金屬絲電阻應變管的製作方法

2023-08-05 16:14:51 2

專利名稱:金屬絲電阻應變管的製作方法
本發明是一種金屬絲電阻應變管，屬於應變電測技術領域：
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金屬導線在機械應變作用下發生電阻變化的現象-應變-電阻效應是由Lord kelvin(開耳芬勳爵)於1856年所發現的。直到1938年至1940年間，由E.Simmons(西蒙斯)在加州理工學院和A.Ruge(魯奇)在麻省理工學院同時分別創製出紙基絲繞式電阻應變片後，應變-電阻效應才開始被應用於實際工程測量。隨著對應變片需求的不斷提高，促使應變片的結構和製造工藝的不斷改進和性能的不斷改善。自1952年起先後出現了金屬箔式電阻應變片，半導體電阻應變片以及薄膜電阻應變片。
應變片具有重量輕、尺寸小和慣性小等優點，應用的實踐已證明它是一種較為精確、靈敏、簡單、多用途以及便於使用的和十分可取的電測敏感元件。然而應變片作為一種敏感元件，儘管形式多種多樣，性能各異，它的「片」狀的特徵在它有史以來的五十年時間裡卻始終沒有改變。
電阻應變片的用途基本上可歸納為下述兩類1.工程強度測試和實驗應力分析。使用中把應變片直接粘貼在要測試的構件的某一部位上，使兩者成為一體，如圖5所示。當構件發生應變時，應變片的電阻值隨著發生變化，經電橋測量電路把應變片的電阻變化轉換成電信號，並用微應變(με)單位顯示構件的應變量大小。
2.製作多種傳感器。把應變片粘貼在專門設計好的膜片，筒或環等彈性元件上，再按用途需要輔以一定的結構裝置及相應的測量電路，就構成了測量壓力、力等多種物理量的傳感器，如圖6、7、8、9所示。
一般說來，工程上要測量的非電物理量，如果能夠設法將其轉換成壓力或力的變化，那末就可以用應變片壓力或力傳感器來進行測量。在生理參數測量方面，生理壓力測量幾乎是不可缺少的。總之，壓力參數的測量無論在工業上，生物醫學工程上和眾多的科研領域中是最為普遍需要，最受人們所關注。但是「片」狀的金屬絲電阻應變片作壓力傳感器用時，存在著下述缺陷1.長期穩定性差。製造工藝上兩次使用粘結劑，兩次粘貼。在製造應變片時將金屬絲粘貼在基底上，在製造傳感器時將基底粘貼在彈性元件上。這樣，對粘貼工藝、粘結劑的穩定性、基底材料和粘結劑傳遞應變的能力等的要求很高，然而最好的粘結劑在一段時期使用後，也難免要出現蠕變、滯後、疲勞甚至鬆弛等現象，終使傳感器的長期穩定性變差。
2.體積大，重量大。對於小容器小管道壓力測量困難。為使彈性元件的應變足以反應待測壓力的變化，彈性元件必須有足夠大的表面積，它往往比應變片的面積大許多倍。因此，應變片傳感器的固有缺點就是體積大，重量大。這對於小容器小管道的直接壓力測量，對於人體內腔壓力的直接測量顯然很難辦到，若要測量，就得用導管將待測壓力與外部壓力傳感器相連。但導管的採用就使壓力測試裝置複雜化，並使壓力測量的精確性，特別是動態壓力測量的精確性受到影響。至於某些根本不允許採用導管的情況下的壓力測量，就無法求助於現行的壓力傳感器了。
3.結構複雜。構成一個最簡單的壓力傳感器除必須有應變片和彈性元件外，還需有彈性元件的夾持零件，密封墊圈和把待測壓力引入測試腔的壓力引入機構。此外使用時還需有一套安裝固定壓力傳感器的附件。
4.成本高，價格昂貴。應變片雖是十分廉價，但應變片式壓力或力傳感器的價格卻不是應變片的幾倍或幾十倍，而是上百倍或數百倍甚至上千倍。
本發明的任務是創製一種體積小、重量輕、結構簡單、使用方便、工作穩定可靠、成本低廉、具有廣泛用途特別適用於應變片結構難以解決的微壓力小管道、小容器和人體內腔的壓力測量的應變元件-金屬絲電阻應變管。
本發明方案為一種金屬絲電阻應變管，其基本特徵是在一根管子上製作出一段彈性薄壁管，在該薄壁管段上用金屬電阻應變絲均勻地纏繞、粘貼，把金屬絲的二個引出端頭分別用導線接出，以通向外部電路。方案的具體內容是1.金屬的或非金屬的管子上製作出薄壁管段，在該薄壁管段的兩端安置上引線環，然後在薄壁段的外圓上，先塗一層應變膠，經處理後用製造應變片的金屬電阻應變絲，從薄壁管段的一側向另一側均勻間繞，纏繞時稍施力拉緊金屬絲，繞制前後將金屬絲的兩個端頭分別與兩引線環相連。然後第二次塗上應變膠並經處理。再從引線環上接出通向外部測量電路的引出導線，引出導線的走向與管子的軸向平行，在管子的厚壁管段上預先開好凹槽，引出導線就嵌在這些凹槽中向外引出。用膠水填封凹槽，固定引出導線。
2.對管子兩側端面的密封處理。兩側端面可以均是開口不密封的;可以是一端密封，用膠氣密密封或將管子本身預先就加工成一端封閉的，而另一端則可以是(1)開口不密封，這樣管內初始壓力為大氣壓;(2)低於常溫密封(氣密)，這樣常溫時管內壓力為正壓(高於大氣壓);(3)高於常溫密封(氣密)，這樣，常溫時管內壓力為負壓(低於大氣壓);(4)充氣或抽真空密封(氣密)。
3.最後在整個管子的外表面塗上保護層材料。
本發明方案，把電阻應變元件從沿用整整五十年的「片」狀結構發展為「管」形結構，從而使基於應變電阻效應的電測技術和應變傳感技術實現重大突破。電阻應變管與應變片不同，它本身就是一個簡單而又完整的壓力、力傳感器。其主要優點有1.實現壓力、力傳感器結構的微型化。金屬絲電阻應變管是圓管狀的，管子可以做得很細，管徑可小至1mm或1mm以下。
2.結構簡單，易於實現壓力、力傳感器的系列化。管子可用金屬材料製造，也可用非金屬材料製造，管子工作段(薄壁管段)的橫向剛度與材料及尺寸有關。用不同剛度的管子和不同應變靈敏係數的金屬絲可以構成不同尺寸、不同靈敏度的一系列的適用於高壓、中壓、低壓和微壓測量的金屬絲電阻應變管。
3.製造工藝簡單，性能好。金屬絲電阻應變管是把圓管零件作為基底，把金屬絲纏繞其上一次粘貼完成的。與應變片壓力傳感器相比，它省去了應變片的基底以及金屬絲放到基底上去的一次粘貼。因此，金屬絲電阻應變管大大地減少了應變片那種由於基底材料性能、粘結劑性能以及粘貼工藝等因素對傳感器性能的影響。由於金屬絲電阻應變管的製造是把金屬絲纏繞在管上再把兩者粘結在一起的，而不象金屬絲應變片那樣把金屬絲回彎地平放在基底上再把兩者粘結在一起，然後再把應變片粘貼到彈性元件(如膜片等)上的，因此金屬絲電阻應變管傳遞應變的能力固有地比金屬絲應變片要好得多。並且金屬絲電阻應變管具有抗蠕變、滯後、疲勞甚至鬆弛等金屬絲應變片使用中難免要出現的諸現象的能力，所以它的穩定性、可靠性好。
4.使用方式上的多樣性。這是由金屬絲電阻應變管的結構特徵和管內壓力即管內參考壓力選擇的多樣性所決定的。一端封閉，一端開口的電阻應變管，可以用大氣壓或某種特定大小的壓力為管內參考壓力，也可以用某種按一種規律變化的壓力為管內參考壓力;至於兩端均封閉的電阻應變管，管內參考壓力往往或是正壓力(高於大氣壓)或是負壓力(低於大氣壓)或是真空，這對高壓、中壓、低壓和微壓的測量提供了方便。管內參考壓力為真空時則可方便地實現絕對壓力測量。當然兩端封閉時管內參考壓力是隨溫度而變的，但這種變化因絕對遵循氣體狀態方程所描述的規律，所以由此產生的測量誤差可方便地加以修正。而兩端均開口的電阻應變管，則適用於流體的壓差及流量等參數的測量。
5.安裝簡單、使用方便、成本低。
由於金屬絲電阻應變管的「管」狀結構特徵和由此產生的一系列優點，本發明作為一種壓力、力敏感器或傳感器在眾多的科研和工程領域中將有著廣泛的用途。其基本用途是作流體壓力測量。它有希望取代現有的幾乎是全部的應變片壓力傳感器而能解決目前應變片壓力傳感器難以辦到的小管道、微壓力測量。其它的物理量如果能以某種方式或通過某種介質與電阻應變管的應變聯繫起來，原則上都可以用它來測量，構成各種各樣的金屬絲電阻應變管傳感器。在生命科學研究中，經常需要進行人體生理參數的測量，其中生理壓力參數的測量是用得最多和最受重視的，因為人體的大量生理信息中，有很多(約一半以上)是可以通過生理壓力測量而間接地取得。就生理壓力本身而言，有動(靜)脈壓、心內壓、(腦)顱內壓、胃內壓、膀胱壓和肛門壓等內腔壓力以及肌肉組織壓等等。很顯然微型化的金屬絲電阻應變管壓力傳感器在生理壓力測量方面定能發揮理想的作用。
總之，金屬絲電阻應變管是一種簡單、可靠、性能良好、使用方便、微型化的和應用廣泛的壓力、力敏感元件或傳感器，它的產生將為科學研究、工程測量和生物醫學測量提供一種新型、有效的工具和手段。
圖1，本發明的金屬絲電阻應變管的結構圖。整體式彈性薄壁管，在厚壁管子上加工製作出彈性薄壁管段，材料為金屬的或非金屬的。
圖中1.加工有彈性薄壁管段的管子，2.左側引線環，3.引出導線(4)與左側引線環的焊接點，4.左側引線環上的引出導線，5.右側引線環上的引出導線，6.引出導線(5)與右側引線環的焊接點，7.金屬絲與右側引線環的焊接點，8.右側引線環，9.金屬電阻應變絲，10.金屬絲與左側引線環的焊接點，11.密封粘膠，12.保護層。
圖2，本發明的另一種金屬絲電阻應變管的結構圖。相套式彈性薄壁管，在薄壁管外圓上封套固定兩個相隔一定距離的附加管子形成彈性薄壁管段，材料均可為金屬的或非金屬的。
圖中13.薄壁管，2-12符號意義與圖1相同，14.左側封套管子，15.右側封套管子。
圖3，金屬絲電阻應變管的一般工作特性。
圖4，用作壓力測量的一種金屬絲電阻應變管壓力傳感器結構圖。
圖5，軸的拉伸應力測試示意圖。
圖中F.軸受到的拉伸力，R0.應變片的初始電阻，△R.應變片伸縮時的電阻改變量，R0+△R.為電橋的工作臂，R1.R2.R3，測量電橋橋臂固定電阻，RW1.RW2.橋路平衡調節電阻，E.橋路電源，U0.電橋輸出電壓。
圖6，波紋膜片與平彈簧片組合成的應變片式壓力傳感器示意圖。圖中R為四個應變片的初始電阻。
圖7，薄壁彈簧筒。
圖8，薄壁彈性筒應變片式壓力傳感器示意圖。
圖中R4.R5為應變片的初始電阻，其中應變片R4粘貼在空心筒的外壁上，大小隨待測壓力而變化，應變片R5粘貼在園筒實體部分的外壁上，大小不隨壓力而變，僅作溫度補償之用。
圖9，一種彈簧環測力傳感器示意圖。由彈性環與應變片組成，圖中R為四個應變片的初始電阻。
實施例一本發明方案的一個實施例，參照圖1，其實施方法和步驟說明如下1.根據工作要求取用金屬或非金屬材料的管子(1)，在靠近管子(1)的左側加工製作出一定長度的彈性薄壁管段，稱它為整體式彈性薄壁管，在右側厚壁管部分的外圓表面上，開出兩條與管子軸線方向平行的引線凹槽，以備將引出線嵌在其內引出;
2.在薄壁管段及其周圍，用清潔劑清洗並乾燥後，塗上一薄層粘結劑作為底膠;
3.用薄片彈簧銅開口卡環(2)和(8)卡入薄壁管段並固定於薄壁管段的兩側，它們將作為應變金屬絲的兩個端點的接線環，也是金屬絲引出導線的引線環;
4.選用某種製造金屬絲電阻應變片的金屬絲，將其一端焊接在左側的引線環(2)上，焊接點為(10)，點(10)的位置可選在環上除開口處外的任意外圓表面上;
5.將金屬絲從焊接點(10)開始，從左至右按一定的間距均勻纏繞在薄壁管上，纏時對金屬絲微微施力拉緊，最後將末端焊接在引線環(8)上，圖示(7)為焊接點;
6.第二次塗上一薄層粘結劑，並固化穩定處理，這樣金屬絲已與彈性薄壁管成為一體;
7.在右側引線環上點(6)處接引出導線(5)並嵌入厚壁管段的引線凹槽內向右方引出;
8.在左側引線環上的點(3)處，點(3)與右側另一引線凹槽基本上處在同一直線上，在點(3)上焊接另一條引出導線(4)，然後將引出導線(4)松直地緊貼並跨越薄壁管段並嵌在右側厚壁部分的另一條凹槽中向右方引出;
9.將引出導線(4)和(5)用膠填封固定在兩引線凹槽中;
10.在薄壁管段塗上防護層材料、防護層外圓表面不超出管子(1)的厚壁部分的外徑，圖中(12)是防護層;
11.將管子(1)的左側開口端用膠填封，並進行幹固穩定處理。如果管子(1)左側是自身封閉的，則此項工作可以省略;
12.管子的右側厚壁管段，其長度視需要而定，根據使用要求，右側端部可以開口不封;也可以用第11的方法填封，而封接的環境溫度應按對管內參考壓力的大小要求而定;也可以在填封時用充氣或抽真空的方法獲得所要求的管內參考壓力;
13.如果需要的是兩端開口的金屬絲電阻應變管，則第11，12兩項工作均可省去;
14.上述各步工作完成後，在整個管子的外圓表面及左側端面上噴上或塗上一薄層塑料或矽膠保護層(圖中未表示出)。在噴或塗之前，可在管子右側延長部分的外圓面上寫上或貼上名稱、型號、規格、生產廠名及出廠時間等標記。
實施例二本發明方案的另一個實施例，見圖2，它與實施例一的主要差別在於彈性薄壁管段的形成方式不同。在本實施例中，不是採用厚壁管進而在厚壁管上加工製作出彈性薄壁管段，形成所謂整體式彈性薄壁管，而是採用薄壁管(13)進而在其上相隔一定距離封套固定外套管子(14)及(15)，形成剛性厚壁管段，這樣形成的彈性薄壁管，稱它為封套式彈性薄壁管。
由於採用封套式彈性薄壁管，應變金屬絲的左右兩個引線環(2)和(8)可以是整體式的薄壁銅環，不要求有彈性，也不用開出缺口。製作時，先對零件(13)，(2)，(8)，(14)和(15)清洗並乾燥，再將零件(2)和(8)壓套在薄壁管(13)上，使兩者相隔一定的距離，然後在零件(13)的左右兩側分別套上外套管子(14)和(15)，並把它們與零件(13)和(2)，(8)分別膠封固定成一體。右側外套管(15)上的兩條引出線凹槽可在封套到薄壁管(13)以前預先加工好，也可以在封套固定以後再加工形成。
本實施例的其餘全部工藝步驟2，4，5，6，……14均與實施例一完全一樣，圖2中其餘全部文字符號的意義也與實施例一完全相同。
一端封閉，一端開口的金屬絲電阻應變管，把它接入測量電橋中，管內壓力P與輸出電壓U0的關係，即金屬絲電阻應變管的一般工作特性如圖3所示。
圖4是一種用於工業流體管道中壓力測量的金屬絲電阻應變管壓力傳感器，可見它十分簡單，除金屬絲電阻應變管(16)外，僅用一個具有安裝用螺紋的中空螺栓狀零件(17)。零件(17)既作為應變管的固定件，也作為應變管壓力傳感器測量應用時的安裝件。而兩者只需用粘結劑膠封，圖中(18)所示為膠接部分。
權利要求
1.一種金屬絲電阻應變管，本發明的特徵是在一根管子上製作出一段彈性薄壁管，在該薄壁管段上用金屬電阻應變絲均勻地纏繞、粘貼，金屬絲的二個引出端頭分別用導線接出，以通向外部電路。
2.根據權利要求
1所述的應變管，其特徵是在薄壁管的外圓上，用金屬的或非金屬的管子加以封套固定，但留有一段管子未加封套，該段即為所述的彈性薄壁管段。
3.根據權利要求
1所述的應變管，其特徵是金屬電阻應變絲的兩個引出端頭分別與薄壁管段兩側的引線環相連，再由引線環連接通向外部電路的引出導線，導線與管子軸向平行並嵌入管子厚壁段的引線凹槽中，且填封凹槽固定引出導線，最後將整個管子外圓表面塗上保護層。
4.根據權利要求
1所述的應變管，其特徵是管子兩側端面或是開口不密封，或是一端開口一端密封，或是兩端均密封。
5.根據權利要求
1和4所述的應變管，其特徵是一端可在常溫下密封，另一端可在高溫(高於常溫)下密封，使管內壓力在常溫下為負壓力(低於大氣壓)，也可在低溫(低於常溫)下密封，使管內壓力在常溫下為正壓力(高於大氣壓)，也可充氣或抽真空密封。
專利摘要
一種金屬絲電阻應變管。與常用電阻應變片不同，它是管狀的而不是片狀的；是金屬或非金屬管子和金屬應變絲的直接結合而不用基底材料；既是一種力、壓力敏感元件，又是一種完整的壓力傳感器。其主要優點是實現壓力傳感器的微型化，電阻應變管直徑可小至1mm或1mm以下；結構簡單，性能良好，使用方便，成本低；可作高壓或微壓測量，也便於微細管道中的壓力測量。
文檔編號G01L1/22GK87102483SQ87102483
公開日1988年10月12日 申請日期1987年3月30日
發明者凌保明, 李宗誠 申請人:浙江大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan