測力感測器

在受到外力作用后，粘貼在彈性體的應變片隨之產生形變引起電阻變化，電阻變化使組成的惠斯登電橋失去平衡輸出一個與外力成線性正比變化的電量電信號。

彈性體的材料

測力感測器彈性體材料，一般選用金屬材質，可選用的材質大部分為鋁合金材質、合金鋼材質及不鏽鋼材質。合金材質既有剛度保證形變一致及形變恢復，又有良好的耐候防腐性能。彈性體的主要要求就是能夠精確傳遞受力信息並保持在相同受力時的形變一致性和完全複位性。

應變片及電阻元件材料

電阻應變片的組成複雜，是複合型製造產品，應變片的基材和應變銅質的組合千變萬化，根據其應變要求，目前，大約有近千種產品。一般，基材採用高分子薄膜材料，應變材質為高純度康銅。基材上的康銅通過光學處理后刻蝕不同感應形變的電阻柵絲。因此，電阻應變片的品質不僅與基材材質和複合的金屬純度有關，而且與複合工藝、刻蝕技術及工藝、刻蝕化學材料及后處理工藝和材料等等因素相關。

貼片粘合劑的材質

電阻應變片貼片用粘合劑主要採用雙組分高分子環氧系列粘合劑，高分子化學產品的性能與各個組分的物理及化學指標密切相關，如純度、分子鏈的結構和大小、儲存時間、組分的配比、分子改性、混合方式、混合熟化使用時間、固化時間、固化溫度、助劑及百分比等因素。

密封膠的材質

在焊接技術及設備不充分的測力感測器初期階段，均採用專用硅橡膠密封膠系列。硅橡膠具有長期化學穩定性，因此，防腐、防潮、耐老化、絕緣等各項性能優異，長期以來一直是所有密封膠的首選產品。

測力感測器的導線材質

導線依然是測力感測器組成的一部分，測力感測器導線的金屬材質，由於家庭電器的電線使用，質量差異都有切身體會。畢竟導線是橋路供電、信號輸出、長線激勵電壓補償的通路，鍍銀線肯定比銅線傳導效果好，銅線肯定比鋁線傳導效果好，其作用不言而喻。

隨著，各種高頻、無線電波等越來越多的干擾，測力感測器的優良屏蔽也是保護信號穩定的重要方法。另外，環境侵蝕、蟲鼠侵害、防火阻燃等也需要感測器保護層的材料防腐防蟲防火防爆，甚至需要採用鎧甲保護、套管防護等方法。

導線密封材料及方式

測力感測器的每個組成部分都會影響感測器最終的技術性能，一些測力感測器僅僅採用簡單固定的方式避免感測器導線的移動而損傷感測器的電子電路固定，一些傳導距離很短的測力感測器甚至僅僅依靠膠封固定。但較大體積、重量較大的測力感測器，如果沒有適當導線固定或密封的方式，就是測力感測器最易產生故障的瓶頸。特別是加裝密封頭固定導線時，緊固件的材質及緊固力度也會給測力感測器的最終技術性能帶來影響。觀察者發現，很少有使用緊固件安裝使用密封粘合劑的，這樣可以避免依靠緊固力固定帶來的殘餘應力，也不會由於緊固力不足而產生泄露的問題。

影響測力感測器穩定性的因素較多，歸納起來主要有：

1、測力感測器的結構

測力感測器的彈性元件、外殼、膜片及上壓頭、下壓墊的設計，都必須保證受載后在結構上不產生性能波動，或性能波動很小，為此在測力感測器設計時，應盡量作到應變區受力單一，應力均勻一致；貼片部位最好為平面；在結構上保證具有一定的抗偏心載荷和側向載荷的能力；安裝力遠離應變區，測量時應避免載荷支承點的位移。儘管測力感測器屬於裝配製造產品，但為了保證具有最佳技術性能和長期穩定性，儘可能將它設計成一個整體結構。

2、彈性元件的金屬材料

彈性元件的金屬材料對測力感測器的綜合性能和長期穩定性起關鍵作用。應選擇強度極限和彈性極限高，彈性模量的時間、溫度穩定性好，彈性滯后小，機械加工和熱處理產生的殘餘應力小的材料。有資料表明：只要材料淬火后的塑性好，它在機械加工和熱處理后的殘餘應力就小。還要特別重視彈性模量隨時間的穩定性，要求在測力感測器使用壽命期間內材料的彈性模具不發生變化。

3、機械加工與熱處理工藝

彈性元件在機械加工過程中，由於表面變形的不均勻產生較大的殘餘應力，切削用量越大，殘餘應力就越大，磨削加工產生的殘餘應力最大。因此應制訂合理的加工工藝和規定適當的切削用量。彈性元件在熱處理過程中，由於冷卻溫度不均勻和金屬材料相變等原因，在芯部和表層產生方向不同的殘餘應力，其芯部為拉應力，表層為壓應力。必須通過回火處理工藝，在其內部產生方向相反的應力，與殘餘應力相互抵消，減少殘餘應力的影響。

4、電阻應變計與應變粘結劑

電阻應變計應具有最佳性能，要求靈敏係數穩定性好，熱輸出小，機械滯后和蠕變小，應變數為1000×10 時疲勞壽命可達108，電阻值偏差小，批次質量均一性好等。應變粘結劑應具有粘結強度大，抗剪強度高；彈性模量較大且穩定；電絕緣性能好；具有與彈性元件相同或相近的熱膨脹係數；蠕變和滯后小；固化時膠層體積收縮小等。粘貼電阻應變計時一定要嚴格控制膠層厚度，因為粘結強度隨膠層厚度的增加而降低。

這是由於薄的膠層需要更大的應力才能變形，不易產生流動和蠕變，界面上的內應力很小，產生氣泡和缺陷的幾率也比較小，應變傳遞性能好，只要防護密封合理就可達到較高的穩定性水平。

5、製造工藝流程

應變式測力感測器的工作原理和總體結構決定了，在生產工藝流程中有些工序必須手工操作，人為的因素對測力感測器的質量影響較大。因此必須制訂科學合理並可重複的製造工藝流程，並在其中增加電子計算機控制的自動化或半自動化工序，盡量減少人為因素對產品質量的影響。

6、電路補償與調整

應變式測力感測器屬於裝配製造，貼片組橋后就形成了產品，由於內部不可避免的產生一些缺陷和外界環境條件的影響，測力感測器的某些性能指標達不到設計要求，因此必須進行各項電路補償與調整，提高測力感測器本身的穩定性和對外部環境條件的穩定性。完善而精細的電路補償工藝，是提高測力感測器穩定性的重要環節。

7、防護與密封

防護與密封是測力感測器製造工藝流程中的要害工序，是測力感測器耐受客觀環境和感應環境影響而能穩定可靠工作的根本保障。如果防護密封不良，粘貼在彈性元件上的電阻應變計及應變粘結劑膠層，都會吸收空氣中的水分而產生增塑，造成粘結強度和剛度下降，引起零點漂移和輸出無規律變化，直至測力感測器失效。

因此有效的防護密封是測力感測器長期穩定工作的根本保證，否則將使各項工藝成果前功盡棄。

8、穩定性處理（人工老煉試驗）

提高測力感測器的穩定性除處理好上述各種因素的影響外，最重要的途徑就是採取各種技術措施和工藝手段，模擬使用條件進行有效的人工老練試驗，盡量多的釋放殘餘應力使其性能波動減至最小。

由於彈性元件在毛坯鍛造、機械加工、熱處理、表面打磨、電阻應變計粘貼和加壓固化等工藝過程中產生各種殘餘應力，隨著時間和使用條件的變化不斷鬆弛釋放，而造成測力感測器的性能波動，主要表現在零點和靈敏度不穩定。

為使測力感測器在生產過程中渡過初始不穩定期，採用工藝手段模擬各種使用條件進行試驗，使其儘快穩定的工藝稱為穩定性處理，也稱人工老煉試驗。測力感測器釋放殘餘應力的穩定性處理方法，除製造工藝流程中常用的溫度老化和電老化處理外，主要有兩種方法，即熱處理法和機械法。

1、熱處理法

多應用於鋁合金測力感測器，在毛坯加工成彈性元件後進行，主要有反淬火法、冷熱循環法和恆溫時效法。

（1）反淬火法

國內也稱深冷急熱法。將鋁合金彈性元件置於-196℃的液氮中，保溫12小時后，迅速用新生的高速蒸汽噴射或放入沸水之中。因深冷與急熱產生的應力方向相反而相互抵消，達到釋放殘餘應力的目的。試驗表明，採用液氮———高速蒸汽法可降低殘餘應力84%，採用液氮———沸水法可降低殘餘應力50%。

（2）冷熱循環法

冷熱循環穩定性處理工藝為- 196℃×4小時/190℃×4小時，循環3次，可使殘餘應力下降90%左右，並且組織結構穩定，微量塑性變形抗力高，尺寸穩定性好。釋放殘餘應力的效果如此明顯，一是因為加熱時原子熱運動能量增加，點陣畸變減小或消失，內應力下降，上限溫度越高，原子熱運動越大塑性越好，越有利於殘餘應力釋放。二是因為冷熱溫度梯度產生的熱應力與殘餘應力相互作用，使其重新分佈而獲得殘餘應力下降的效果。

（3）恆溫時效法

恆溫時效即可消除機械加工產生的殘餘應力，又能消除熱處理引入的殘餘應力。LY12硬鋁合金在200℃高溫下恆溫時效時，殘餘應力釋放與時效時間關係表明，保溫24小時，可使殘餘應力下降50%左右。

2、機械法

機械法穩定性處理，多在測力感測器電路補償與調整和防護密封后，基本形成產品時進行。主要工藝有脈動疲勞法、超載靜壓法和振動時效法。

（1）脈動疲勞法

將測力感測器安裝在低頻疲勞試驗機上，施加上限為額定載荷或120%額定載荷，以每秒3～5次的頻率進行5000～10000次的循環。可有效的釋放彈性元件、電阻應變計、應變粘結劑膠層的殘餘應力，提高零點和靈敏度穩定性的效果極為明顯。

（2）超載靜壓法

理論上適用於各種量程，但在實際生產中以鋁合金小量程測力感測器應用較多。

其工藝是：在專用的標準砝碼載入裝置中或簡易的機械螺旋載入設備上，對測力感測器施加125%額定載荷，保持4～8小時，或施加110%額定載荷，保持24小時，兩種工藝都可以達到釋放殘餘應力，提高零點和靈敏度穩定性的目的。由於超載靜壓工藝所用設備簡單，成本低，效果好，為鋁合金測力感測器製造企業廣泛採用。

（3）振動時效（Vibratory Sterss Reliering）法

將測力感測器安裝在額定正弦推力滿足振動時效要求的振動台上，根據稱重感測器的額定量程估算頻率，來決定施加的振動載荷、工作頻率和振動時間。共振時效比振動時效釋放殘餘應力的效果更好，但必須測量出測力感測器的固有頻率。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。振動時效的機理，目前尚無定論。國外專家提出的理論和觀點有：塑性變形理論、疲勞理論、晶格錯位滑移理論、能量觀點及材料力學觀點等。只是作出了不同程度的解釋，但都沒有充分的、有說服力的、權威性的試驗證明。

這些理論和觀點往往是相互交叉的，所以可認為振動時效的機理是一個複雜的過程。經過振動時效的試驗研究，有些專家傾向於用材料力學的重複應力過載的觀點，解釋振動時效的機理。即作用在彈性元件上的振動應力與其內部的殘餘應力相互作用，使殘餘應力鬆弛並釋放。