微型电子秤用传感器的研制

　　1　传感器弹性元件材料的选择

　　传感器弹性元件材料对传感器的性能和成本均有重要影响,故应十分重视弹性元件的材料选择,具体选择时应从以下几个方面来考虑。

　　1·1　机械性能

　　弹性模量(E)是材料选取的一个非常重要的因素,对弹性材料的要求是:

　　1)传感器额定量程内保持不变;

　　2)弹性模量随时间的稳定性好;

　　3)弹性模量随温度的变化既要线性,又要非常稳定;

　　4)材料的加、卸载弹性模量要相等;

　　5)要求弹性元件有高的自振频率,也就是要选择材料的弹性模量E与密度ρ的乘积最小的材料。

　　通常,把适用于传感器弹性元件的各种材料分为高弹性模量材料和低弹性模量材料,一般来说,高弹性模用于大力值传感器,低弹性模用于小力值传感器。原因是传感器弹性元件应当具有非常小的总体柔性,然而它同时也必须留有应变量较高(典型值为500~1 000με)的狭窄区域,以作为应变片的粘贴部位,就大力值传感器而言,用一个很匀称的钢质元件来满足这些要求,通常是不成问题的,但是当额定力值减小时,应变片粘贴部位的厚度将逐渐减薄,这是为了满足所要求的应变值。在截面很薄的部位粘贴应变片,可能会产生许多使传感器性能变坏的因素。使小力值弹性元件的截面变厚的最有效的方法之一是采用低弹性模量的材料。

　　通常所引用的金属的一些力学性能,例如,比例极限,屈服极限和强度极限等,它们并不是传感器弹性元件材料性能的直接依据,因为,它们已大大超过了额定载荷时传感器内的应力值。

　　疲劳强度通常是一个次要的考虑因素,即使对于传感器经常性受载的场合也是如此。这是因为应变片的疲劳敏感性通常是一个限制性的因素,由于弹性元件中的最大应变值出现在应变片的粘贴部位,而且为确保应变片和弹性元件有较长的疲劳寿命,应变量又被有意地加以限制,故对弹性元件来说并不存在疲劳失效的危险。

　　1·2　热性能

　　弹性元件的热传导特性是决定传感器准确度和重复性的重要因素。这是因为弹性元件的温度梯度可能在传感器的输出中引起错误的和不能复现的干扰。因而,在设计弹性元件时总是使其既具有机械特性,又具有热流通特性。在内外热源的联合作用下,弹性元件的温度梯度均与材料的导热系数成反比,因此导热材料是选择弹性元件时应予注意的一个重要指标。

　　1·3　制造问题

　　在选择弹性材料时,除了机械性能和热性能以外,还需要考虑一些与制造有关的性能,其中最重要的是可加工性。传感器常常采用一些形式极为复杂的结构,由于弹性元件最好是由一块整料加工出来,故常常需要进行复杂而精密的机械加工。在这种情况下,合金材料的可加工性对传感器的性能和加工费用均有重要影响。