CN103604363B - 一种塑性变形测试用应变计及其制造和标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种塑性变形测试用应变计及其制造和标定方法，包括基底，敏感栅，密封层，其中，所述敏感栅采用冷轧成型的康铜金属箔合金经过350‑550℃，3‑6小时的真空退火处理得到。本发明应变计的敏感栅由冷轧成型的康铜金属箔经真空退火处理而得，具有良好的延展性和伸长率，完全满足塑性变形的测量要求，因此，在塑性变形时，敏感栅不易断裂破坏。

Description

一种塑性变形测试用应变计及其制造和标定方法

技术领域

本发明涉及一种应变计，特别是一种塑性变形测试用应变计及其制造和标定方法，测量范围可以达到50000με～250000με（即5%～25%）。

背景技术

应变计作为力、应变测量的敏感元件，主要由敏感栅、基底、粘接剂和密封层组成。敏感栅材料有康铜、卡玛，厚度2～30μm；基底材料有酚醛树脂、环氧树脂、聚酰亚胺、聚醚醚铜等，厚度20～50μm不等；密封层与基底类似，厚度为10～30μm；总体厚度约30～80μm。其示意图如图1所示。主要用于实验应力分析、测试计量、结构健康监测、应变式传感器等，通常情况下，测量范围不超过20000με（即2%）。

随着材料技术、现代工业技术、航空航天技术等不断发展，材料、结构的强度测试、寿命测试、冲击测试要求也越来越高，需要测试材料的塑性临界变形、塑性变形、弹性变形，甚至高分子材料、有机材料的变形，例如航空航天器极限状态下的结构拉伸变形、爆破冲击变形，这些均已经远远超过普通应变计的测量范围，应变计在这样的测试环境和条件下，本身敏感栅线条就会遭到破坏，发生断裂，无法满足测试测量要求。

普通应变计的敏感栅材料为康铜、卡玛，主要材料成分为铜镍合金、镍铬合金，与通用金属合金材料一样，在一定力学范围内，都具有良好的弹性、力学线性等机械特性，但超过某一应力值或应变临界值，材料就会发生断裂破坏。经过测试，通常情况下，这一临界应变值范围在1.5%～3％之间。而普通基底、密封层、粘接胶都属于高分子材料，因材料不同，伸长率、收缩率各不相同， 可以耐受的应变范围从5%～40%不等。同时，通过研究，也可以看到，不同的应变计结构尺寸也对变形测量的范围有较大的影响。

因此，为了满足塑性变形、寿命测试、弹性变形、拉伸变形等高变形量的测试需求，验证结构极限设计的合理化、可靠性，避免结构部件因变形损坏，造成可靠性下降，引起重大事故发生，需要研究能够用于测量高塑性变形的应变计，解决敏感栅材料的应变测量范围限制，解决基底、密封层、粘接胶匹配，优化结构尺寸设计，就能够满足5%～25%测量范围，敏感栅不会发生断裂破坏。

发明内容

为克服前述普通应变计存在的应变测量范围小、测量塑性变形时敏感栅断裂破坏等问题，本发明提供一种可以满足5%～25%应变范围的塑性变形测试应变计及其制造和标定方法。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：

一种塑性变形测试应变计，包括基底，敏感栅，密封层；其中，所述敏感栅采用冷轧成型的康铜金属箔合金经过350-550℃，3-6小时的真空退火处理得到。

所述康铜合金箔合金的配比为：铜51～54%，镍45～48%，其它为硅、锰微量元素。

所述基底和密封层的材料相同，均为聚酰亚胺树脂或改性酚醛树脂。

所述的基底和密封层的材料均是芳香族二胺和二酐在二甲基乙胺溶液中缩聚配制而成聚酰亚胺或改性酚醛树脂。

所述基底和敏感栅之间以及密封层和敏感栅之间采用的固化剂为均苯四甲酸酐或酮酐。

所述敏感栅的线条宽度为48～92μm。

所述应变计端头为圆弧状或椭圆状。

所述应变计端头长度为1.0mm。

所述基底宽度为1.0-2.0mm。

一种塑性变形测试用应变计的制造方法，基底、敏感栅和密封层采用压合粘贴后，采用光刻、平面化学蚀刻、激光蚀刻工艺形成应变计图形，电阻的调整采用机械打磨或化学调阻，其中，所述基底和密封层采用聚酰亚胺树脂或改性酚醛树脂涂覆、旋转、喷涂而成。

一种塑性变形测试用应变计的标定方法，采用哑铃型棒状试件或平面试件进行拉伸试验来标定应变计性能，试件材料选用完全退火纯铜板材或完全退火铝材，拉伸范围达30%应变量及以上；被标定应变计用满足塑性变形测试条件的聚酰亚胺树脂或环氧树脂黏贴在试件两侧，连接测试仪表后，利用拉力实验机均匀加载，记录拉伸应变和实际应变计指示应变，直至应变计损坏或试验梁损坏，以指示应变不超过真实拉伸应变5%～10%中所有应变计的最小应变值作为测试应变计的应变测量极限，然后进行数据处理，绘出曲线图。

与现有技术相比，本发明塑性变形测试应变计及其制造方法以及标定方法至少具有以下有益效果：本发明应变计的敏感栅由冷轧成型的康铜金属箔经真空退火处理而得，具有良好的延展性和伸长率，完全满足塑性变形的测量要求，因此，在塑性变形时，敏感栅不易断裂破坏。

附图说明

图1是现有技术的应变计的结构示意图。

图2为图1的侧视图。

图3为本发明塑性变形测试用应变计的局部放大图。

图4为本发明塑性变形测试用应变计引线焊接的示意图。

图5为本发明塑性变形测试用应变计测试件的结构图。

图中，1，基底；2，敏感栅；3，密封层；4，引线；5，应力环；6，试件；A,塑性应变计敏感栅宽度；B，塑性应变计基底宽度；C，塑性应变计端头长度。

具体实施方式

本发明通过综合考虑敏感栅、基底、密封层的材料的耐受力和应变计结构尺寸对变形测量范围的影响，设计一种塑性变形测试用应变计，其结构与普通应变计类似，主要由基底1、敏感栅2、密封层3组成；敏感栅材料与基底材料、密封层材料匹配良好；应变计结构尺寸优化，适应高塑性变形测试；同时采用机械拉伸位移法对其进行标定。

首先，敏感栅材料：通常情况下采用的低温热处理，普通的康铜、卡玛合金箔用于塑性变形测量时会产生断裂破坏现象，主要是这些材料的延展性、伸长率达不到相应的指标，不能满足塑性变形测量要求。在一定条件下，纯铜、纯金、纯铝等材料具有较好的延展性和伸长率。因此通过调整康铜合金中铜、镍元素比例关系，选定一种的康铜箔材作为应变计敏感栅的材料。使铜镍合金在一定的条件下也具有高延展性、高伸长率，然后进行冷轧成型、深度退火处理，就可以达到30%以上的变形率，甚至通过精细优化配比和退火热处理参数的调整（主要包括加热、保温、冷却三个过程），亦能实现应变计温度自补偿功能。

本发明提供的塑性变形测试用应变计的敏感栅材料采用冷轧成型的康铜金属箔合金，配比为：铜51～54%，镍45～48%，其它为硅、锰等微量元素，厚度为2～30μm。康铜金属箔材经过350℃～550℃、3～6小时的真空退火或气氛炉退火处理，就可以达到高塑性测量的延展性要求。

其次，基底材料、密封层材料：通常情况下，应力或应变通过应变计的基底，以剪切力的方式传递给敏感栅。为了保证高塑性变形准确反映，一方面要求基底材料具有良好的伸长率和收缩率，另一方面要求基底材料能够与敏感栅之间具有良好的剥离强度。经过实验确定聚酰亚胺树脂、改性酚醛树脂适合用作基底材料。从应变计保护和防护要求出发，采用与基底材料相同的材料作为密封层，以保证应变计的可靠性和稳定性。

本发明应变计所使用的基底材料为一种聚酰亚胺胶，是芳香族二胺和二酐在二甲基乙胺溶液中缩聚配制而成，胶液为黄色透明的粘稠状液体，有较强的延展性，能够承受较大的应变性能，成膜性好，易于固化，并且在变形范围内性能稳定，同时还需要具备与敏感栅材料有较高的粘接力。

本发明产品的生产是将上述树脂成型、成膜，与箔材压合粘贴后，采用光刻、平面化学蚀刻、激光蚀刻等工艺形成应变计图形。电阻的调整采用机械打磨或化学调阻等方式。应变计密封层3一般与基底1材料相同，基底1和密封层3成型采用聚酰亚胺树脂涂覆、旋转、喷涂而成，基底厚度20～40μm，密封层厚度15～25μm。

本发明提供的塑性变形测试用应变计基底、密封层材料采用聚酰亚胺材料，基底和密封层成型采用聚酰亚胺树脂涂覆、旋转、喷涂而成，基底厚度20～40μm，密封层厚度15～25μm，聚酰亚胺树脂材料为芳香族聚酰亚胺树 脂，固化剂为均苯四甲酸酐或酮酐。基底1是在金属箔上通过离心式涂胶或涂覆或滚筒涂胶或压力喷胶的方式成型一层厚度均匀、质密的基层。所述密封层采用聚酰亚胺类胶粘剂或环氧类胶粘剂，经过丝网漏印或UV成型或机械成型等方式获得。

本发明提供的塑性变形测试用应变计在将上述金属箔材、树脂成型后，采用光刻、平面化学蚀刻、激光蚀刻等工艺形成应变计图形。为满足高塑性应变测量时敏感栅所需的强度和可靠粘接力，在设计敏感栅时，其线条宽度比普通应变计宽0.01mm～0.015mm，一般在0.048mm～0.092mm；应变计端头长度为1.0mm，较普通应变计长2～3倍，应变计端头部位呈现圆弧状或椭圆状；同时为减小基底边缘对测量的影响，基底宽度B较普通应变计宽，宽度为1.0～2.0mm。

另外，为避免连接线在塑性变形测量时产生拉伸或断裂，本发明设计应变计结构时，在焊盘附近设计了相应的连接焊盘，焊接形成应力环5，以便建立应力缓冲区，降低引线拉伸、断裂的可能性，消除或减小连接线对测量的影响。

本发明提供塑性变形测试用应变计标定方法。该应变计在设计、制造后是否能够达到设计应变测量范围指标，需要进行测试标定。标定方法为：采用聚酰亚胺树脂或环氧树脂，在哑铃型棒状试件或平面试件两侧对称、平行安装应变计，然后装夹在精密拉力实验验机上，连接专业应变测试仪表后，启动拉力实验机，开始均匀加载，加载速率可调，仪表自动记录拉伸应变和实际应变计指示应变，直至应变计损坏或试验梁损坏。以指示应变不超过拉伸应变5%～10%中应变计的最小应变值作为本发明应变计的应变测量极限。然后处理数据，拟合数据曲线，以标定其在高塑性变形时的性能。

测试试件选用拉伸范围可达30%应变量及以上完全退火纯铜或铝板材；贴片胶选用可满足塑性变形测试条件的聚酰亚胺树脂或环氧树脂；由于标定是破 坏性试验，所以应变计测试只能是按照标准进行抽样测试。

本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

1、满足5%～25%的塑性变形应变测量。

2、基本结构与普通应变计相似，安装和测量方便。

3、减小了焊接盘和连接线对测量的影响。

4、减小了应变计边缘尺寸对测量的影响。

5、增加了敏感栅测量的可靠性和稳定性。

6、标定方法简单、可靠、易于实现。

Claims (6)

1.一种塑性变形测试用应变计，其特征在于：包括基底(1)，敏感栅(2)，密封层(3)，其中，所述敏感栅(2)采用冷轧成型的康铜金属箔合金经过350-550℃，3-6小时的真空退火处理得到；所述应变计在焊盘附近设置有连接焊盘，焊接形成应力环(5)，所述的康铜合金箔合金的配比为：铜51～54％，镍45～48％，其它为硅、锰微量元素，所述基底和密封层的材料相同，均为聚酰亚胺树脂或改性酚醛树脂，所述敏感栅的线条宽度为0.048-0.092mm，所述应变计端头为圆弧状或椭圆状，长度为1.0mm。

2.根据权利要求1所述的塑性变形测试用应变计，其特征在于：所述的基底(4)和密封层的材料均是芳香族二胺和二酐在二甲基乙胺溶液中缩聚配制而成聚酰亚胺或改性酚醛树脂。

3.根据权利要求1所述塑性变形测试用应变计，其特征在于：所述基底和敏感栅之间以及密封层和敏感栅之间采用的固化剂为均苯四甲酸酐或酮酐。

4.根据权利要求1所述塑性变形测试用应变计，其特征在于：所述基底宽度为1.0-2.0mm。

5.一种制备权利要求1至4中任意一项所述的塑性变形测试用应变计的制造方法，其特征在于：基底、敏感栅和密封层采用压合粘贴后，采用光刻、平面化学蚀刻、激光蚀刻工艺形成应变计图形，电阻的调整采用机械打磨或化学调阻，其中，所述基底和密封层采用聚酰亚胺树脂或改性酚醛树脂涂覆、旋转、喷涂而成。

6.一种权利要求1所述的塑性变形测试用应变计的标定方法，其特征在于：采用哑铃型棒状试件或平面试件进行拉伸试验来标定应变计性能，试件材料选用完全退火纯铜板材或完全退火铝材，拉伸范围达30％应变量及以上；被标定应 变计用满足塑性变形测试条件的聚酰亚胺树脂或环氧树脂黏贴在试件两侧，连接测试仪表后，利用拉力实验机均匀加载，记录拉伸应变和实际应变计指示应变，直至应变计损坏或试验梁损坏，以指示应变不超过真实拉伸应变5％～10％中所有应变计的最小应变值作为测试应变计的应变测量极限，然后进行数据处理，绘出曲线图。