不锈钢基底厚膜应变传感器的制备与性能研究
发布时间：2021-07-30 21:16
应变传感器在土木工程结构健康监测领域中扮演着重要角色。目前主流应变传感器存在一些不足,例如电阻应变片耐久性差、振弦传感器售价较高且只适用于测量静态应变、光纤布拉格光栅应变传感器价格昂贵且安装与布控繁琐。鉴于此,为丰富应变传感器的种类,本文将同样具备优异耐久性、高性价比的厚膜电阻与不锈钢结合,探索制备不锈钢基底厚膜应变传感。研究厚膜电阻的基本性能、设计传感器的转换元件结构形式并测试设计制备的传感器性能。包括如下主要内容:（1）制备不锈钢基底厚膜电阻并进行基本性能测试。选择了分层烧制介质层的不锈钢基底绝缘化处理工艺以及了解了基底达一定厚度方可保证厚膜电阻的稳定性能,测得厚膜电阻的应变系数为10、温度系数为66ppm/℃。探索制备出温度系数为24ppm/℃的厚膜电阻,减小了温度影响,随后对其进行稳定性测试,表明有良好的阻值稳定性。（2）分析了在两种转换元件结构形式下应变传感器的应变量程与灵敏度。发现量程放大的矩形式结构,传感器量程小于基底屈服应变值;双环式结构,可设计出量程大于基底屈服应变值的量程放大的应变传感器。有限元模拟验证了双环结构理论计算的正确性,改变环结构竖梁线宽的优化方法对结构竖...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
丝网印刷原理图
测电阻应变系数略微降低[55]。综上，采用三次烧结介质层不仅可以提高烧结成功率与保证介质层绝缘效果，同时可以保证此种烧制工艺制备的应变传感器有较高的应变敏感性；（2）虽然打磨基片可以增强共烧介质层的成功率，但同时因为打磨去除了不锈钢表面富集的铬离子，加剧了中高温锈蚀的程度[11]，降低了不锈钢的耐久性。于是，在采用多次烧结的前提下，不采用对基底打磨处理的方法完全能达到黏附性要求。2.2.3试件尺寸与图形设计实验采用两种不锈钢基片厚度（0.76mm、0.26mm）但平面尺寸相同的不锈钢基片制备厚膜电阻试件。图2-2为不锈钢基底厚膜电阻试件平面尺寸示意图。图2-2不锈钢基底厚膜试件平面尺寸示意图2.3厚膜电阻基本性能方阻（R□）、应变系数（GF）和电阻温度系数（TCR）是厚膜电阻的三个基本性能指标而且后两个性能指标直接影响厚膜应变传感器的应变和温度敏感性。本节制备
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-12-表厚膜电阻的实际GF，排除基片厚度的影响[12]。根据文明对430不锈钢基底厚膜电阻试件中的应变测量结果来看，可以设置900με作为厚膜电阻的拉伸极限应变值，由式（2-3）计算出0～900με，间隔100με对应的试件弯曲挠度di作为位移加载目标。给厚膜电阻加载初始挠度将此时设为0d，电阻值0R，并测量出加载di时对应的厚膜电阻值iR,由此得到十组i、iR数据，由此绘制出iR－i图，计算应变系数。图2-3厚膜电阻应变系数加载原理图2.3.1.3电阻温度系数与测试电阻温度系数（TCR）表示为厚膜电阻在温度改变1℃时，阻值的相对变化量，单位为ppm/℃，即为电阻值随温度变化的敏感性。其计算公式可以用式（2-4）表示：216121=10RRRTCRRTRTT（）(2-4)式中R——温度变化导致的电阻值变量（Ω）；1R——温度T1对应的电阻阻值R1（Ω）；2R——温度T2对应的电阻阻值R2（Ω）。电阻温度系数可以根据测试的温度区间分为热电阻温度系数（HTCR）与冷电阻温度系数（CTCR），相应温度区间分别为25~125℃、-55~25℃。综合考虑到实验室条件与所设计应变传感器实际使用的环境温度范围，选择测量热电阻温度系数，后面用电阻温度系数默认代替热电阻温度系数。实验测量条件为T1=25℃，T2=125℃，测试实验过程：（1）将各个不锈钢基底厚膜试件焊接上耐高温的导线，经检测导线的阻值对测量结果影响小；（2）将上述各个试件放入干燥箱中并设置目标温度25℃；（3）保温20min，待到目标温度稳定后，测量各个试件的电阻值1iR；（4）完成记录后，将干燥箱温度设置为125℃；（5）同样待到设定温度稳定后，测量各个厚膜电阻的阻值2iR；（6）利用式（2-4）计算出各个不锈钢厚膜高电阻温度系数。
【参考文献】：
期刊论文
[1]高层建筑健康监测中传感器优化配置的研究进展[J]. 尹训强,刘孝鹏,王桂萱,蒋怀梅. 结构工程师. 2019(02)
[2]惠斯通电桥原理及应用研究[J]. 张丽琴,徐士涛. 赤峰学院学报(自然科学版). 2018(07)
[3]土木工程结构健康监测系统的研究状况与进展[J]. 何冀尧. 门窗. 2017(11)
[4]用于较大水平位移测量的电阻应变式位移传感器[J]. 牛庆芳,师希望,陈金永,魏剑伟,李铁英. 土木建筑与环境工程. 2016(05)
[5]厚膜电阻浆料的研究现状与发展趋势[J]. 李娟,谢泉,黄晋,吴良庆,贺晓金. 电子科技. 2016(09)
[6]高性能钌系玻璃釉电阻浆料的研制[J]. 刘显杰,徐磊,孙立志,程耿,陈学通. 船电技术. 2016(07)
[7]不锈钢基压电厚膜俘能器的制作与性能测试[J]. 殷小林,董维杰,王大志,杨淑. 压电与声光. 2016(02)
[8]桥梁健康监测系统的功能及在桥梁运营中的应用实例[J]. 于兴泉,韩涛,梁柱. 公路. 2014(11)
[9]基于FBG精细谱的应变增敏型传感器的设计[J]. 苏娟,董小鹏,石志东. 中国激光. 2014(08)
[10]表面式FBG应变传感器及其在高速公路桥梁工程中的应用[J]. 郭永兴,张东生,周祖德,李立彤,朱方东. 光电子.激光. 2014(03)
博士论文
[1]基于厚膜工艺的不锈钢压力传感器设计与制造技术研究[D]. 张宗阳.华中科技大学 2013
硕士论文
[1]低弹性模量埋入型混凝土应变传感器的研究[D]. 蔡阳.浙江工业大学 2015
[2]工具式应变传感器在桥梁检测中的应用研究[D]. 戴显著.重庆交通大学 2015
[3]不同基底厚膜电阻应变传感器的制备与性能研究[D]. 文明.哈尔滨工业大学 2014
[4]厚膜电阻应变计的制备与性能研究[D]. 高品.哈尔滨工业大学 2013
[5]光纤Bragg光栅耐高温应变传感器及其应用[D]. 马耀远.电子科技大学 2013
[6]光纤光栅应变传感器的研制[D]. 盛培军.哈尔滨工业大学 2006
本文编号：3312141
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
丝网印刷原理图
测电阻应变系数略微降低[55]。综上，采用三次烧结介质层不仅可以提高烧结成功率与保证介质层绝缘效果，同时可以保证此种烧制工艺制备的应变传感器有较高的应变敏感性；（2）虽然打磨基片可以增强共烧介质层的成功率，但同时因为打磨去除了不锈钢表面富集的铬离子，加剧了中高温锈蚀的程度[11]，降低了不锈钢的耐久性。于是，在采用多次烧结的前提下，不采用对基底打磨处理的方法完全能达到黏附性要求。2.2.3试件尺寸与图形设计实验采用两种不锈钢基片厚度（0.76mm、0.26mm）但平面尺寸相同的不锈钢基片制备厚膜电阻试件。图2-2为不锈钢基底厚膜电阻试件平面尺寸示意图。图2-2不锈钢基底厚膜试件平面尺寸示意图2.3厚膜电阻基本性能方阻（R□）、应变系数（GF）和电阻温度系数（TCR）是厚膜电阻的三个基本性能指标而且后两个性能指标直接影响厚膜应变传感器的应变和温度敏感性。本节制备
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-12-表厚膜电阻的实际GF，排除基片厚度的影响[12]。根据文明对430不锈钢基底厚膜电阻试件中的应变测量结果来看，可以设置900με作为厚膜电阻的拉伸极限应变值，由式（2-3）计算出0～900με，间隔100με对应的试件弯曲挠度di作为位移加载目标。给厚膜电阻加载初始挠度将此时设为0d，电阻值0R，并测量出加载di时对应的厚膜电阻值iR,由此得到十组i、iR数据，由此绘制出iR－i图，计算应变系数。图2-3厚膜电阻应变系数加载原理图2.3.1.3电阻温度系数与测试电阻温度系数（TCR）表示为厚膜电阻在温度改变1℃时，阻值的相对变化量，单位为ppm/℃，即为电阻值随温度变化的敏感性。其计算公式可以用式（2-4）表示：216121=10RRRTCRRTRTT（）(2-4)式中R——温度变化导致的电阻值变量（Ω）；1R——温度T1对应的电阻阻值R1（Ω）；2R——温度T2对应的电阻阻值R2（Ω）。电阻温度系数可以根据测试的温度区间分为热电阻温度系数（HTCR）与冷电阻温度系数（CTCR），相应温度区间分别为25~125℃、-55~25℃。综合考虑到实验室条件与所设计应变传感器实际使用的环境温度范围，选择测量热电阻温度系数，后面用电阻温度系数默认代替热电阻温度系数。实验测量条件为T1=25℃，T2=125℃，测试实验过程：（1）将各个不锈钢基底厚膜试件焊接上耐高温的导线，经检测导线的阻值对测量结果影响小；（2）将上述各个试件放入干燥箱中并设置目标温度25℃；（3）保温20min，待到目标温度稳定后，测量各个试件的电阻值1iR；（4）完成记录后，将干燥箱温度设置为125℃；（5）同样待到设定温度稳定后，测量各个厚膜电阻的阻值2iR；（6）利用式（2-4）计算出各个不锈钢厚膜高电阻温度系数。
【参考文献】：
期刊论文
[1]高层建筑健康监测中传感器优化配置的研究进展[J]. 尹训强,刘孝鹏,王桂萱,蒋怀梅. 结构工程师. 2019(02)
[2]惠斯通电桥原理及应用研究[J]. 张丽琴,徐士涛. 赤峰学院学报(自然科学版). 2018(07)
[3]土木工程结构健康监测系统的研究状况与进展[J]. 何冀尧. 门窗. 2017(11)
[4]用于较大水平位移测量的电阻应变式位移传感器[J]. 牛庆芳,师希望,陈金永,魏剑伟,李铁英. 土木建筑与环境工程. 2016(05)
[5]厚膜电阻浆料的研究现状与发展趋势[J]. 李娟,谢泉,黄晋,吴良庆,贺晓金. 电子科技. 2016(09)
[6]高性能钌系玻璃釉电阻浆料的研制[J]. 刘显杰,徐磊,孙立志,程耿,陈学通. 船电技术. 2016(07)
[7]不锈钢基压电厚膜俘能器的制作与性能测试[J]. 殷小林,董维杰,王大志,杨淑. 压电与声光. 2016(02)
[8]桥梁健康监测系统的功能及在桥梁运营中的应用实例[J]. 于兴泉,韩涛,梁柱. 公路. 2014(11)
[9]基于FBG精细谱的应变增敏型传感器的设计[J]. 苏娟,董小鹏,石志东. 中国激光. 2014(08)
[10]表面式FBG应变传感器及其在高速公路桥梁工程中的应用[J]. 郭永兴,张东生,周祖德,李立彤,朱方东. 光电子.激光. 2014(03)
博士论文
[1]基于厚膜工艺的不锈钢压力传感器设计与制造技术研究[D]. 张宗阳.华中科技大学 2013
硕士论文
[1]低弹性模量埋入型混凝土应变传感器的研究[D]. 蔡阳.浙江工业大学 2015
[2]工具式应变传感器在桥梁检测中的应用研究[D]. 戴显著.重庆交通大学 2015
[3]不同基底厚膜电阻应变传感器的制备与性能研究[D]. 文明.哈尔滨工业大学 2014
[4]厚膜电阻应变计的制备与性能研究[D]. 高品.哈尔滨工业大学 2013
[5]光纤Bragg光栅耐高温应变传感器及其应用[D]. 马耀远.电子科技大学 2013
[6]光纤光栅应变传感器的研制[D]. 盛培军.哈尔滨工业大学 2006
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