称重传感器弹性体材料关键技术研究及应用

发布时间：2020-04-28 18:41

【摘要】：弹性体是应变式称重传感器核心元件,弹性体的滞弹性能影响传感器精度和计量性能,是传感器设计中的关键技术。弹性体滞弹性研究是开发高精度称重传感器的必由之路。本文首次采用配以高精度温箱和加载装置的双频激光干涉测试系统,纳米尺度量化研究了17-4PH钢滞弹特性,该测试系统精度达到0.1nm。采用应变式传感器设计原理,定性研究了不同亚结构40CrNiMo钢滞弹行为。结合透射电镜、内耗测试、数值模拟和X衍射等技术系统研究了17-4PH钢和40CrNiMo钢弹性体滞弹特性。分析了2Cr13钢弹性体易开裂失效的原因,并解决了困扰2Cr13钢弹性体工程应用问题。论文主要工作和成果如下: 研究了17-4PH钢弹性体测试间隔时间对滞弹性能的影响。结果表明,测试间隔时间约低于12分钟,17-4PH钢弹性体滞后和回零值无变化,间隔时间大于12分钟,弹性体滞后和回零随测试等待时间延长而增加。分析认为,溶质原子应力感生有序是造成17-4PH钢滞后和回零随测试等待时间变化的根本原因,应力感生有序造成的滞后占到17-4PH钢滞后的4～7%。磁场影响17-4PH钢滞弹性,磁饱和弹性体滞后比未经磁化处理弹性体滞后低20～30%,部分磁化弹性体滞后要高于未磁化弹性体的滞后。分析认为,磁饱和弹性体无磁弹性内耗产生(磁致伸缩及其逆效应),从而降低滞后;部分磁化弹性体内部可能形成宏观涡流损耗,导致滞后增大。研究了相同固溶处理,不同时效工艺17-4PH钢滞弹行为。结果表明,固溶态(不时效)17-4PH钢具有突出大滞弹,尤其是弹性蠕变。相同硬度条件下,低温时效试样滞弹性能好于高温时效试样,过时效增大17-4PH钢滞弹,17-4PH钢的硬度和滞弹性能呈非线性关系。分析认为,17-4PH钢强化源于基体中弥散析出的Cu粒子,时效温度升高,Cu粒子尺寸变大、弥散度下降、基体位错密度降低、回复特征明显,从而滞弹性变差。加载应力和测试温度对弹性体滞弹性能有显著影响,弹性蠕变和蠕变恢复值同步变化,它们和滞后随加载应力增大、测试温度升高而变大。应力对滞后的影响明显大于温度对滞后的影响。弹性体滞弹性的绝对变化量和相对变化量无对应关系。17-4PH钢内耗测试表明,内耗随着应变振幅增加和温度上升而变大,动态模量与内耗变化方向相反,内耗大小与滞弹性具有相似的变化趋势,试样在低于10~(-6)应变即产生内耗和滞后。研究了17-4PH钢固溶后、时效前的预形变对弹性体滞后的影响,结果表明,预形变方向与弹性体测试同向则降低滞后,反向则增加滞后,该现象和包申格效应有关。研究了相同淬火温度,不同回火亚结构40CrNiMo钢滞弹特性。结果表明,回火屈氏体滞弹性能最好,回火马氏体和回火索氏体滞弹较差。分析认为,低温回火组织中约4.1%沿界面分布的残余奥氏体,以及组织中存在较大残余拉应力和不稳定组织降低了回火马氏体滞弹性能。中温回火时,淬火形成的孪生组织和残余奥氏体转变基本结束,淬火拉应力消除,回火屈氏体组织具有优良滞弹性能。高温回火组织强度低、碳化物粗化导致回火索氏体较差的滞弹性能。研究了不同热处理工艺、相同热处理硬度(44～46HRC)时40CrNiMo钢滞弹特性。结果表明,等温淬火下贝氏体组织滞弹性最优,亚温淬火和高温淬火均不利于滞弹性能。亚温淬火组织中沿晶未溶铁素体增大弹性体滞弹性。高温淬火粗大组织降低了相界面积,晶界滑移阻力下降,增大滞弹。下贝氏体由条状铁素体和弥散均匀分布的短杆状碳化物组成,弥散均布碳化物以及组织中残余压应力是下贝氏体具有最佳滞弹性能的主因。研究表明,2Cr13钢应力腐蚀开裂倾向较大,原420℃回火工艺处于2Cr13钢敏化温度和回火脆性区。在270～420℃回火区间,2Cr13钢应力腐蚀抗力随回火温度升高显著降低,应力腐蚀开裂敏感性指数由300℃回火时的9.2%上升到420℃回火时的71.8%。在270～420℃回火区间,随回火温度升高,2Cr13钢强度略微增加,冲击性能显著降低,滞后略微减小。弹性体表面Ni-P镀层内存在约150MPa拉应力,Ni-P镀显著降低2Cr13钢应力腐蚀抗力。喷丸强化在工件表面诱导650MPa压应力,极大提高2Cr13钢应力腐蚀开裂抗力。
【图文】：

电阻应变片,敏感栅

(1)应变片电阻应变片(应变计)是传感器的敏感元件，应变片结构多种多样，但它们的基本组成相似。图1.2是常用的电阻应变片，由敏感栅、基底、盖层、粘结剂等组成。敏感栅是把应变转换为电阻变化的敏感元件，它是电阻应变片的核心部分，常用的敏感栅材料有康铜、卡玛合金等，用照影和蚀刻的方法将箔材加工成敏感栅，敏感栅的厚度数十微米。通过调整应变计敏感栅材料的合金成分配比、改变箔材冷轧成型压缩率以及适当的热处理，可以使敏感栅阻值不随环境温度改变而变化。敏感栅蠕变性能可通过改变其结构、基底材料配比及关键工艺参数加以调节。美国VMM公司和德国HBM等公司，已经实现通过关键技术对应变片滞后特性的控制，尽管目前应变片滞后调节技术不成熟，但它的出现是高精度传感器发展过程中的重要突破。基底材料是支撑敏感栅

对称分布,柱式,惠斯通电桥,弹性体

应变式称重传感器一般采用全桥式等臂桥路，全桥电路灵敏度高，等臂电桥的各桥臂参数一致，各种干扰的影响容易相互抵消。以受拉伸载荷柱式传感器为例推导桥式电路电压输出与弹性体应变之间的关系。如图1.3所示，柱式弹性体表面粘贴4只应变片，于弹性体对称分布，一侧2片，应变片丝栅方向分别平行和垂直于应力加载方向。弹性体受拉，平行于拉应力方向丝栅阻值变大，垂直于拉应力方向丝栅阻值变小。4只应变片构成惠斯通桥路。Straing铭e\恤胃图1.3柱式弹性体及惠斯通电桥 Fig.1.3ColumnsPringelementandWheatstonebridge设Rl、R3为受拉应变片阻值，受压应变片阻值为RZ、凡。在供桥端施加电压ul后，，输出端产生电压u。:R，R
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TH704;TG142.15

【参考文献】