NiCr合金薄膜測力傳感器設(shè)計(jì)制作與力學(xué)標(biāo)定*

安春華　武文革　張新宇　伏寧娜

(中北大學(xué)，山西 太原 030051)

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NiCr合金薄膜測力傳感器設(shè)計(jì)制作與力學(xué)標(biāo)定*

安春華武文革張新宇伏寧娜

(中北大學(xué)，山西 太原 030051)

為了滿足切削力信號精確測量的要求，制作了兩種結(jié)構(gòu)的切削力測量用鎳鉻合金薄膜傳感器樣品、可調(diào)式改良應(yīng)變測試儀橋盒，進(jìn)行了傳感器靜力學(xué)標(biāo)定與實(shí)際切削力測量試驗(yàn)。使用DASP 36通道振動與噪聲信號采集分析系統(tǒng)與YD-15型動態(tài)電阻應(yīng)變儀進(jìn)行采集與讀取測量時的電壓信號與應(yīng)變信號，將采集的應(yīng)變信號經(jīng)MATLAB轉(zhuǎn)換為壓力應(yīng)變曲線圖，將傳感器應(yīng)變、輸出電壓值與其對應(yīng)的理論仿真值進(jìn)行對比,結(jié)果表明測量值與其誤差較小，兩種傳感器的力學(xué)測量性能良好。

NiCr合金薄膜傳感器；樣品；測量；對比

切削力的測量與控制對現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展有著極其深遠(yuǎn)的影響，對數(shù)控機(jī)床的編程與控制等先進(jìn)加工技術(shù)具有較大的借鑒意義。近年來離子束沉積薄膜技術(shù)的發(fā)展為金屬薄膜傳感器的出現(xiàn)與發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。金屬薄膜傳感器具有高溫化學(xué)穩(wěn)定性，較高的熔點(diǎn)，靈敏度高、機(jī)械滯后小、溫度系數(shù)小、成本低等優(yōu)點(diǎn)[1]，為切削力的精確測量提供了良好的傳感器依托。

本文利用壓阻效應(yīng)設(shè)計(jì)了兩種鎳鉻合金電阻柵的薄膜測力傳感器樣品，對樣品進(jìn)行了電阻柵結(jié)構(gòu)尺寸、電阻柵厚度、電阻值的測量；并利用改良應(yīng)變測試儀橋盒，進(jìn)行了4組靜力學(xué)測量試驗(yàn)，采集了多組不同載荷下的應(yīng)變與輸出電壓值，將應(yīng)變值利用MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，并與相應(yīng)的理論仿真值進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)二者誤差較小，且傳感器應(yīng)力測量的線性度良好。

1　傳感器設(shè)計(jì)制作

傳感器作為測量切削力最重要的部分，其選擇對后續(xù)監(jiān)測環(huán)節(jié)影響深遠(yuǎn)。本文通過前期理論計(jì)算設(shè)計(jì)出圖1所示兩種傳感器設(shè)計(jì)方案，并結(jié)合敏感柵材料鎳鉻合金(Ni80Cr20)的性能，在鈦合金基底上利用LDJ-2A-F100系列雙離子束濺射沉積系統(tǒng)制作了兩種電阻柵結(jié)構(gòu)的NiCr合金薄膜傳感器樣品A、B如圖2所示。其橫、縱電阻寬度為102.6 μm、51.5 μm，橫、縱電阻長度206.6 μm、2 010.6 μm，厚度分別為754.5 nm、643.8 nm。

使用KEYENCE VHX-Z5000超景深三維顯微系統(tǒng)和KLA-Tencor P-7探針式臺階儀測量A、B兩種傳感器的基本尺寸，并與其理論值進(jìn)行比較得出其橫、縱電阻長度誤差分別為3.3%和0.53%，電阻率誤差均為2.6%，符合設(shè)計(jì)加工要求。由于薄膜沉積速率、濺射原子沉積角等工藝因素的影響使得A、B兩種傳感器樣品均存在電阻值誤差，其具體值分別為3.5%、9.4%，滿足設(shè)計(jì)要求。所以所制作的兩種傳感器樣品合格。

2　傳感器靜力學(xué)標(biāo)定

在制作得到良好尺寸的傳感器樣品后，就需要研究其力學(xué)測量時的輸入與輸出關(guān)系及特性，以便指導(dǎo)其設(shè)計(jì)、制造、校準(zhǔn)與使用。采用DASP 36通道振動與噪聲信號采集分析系統(tǒng)與YD-15型動態(tài)電阻應(yīng)變儀進(jìn)行試驗(yàn)。

初始值設(shè)定：采樣頻率為512 Hz，標(biāo)定值為11.5 mV，輸入電壓U0=4 V，預(yù)應(yīng)變1×100 με。利用圖3所示自制電橋及懸臂梁試驗(yàn)圖中的可調(diào)式改良單臂電橋改良應(yīng)變測試儀橋盒Rx1=680 Ω的自制單臂電橋與懸臂梁粘合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)一、二的懸臂梁加載試驗(yàn)；利用Rx2=1 630 Ω的自制單臂電橋和車刀粘合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)三、四的車刀架在試驗(yàn)如圖4所示，采集應(yīng)變儀輸出應(yīng)變信號儲存，并讀取輸出電壓U1。試驗(yàn)流程如下：

實(shí)驗(yàn)一：往懸臂梁上依次加0 g、100 g、200 g、300 g、400 g砝碼觀察傳感器電阻柵的線應(yīng)變的梯度變化；

實(shí)驗(yàn)二：依次添加100 g、200 g、300 g、400 g砝碼，然后依次按300 g、200 g、100 g、0 g遞減砝碼觀察傳感器電阻柵的線應(yīng)變；

實(shí)驗(yàn)三：往車刀上依次加棒料使重量達(dá)到0 kg、57.9 kg、154.25 kg、269.85 kg、420.45 kg、590.05 kg、803.85 kg觀察傳感器電阻柵的線應(yīng)變的梯度變化；

實(shí)驗(yàn)四：往車刀上依次加棒料使重量達(dá)到0 kg、93.6 kg、211.95 kg、425.75 kg，然后遞減重量211.95 kg、93.6 kg、0 kg觀察傳感器電阻柵的線應(yīng)變；上述實(shí)驗(yàn)均重復(fù)多組。

為了直觀地觀察試驗(yàn)加載時的懸臂梁及車刀應(yīng)變情況，用Matlab讀取YD-15型動態(tài)電阻應(yīng)變儀試驗(yàn)所得原始線應(yīng)變數(shù)據(jù)得到如圖5所示的實(shí)驗(yàn)加載對應(yīng)時間-應(yīng)變曲線圖，圖6所示為施加力與傳感器輸出對應(yīng)電壓曲線圖。對多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，應(yīng)變值減去初始值取均值后得表1所示理論仿真應(yīng)變值與試驗(yàn)應(yīng)變值對比表，表2所示四組實(shí)驗(yàn)輸出電壓理論仿真值與試驗(yàn)值對比表。

由于懸臂梁系統(tǒng)剛性較小在加載砝碼時會對懸臂梁造成瞬間沖擊產(chǎn)生較大應(yīng)變波動，而車刀系統(tǒng)剛性較大加載不會產(chǎn)生較大沖擊但應(yīng)變產(chǎn)生會有時滯現(xiàn)象，由圖5 實(shí)驗(yàn)加載時間-應(yīng)變曲線圖可以看出實(shí)驗(yàn)一、二的應(yīng)變曲線有較大波動，當(dāng)波動穩(wěn)定時其穩(wěn)定值即為懸臂梁的應(yīng)變值；實(shí)驗(yàn)三、四應(yīng)變曲線具有時滯現(xiàn)象，在兩種試驗(yàn)系統(tǒng)中其不同載荷下的波形階梯明顯，且加減載荷對稱性良好，加載過程經(jīng)NiCr合金薄膜傳感器樣品A、B的測量完整地反映到了應(yīng)變曲線原始數(shù)據(jù)中；由圖6可以看出傳感器A、B的線性度均良好，當(dāng)載荷加倍時傳感器輸出電壓加倍，傳感器A的輸出電壓與載荷的比值約為0.515 mv/N，傳感器B的輸出電壓與載荷的比值約為0.000 403 mV/N；由表1、表2計(jì)算得到傳感器樣品A的應(yīng)變值誤差在4.02%～6.71%之間，電壓誤差在3.00%～6.71%；傳感器樣品B的應(yīng)變值誤差在2.53%～6.86%之間，電壓誤差在2.20%～9.52%，表明傳感器樣品A、B的測量遲滯、蠕變小性能較為優(yōu)良。

表1理論仿真應(yīng)變值與試驗(yàn)應(yīng)變值對比表

車刀試驗(yàn)加載力/N57915422698420459008038理論仿真值/με24.2150.8793.61139.36207.15265.59試驗(yàn)值/με25.8752.3696.75147.29212.40276.47誤差6.86%2.93%3.35%5.69%2.53%4.10%懸臂梁試驗(yàn)加載力/N1234--理論仿真值/με47.2197.84141.02179.40--試驗(yàn)值/με48.7396.24143.37186.61--誤差5.45%3.96%6.71%4.02%--

表2四組實(shí)驗(yàn)輸出電壓理論仿真值與試驗(yàn)值對比表

車刀試驗(yàn)加載力/N57915422698420459008038理論仿真值/mV0.210.580.991.572.153.17試驗(yàn)值/mV0.230.601.041.622.333.24誤差9.52%3.45%5.05%3.18%8.37%2.20%懸臂梁試驗(yàn)加載力/N1234--理論仿真值/mV0.551.011.492.00--試驗(yàn)值/mV0.581.051.592.06--誤差5.45%3.96%6.71%3.00%--

3　結(jié)語

在完成兩種新型切削力測量用NiCr薄膜合金傳感器樣品A、B設(shè)計(jì)制作的基礎(chǔ)上，利用Rx1=680 Ω、Rx2=1 630 Ω的改良單臂電橋橋盒分別進(jìn)行了懸臂梁與車刀靜力加載試驗(yàn)。利用DASP 36通道振動與噪聲信號采集分析系統(tǒng)與YD-15型動態(tài)電阻應(yīng)變儀進(jìn)行應(yīng)變、電壓數(shù)據(jù)的采集與讀取，傳感器輸出應(yīng)變、電壓數(shù)據(jù)與理論仿真數(shù)據(jù)計(jì)算對比后發(fā)現(xiàn)傳感器A的輸出電壓與載荷比約為0.515 mv/N、傳感器B的輸出電壓與載荷的比值約為0.000 403 mV/N；與理論仿真值對比傳感器樣品A、B的應(yīng)變值誤差范圍分別介于4.02%～6.71%之間與2.53%～6.86%之間，電壓誤差范圍分別介于3.00%～6.71%之間與2.20%～9.52%之間。上述數(shù)據(jù)表明兩種切削力測量用NiCr薄膜合金傳感器樣品A、B的線性度良好，測量時滯、蠕變小具有良好的力學(xué)測量性能。

[1]董永貴.微型傳感器[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007:78-124.

[2]童敏明，唐守鋒，董海波.傳感器原理與檢測技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013：52-76.

[3]孫建民，楊清梅.傳感器技術(shù)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社；北京交通大學(xué)出版社，2005：28-76.

[4]劉金聲. 離子束沉積薄膜技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2003：194-200.

(編輯譚弘穎)

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Design, fabrication and mechanical calibration of NiCr thin film sensor

AN Chunhua, WU Wenge, ZHANG Xinyu, FU Ningna

(North University of China,Taiyuan 030051, CHN)

In order to obtain good performance sensors for measuring cutting forces, two kinds of nickel-chromium thin film alloy sensors, adjustable modified strain tester bridge box were designed. Static sensor calibration tests and actual cutting force measurement experiments were conducted. DASP 36 channels vibration and noise signal acquisition and analysis system and YD-15-type dynamic resistance strain gauge were used to collect voltage signal and strain signal when measuring. Strain signal will be converted into pressure - strain curve using MATLAB. The output voltage value of strain sensor compared with the theoretical simulation value, finding that measurement error is small and the force measurement performances of both the sensors are good.

NiCr thin film sensor; sample; measurement; comparisons

TH7;TP212

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.06.007

安春華，男，1988年生，碩士研究生，研究方向?yàn)榍度胧奖∧の鞲衅鞯脑O(shè)計(jì)及有限元分析，已發(fā)表論文2篇。

2015-11-24)

160623

* 山西省國際科技合作項(xiàng)目(2015081018)