CN107810383B - 高灵敏度系数应变仪 - Google Patents

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Abstract

具有高灵敏度系数的金属电阻应变仪被提供。电阻应变仪包括应变敏感金属元件并具有在重量基础上大约63％至84％的镍和大约16％至37％的铁的化学成分以及大于5的灵敏度系数。

Description

高灵敏度系数应变仪
相关申请的相互参考
本申请要求2015年5月14提交的编号为14/712,602的美国非临时专利申请的权益，上述美国非临时专利申请的内容在此通过引用结合于本文中。
技术领域
本发明大体涉及应变仪，并且更特别地涉及具有高灵敏度系数的金属电阻应变仪，所述灵敏度系数有时被称为电阻应变敏感度。
背景技术
金属应变仪被用于感应安装了所述应变仪的表面处的应变。应变的量基于应变仪中的电路的电阻的变化来确定。典型地，所述电路由布置成迂回曲折的图案的薄金属导体或薄金属箔片形成。随着所研究的表面产生应变，应变仪的变形导致电路的电阻变化。应变仪可以说具有应变系数、电阻应变敏感度或灵敏度系数(GF)。
GF是分数形式的电阻变化与机械应变的比值。GF可以表示为：
GF＝(ΔR/R)/ε
其中ΔR是由应变仪感应到的应变所引起的电阻的变化，R是未发生应变的应变仪的电阻，并且ε是应变。关于GF的附加细节可以在ASTM E251中得到。
对于许多金属电阻应变仪，GF不多于4，并且在许多情况中为3或更小。在一些应用中，期望具有GF大于5的金属电阻应变仪。具有高GF的应变仪的一些益处是增强的信噪比和测量低水平应变的能力。
在已知的金属电阻应变仪之中，由铜、镍和锰(Cu-44Ni-2Mn)制成的应变仪具有大约为2的GF；由铁、镍和铬(Fe-36Ni-7Cr)制成的应变仪具有大约为3的GF；并且，由铂和钨(Pt-8W)制成的应变仪具有大约为4的GF。具有大约大于4的GF的金属电阻应变仪尚不可得；然而，具有大于4的GF的非金属电阻应变仪是可得的，但是这些非金属电阻应变仪具有诸如高电阻温度敏感度(热输出)和从应变仪至应变仪的性能不均匀(统一)的缺点。此外，这些非金属电阻应变仪易碎并且必须小心处理以避免破损。
因此，存在对GF为5或更大的金属电阻应变仪的需要。
发明内容
本发明提供了一种GF至少为5的高灵敏度系数应变仪。所述应变仪的应变敏感金属元件具有在重量基础上(基于重量)处于大约63％至84％的Ni和大约16％至37％的Fe的范围中的成分。优选成分是75％的Ni和25％的Fe(化学计量成分/理想配比成分)；并且Ni-Fe合金的更优选的成分对应于在图2中示出的NiFe相位图的L12区域中发现的二元Ni3Fe成分。
在一些实施例中，合金组分在重量基础上以小于应变敏感金属元件的化学成分的大约10％的量存在。所述合金组分优选地选自于由锰、钨、钼、铬及其组合构成的组中。
附图说明
在附图中示出了本发明的实施例，其中
图1示出了处于根据本发明(与本发明相容)的配置下的金属电阻应变仪；
图2是适用于本发明的镍铁合金的相位图；以及
图3示出了适用于本发明的面心立方晶格结构。
具体实施方式
图1示出了处于适用于本发明的配置下的应变仪100。应变仪100包括处于可选背板104上的迂回曲折(蛇行)的应变敏感金属元件102。应变仪100包括用于将应变仪100电连接至电引线的第一端108a、108b的连接片106a、106b。电引线的第二端110a、110b被连接至已知的测量装置，所述测量装置向所述应变仪施加输入信号，并且从所述应变仪接收与在所述应变仪100中引起的应变相对应的输出信号。
(应变)仪100的金属元件102可以形成为丝线、箔片并且被蚀刻或切割成期望形状，或者形成为例如通过薄膜沉积以薄膜的形式施加至背板的金属件。在这些示例的每一个中，金属元件102是其重量基础上(基于重量)的化学成分为大约63％至84％的Ni(镍)和大约16％至37％的Fe(铁)的金属。名义化学成分在重量基础上是75％的Ni和25％的Fe(化学计量成分/理想配比成分)。
在一优选实施例中，所述Ni-Fe合金对应于在图2中示出的NiFe相位图200的L12区域中发现的二元Ni3Fe成分。参考图2和图3，图2中的L12区域204是形成面心立方晶体晶格300的Ni-Fe合金，如图3中所示，在所述面心立方晶体晶格300中，镍原子302占据面位置，并且铁原子304占据角位置。该合金的一些特性，例如强度、磁性、抗腐蚀性以及电阻是公知的。一种市场上可得的包括大约70％的Ni和30％的Fe的合金因其电阻作为温度的函数(根据温度)可预测地变化而被用于电阻温度检测器(RTD)。然而，这种合金尚未被考虑用作电阻应变仪中的应变敏感元件。
由于发明人的研究和实验，发现了Ni-Fe合金具有诸如电阻应变敏感度(即GF)的特性，所述特性使得所述Ni-Fe合金适宜(可被期望)用于应变仪中并且在发明人的工作之前是未知的。发明人发现具有以重量计75％的Ni和25％的Fe的名义成分的合金可以向应变仪提供比已知的金属电阻应变仪高的GF。发明人还证实了处于图2中的L12区域204内的二元Ni-Fe合金向电阻应变仪提供较高的灵敏度系数(即，大于5的GF)。
例如发现了，合金的诸如轧制的冷加工(随后退火处理)将材料的GF提高到5以上的值。将包含以重量计大约63％和84％的Ni以及大约16％和37％的Fe的范围的合金使用已知的箔片式应变仪的工艺轧制成箔片并且将其以处于600和900°F之间的范围内的温度退火处理处于1和16小时的范围内的时间向应变仪赋予提高到已知的金属电阻应变仪的GF之上的GF。在所有实施例中，GF被提高到至少5，并且一些实施例具有提高到10和20的GF。如先前所指出，可以通过根据已知的形成应变仪的技术的合金的金属膜气相沉积或将合金拉成丝线来形成所述应变仪。
基于发明人的工作，发明人得出理论，冷加工和退火处理有助于合金中Ni原子和Fe原子的排布，以使得Ni原子占据面心立方晶体晶格的面位置并且Fe原子占据面心立方晶体晶格的角位置，如图3中所示。
还确定了，通过添加以重量计不多于10％的具有一个或多个合金组分的三元或更高阶合金而观察到了有益结果。例如，添加了以合金的重量计不超过10％的锰(Mn)、钨(W)、钼(Mo)、铬(Cr)或其组合的具有大约63％和84％之间的Ni以及大约16％和37％之间的Fe(皆以重量百分比计)的合金提供了至少一个有益于将合金加工成电阻应变仪的特性。据观察，分别添加1％-5％的Mn、0.5％-2％的W、1％-5％的Mo和1％-5％的Cr使得将合金加工成高灵敏度系数材料得以改善。再次指出，得出理论，合金添加剂中的至少一些有助于将Ni原子和Fe原子排布成图3中所示的面心立方晶格300。
除了提供具有大于5的灵敏度系数(GF)的电阻应变仪之外，这些应变仪还具有增强的信噪比，这可有利地增强测量以前利用电阻应变仪难以测量的低水平应变的能力。另外，高灵敏度系数(GF)使得能够在实质较低地施加的应变水平(ε)下获得与诸如Cu-44Ni-2Mn的传统的现有技术中的应变仪相同水平的分数形式的电阻变化(ΔR/R)。这可提供包括测量系统的鲁棒性和稳定性的若干优点，所述测量系统还包括所述高灵敏度系数应变仪附接至其的传感器弹簧元件。

Claims (11)

1.一种电阻应变仪，其包括：
应变敏感金属元件，所述应变敏感金属元件具有在重量基础上63％至84％的镍和16％至37％的铁的化学成分，其中所述应变敏感金属元件的材料形成其中镍原子占据面位置并且铁原子占据角位置的面心立方晶体晶格，由此所述电阻应变仪具有至少5的灵敏度系数。
2.根据权利要求1所述的应变仪，其特征在于，所述应变敏感金属元件还包括金属合金添加剂，所述金属合金添加剂所处的量在重量基础上小于所述应变敏感金属元件的化学成分的10％。
3.根据权利要求1所述的应变仪，其特征在于，所述应变敏感金属元件是丝线。
4.根据权利要求3所述的应变仪，其特征在于，所述丝线被配置成迂回曲折的图案。
5.根据权利要求1所述的应变仪，其特征在于，所述应变敏感金属元件是箔片。
6.根据权利要求5所述的应变仪，其特征在于，所述箔片被配置成迂回曲折的图案。
7.根据权利要求1所述的应变仪，其特征在于，所述应变敏感金属元件是薄膜。
8.根据权利要求7所述的应变仪，其特征在于，所述薄膜被配置成迂回曲折的图案。
9.根据权利要求2所述的应变仪，其特征在于：
所述金属合金添加剂选自于由锰、钨、钼、铬及其组合构成的组中，其具有至少5的灵敏度系数。
10.根据权利要求1所述的应变仪，其特征在于，所述应变敏感金属元件被冷轧制并退火处理以获得至少5的灵敏度系数。
11.根据权利要求1所述的应变仪，其特征在于，所述应变敏感金属元件被配置成迂回曲折的图案。
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