工藝，取消膠帶纏裹、PET/PVC熱縮管，采用進(jìn)口絕緣膠，用膠多次密封傳感器，將傳感器與引線等形成一個整體;通過材料的選擇和改進(jìn)工藝，能有效地提升產(chǎn)品的長期穩(wěn)定性、抗振性能、最大程度上隔絕濕氣，提高絕緣性能。

④不銹鋼環(huán)壓接在整根導(dǎo)線外絕緣皮上，消除了原壓接對導(dǎo)線的產(chǎn)品的性能可能會造成潛在故障的風(fēng)險。

試驗1

測試設(shè)備：烘箱

測試方法：

將改進(jìn)后溫度傳感器（1-1）和改進(jìn)前的溫度傳感器（1-2）的導(dǎo)線剪為長度一致，清洗表面污漬，待表面干燥后一同放入130℃烘箱中持續(xù)烘烤，烘烤觀察時間為90min，觀察兩個樣品在經(jīng)過不同時間烘烤后其尾部導(dǎo)線的護(hù)套與內(nèi)皮之間的空隙情況。

測試結(jié)果：

將1#樣本組改進(jìn)后溫度傳感器（1-1）和改進(jìn)前的溫度傳感器（1-2）一同放入130℃烘箱中持續(xù)烘烤后取出，樣品尾部導(dǎo)線的護(hù)套與內(nèi)皮截面圖如1所示，圖（a）為未經(jīng)高溫處理的，圖（b）為處理90min后的。

試驗結(jié)論：

改進(jìn)后導(dǎo)線的熱膨脹性有提升，導(dǎo)線的護(hù)套與內(nèi)皮無間隙保證傳感器信號的穩(wěn)定性。

試驗2

測試改進(jìn)后溫度傳感器改進(jìn)工藝成品在高溫油槽內(nèi)的絕緣性能，3#樣本組改進(jìn)后溫度傳感器（3-1），改進(jìn)前的溫度傳感器（3-2）。

測試設(shè)備：

Fluke7340油槽 （介質(zhì)：硅油）

絕緣耐壓測試儀

測試方法：

將3#樣本改進(jìn)后溫度傳感器（3-1）和改進(jìn)前的溫度傳感器（3-2）放入油槽內(nèi)進(jìn)行測試。設(shè)置油槽溫度為80℃、100℃、130℃，每個溫度分別放置10min、30min、60min，測試樣品絕緣性能，加壓500VDC，時間40s。

通過測試高溫油槽內(nèi)樣品的絕緣性能，可以看出，改進(jìn)后（3-1）溫度傳感器在油槽溫度為80℃，100℃，130℃時其絕緣阻值都隨著時間的增加而增大，而改進(jìn)前的溫度傳感器（3-2）在80℃，130℃時其絕緣阻值隨著時間的增加而減小。見圖3所示。

4 ?現(xiàn)場運行效果及技術(shù)成果，經(jīng)濟(jì)價值

經(jīng)過今年6月至9月陸續(xù)在船上裝改進(jìn)后的溫度傳感器600余只，至今用戶回訪，改進(jìn)后的溫度傳感器現(xiàn)場使用未發(fā)現(xiàn)故障。

經(jīng)過3個月數(shù)據(jù)統(tǒng)計、故障率由上一年的2.53%下降到了0.22%，達(dá)到了故障率下降到0.5%設(shè)定目標(biāo)。為后期產(chǎn)品設(shè)計、質(zhì)量積累了經(jīng)驗，創(chuàng)造了較好經(jīng)濟(jì)價值和產(chǎn)品信譽。

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