CN87102483A - 金属丝电阻应变管 - Google Patents

Abstract

一种金属丝电阻应变管。与常用电阻应变片不同，它是管状的而不是片状的；是金属或非金属管子和金属应变丝的直接结合而不用基底材料；既是一种力、压力敏感元件，又是一种完整的压力传感器。其主要优点是：实现压力传感器的微型化，电阻应变管直径可小至1mm或1mm以下；结构简单，性能良好，使用方便，成本低；可作高压或微压测量，也便于微细管道中的压力测量。

Description

金属丝电阻应变管

本发明是一种金属丝电阻应变管，属于应变电测技术领域。

金属导线在机械应变作用下发生电阻变化的现象-应变-电阻效应是由Lord    kelvin（开耳芬勋爵）于1856年所发现的。直到1938年至1940年间，由E.Simmons（西蒙斯）在加州理工学院和A.Ruge（鲁奇）在麻省理工学院同时分别创制出纸基丝绕式电阻应变片后，应变-电阻效应才开始被应用于实际工程测量。随着对应变片需求的不断提高，促使应变片的结构和制造工艺的不断改进和性能的不断改善。自1952年起先后出现了金属箔式电阻应变片，半导体电阻应变片以及薄膜电阻应变片。

应变片具有重量轻、尺寸小和惯性小等优点，应用的实践已证明它是一种较为精确、灵敏、简单、多用途以及便于使用的和十分可取的电测敏感元件。然而应变片作为一种敏感元件，尽管形式多种多样，性能各异，它的“片”状的特征在它有史以来的五十年时间里却始终没有改变。

电阻应变片的用途基本上可归纳为下述两类：

1.工程强度测试和实验应力分析。使用中把应变片直接粘贴在要测试的构件的某一部位上，使两者成为一体，如图5所示。当构件发生应变时，应变片的电阻值随着发生变化，经电桥测量电路把应变片的电阻变化转换成电信号，並用微应变（με）单位显示构件的应变量大小。

2.制作多种传感器。把应变片粘贴在专门设计好的膜片，筒或环等弹性元件上，再按用途需要辅以一定的结构装置及相应的测量电路，就构成了测量压力、力等多种物理量的传感器，如图6、7、8、9所示。

一般说来，工程上要测量的非电物理量，如果能够设法将其转换成压力或力的变化，那末就可以用应变片压力或力传感器来进行测量。在生理参数测量方面，生理压力测量几乎是不可缺少的。总之，压力参数的测量无论在工业上，生物医学工程上和众多的科研领域中是最为普遍需要，最受人们所关注。但是“片”状的金属丝电阻应变片作压力传感器用时，存在着下述缺陷：

1.长期稳定性差。制造工艺上两次使用粘结剂，两次粘贴。在制造应变片时将金属丝粘贴在基底上，在制造传感器时将基底粘贴在弹性元件上。这样，对粘贴工艺、粘结剂的稳定性、基底材料和粘结剂传递应变的能力等的要求很高，然而最好的粘结剂在一段时期使用后，也难免要出现蠕变、滞后、疲劳甚至松弛等现象，终使传感器的长期稳定性变差。

2.体积大，重量大。对于小容器小管道压力测量困难。为使弹性元件的应变足以反应待测压力的变化，弹性元件必须有足够大的表面积，它往往比应变片的面积大许多倍。因此，应变片传感器的固有缺点就是体积大，重量大。这对于小容器小管道的直接压力测量，对于人体内腔压力的直接测量显然很难办到，若要测量，就得用导管将待测压力与外部压力传感器相连。但导管的采用就使压力测试装置复杂化，並使压力测量的精确性，特别是动态压力测量的精确性受到影响。至于某些根本不允许采用导管的情况下的压力测量，就无法求助于现行的压力传感器了。

3.结构复杂。构成一个最简单的压力传感器除必须有应变片和弹性元件外，还需有弹性元件的夹持零件，密封垫圈和把待测压力引入测试腔的压力引入机构。此外使用时还需有一套安装固定压力传感器的附件。

4.成本高，价格昂贵。应变片虽是十分廉价，但应变片式压力或力传感器的价格却不是应变片的几倍或几十倍，而是上百倍或数百倍甚至上千倍。

本发明的任务是创制一种体积小、重量轻、结构简单、使用方便、工作稳定可靠、成本低廉、具有广泛用途特别适用于应变片结构难以解决的微压力小管道、小容器和人体内腔的压力测量的应变元件-金属丝电阻应变管。

本发明方案为一种金属丝电阻应变管，其基本特征是在一根管子上制作出一段弹性薄壁管，在该薄壁管段上用金属电阻应变丝均匀地缠绕、粘贴，把金属丝的二个引出端头分别用导线接出，以通向外部电路。方案的具体内容是：

1.金属的或非金属的管子上制作出薄壁管段，在该薄壁管段的两端安置上引线环，然后在薄壁段的外圆上，先涂一层应变胶，经处理后用制造应变片的金属电阻应变丝，从薄壁管段的一侧向另一侧均匀间绕，缠绕时稍施力拉紧金属丝，绕制前后将金属丝的两个端头分别与两引线环相连。然后第二次涂上应变胶並经处理。再从引线环上接出通向外部测量电路的引出导线，引出导线的走向与管子的轴向平行，在管子的厚壁管段上预先开好凹槽，引出导线就嵌在这些凹槽中向外引出。用胶水填封凹槽，固定引出导线。

2.对管子两侧端面的密封处理。两侧端面可以均是开口不密封的;可以是一端密封，用胶气密密封或将管子本身预先就加工成一端封闭的，而另一端则可以是：（1）开口不密封，这样管内初始压力为大气压;（2）低于常温密封（气密），这样常温时管内压力为正压（高于大气压）;（3）高于常温密封（气密），这样，常温时管内压力为负压（低于大气压）;（4）充气或抽真空密封（气密）。

3.最后在整个管子的外表面涂上保护层材料。

本发明方案，把电阻应变元件从沿用整整五十年的“片”状结构发展为“管”形结构，从而使基于应变电阻效应的电测技术和应变传感技术实现重大突破。电阻应变管与应变片不同，它本身就是一个简单而又完整的压力、力传感器。其主要优点有：

1.实现压力、力传感器结构的微型化。金属丝电阻应变管是圆管状的，管子可以做得很细，管径可小至1mm或1mm以下。

2.结构简单，易于实现压力、力传感器的系列化。管子可用金属材料制造，也可用非金属材料制造，管子工作段（薄壁管段）的横向刚度与材料及尺寸有关。用不同刚度的管子和不同应变灵敏系数的金属丝可以构成不同尺寸、不同灵敏度的一系列的适用于高压、中压、低压和微压测量的金属丝电阻应变管。

3.制造工艺简单，性能好。金属丝电阻应变管是把圆管零件作为基底，把金属丝缠绕其上一次粘贴完成的。与应变片压力传感器相比，它省去了应变片的基底以及金属丝放到基底上去的一次粘贴。因此，金属丝电阻应变管大大地减少了应变片那种由于基底材料性能、粘结剂性能以及粘贴工艺等因素对传感器性能的影响。由于金属丝电阻应变管的制造是把金属丝缠绕在管上再把两者粘结在一起的，而不象金属丝应变片那样把金属丝回弯地平放在基底上再把两者粘结在一起，然后再把应变片粘贴到弹性元件（如膜片等）上的，因此金属丝电阻应变管传递应变的能力固有地比金属丝应变片要好得多。並且金属丝电阻应变管具有抗蠕变、滞后、疲劳甚至松弛等金属丝应变片使用中难免要出现的诸现象的能力，所以它的稳定性、可靠性好。

4.使用方式上的多样性。这是由金属丝电阻应变管的结构特征和管内压力即管内参考压力选择的多样性所决定的。一端封闭，一端开口的电阻应变管，可以用大气压或某种特定大小的压力为管内参考压力，也可以用某种按一种规律变化的压力为管内参考压力;至于两端均封闭的电阻应变管，管内参考压力往往或是正压力（高于大气压）或是负压力（低于大气压）或是真空，这对高压、中压、低压和微压的测量提供了方便。管内参考压力为真空时则可方便地实现绝对压力测量。当然两端封闭时管内参考压力是随温度而变的，但这种变化因绝对遵循气体状态方程所描述的规律，所以由此产生的测量误差可方便地加以修正。而两端均开口的电阻应变管，则适用于流体的压差及流量等参数的测量。

5.安装简单、使用方便、成本低。

由于金属丝电阻应变管的“管”状结构特征和由此产生的一系列优点，本发明作为一种压力、力敏感器或传感器在众多的科研和工程领域中将有着广泛的用途。其基本用途是作流体压力测量。它有希望取代现有的几乎是全部的应变片压力传感器而能解决目前应变片压力传感器难以办到的小管道、微压力测量。其它的物理量如果能以某种方式或通过某种介质与电阻应变管的应变联系起来，原则上都可以用它来测量，构成各种各样的金属丝电阻应变管传感器。在生命科学研究中，经常需要进行人体生理参数的测量，其中生理压力参数的测量是用得最多和最受重视的，因为人体的大量生理信息中，有很多（约一半以上）是可以通过生理压力测量而间接地取得。就生理压力本身而言，有动（静）脉压、心内压、（脑）颅内压、胃内压、膀胱压和肛门压等内腔压力以及肌肉组织压等等。很显然微型化的金属丝电阻应变管压力传感器在生理压力测量方面定能发挥理想的作用。

总之，金属丝电阻应变管是一种简单、可靠、性能良好、使用方便、微型化的和应用广泛的压力、力敏感元件或传感器，它的产生将为科学研究、工程测量和生物医学测量提供一种新型、有效的工具和手段。

图1，本发明的金属丝电阻应变管的结构图。整体式弹性薄壁管，在厚壁管子上加工制作出弹性薄壁管段，材料为金属的或非金属的。

图中：1.加工有弹性薄壁管段的管子，2.左侧引线环，3.引出导线（4）与左侧引线环的焊接点，4.左侧引线环上的引出导线，5.右侧引线环上的引出导线，6.引出导线（5）与右侧引线环的焊接点，7.金属丝与右侧引线环的焊接点，8.右侧引线环，9.金属电阻应变丝，10.金属丝与左侧引线环的焊接点，11.密封粘胶，12.保护层。

图2，本发明的另一种金属丝电阻应变管的结构图。相套式弹性薄壁管，在薄壁管外圆上封套固定两个相隔一定距离的附加管子形成弹性薄壁管段，材料均可为金属的或非金属的。

图中：13.薄壁管，2-12符号意义与图1相同，14.左侧封套管子，15.右侧封套管子。

图3，金属丝电阻应变管的一般工作特性。

图4，用作压力测量的一种金属丝电阻应变管压力传感器结构图。

图5，轴的拉伸应力测试示意图。

图中：F.轴受到的拉伸力，R₀.应变片的初始电阻，△R.应变片伸缩时的电阻改变量，R₀+△R.为电桥的工作臂，R₁.R₂.R₃，测量电桥桥臂固定电阻，R_W1.R_W2.桥路平衡调节电阻，E.桥路电源，U₀.电桥输出电压。

图6，波纹膜片与平弹簧片组合成的应变片式压力传感器示意图。图中R为四个应变片的初始电阻。

图7，薄壁弹簧筒。

图8，薄壁弹性筒应变片式压力传感器示意图。

图中：R₄.R₅为应变片的初始电阻，其中应变片R₄粘贴在空心筒的外壁上，大小随待测压力而变化，应变片R₅粘贴在园筒实体部分的外壁上，大小不随压力而变，仅作温度补偿之用。

图9，一种弹簧环测力传感器示意图。由弹性环与应变片组成，图中R为四个应变片的初始电阻。

实施例一

本发明方案的一个实施例，参照图1，其实施方法和步骤说明如下：

1.根据工作要求取用金属或非金属材料的管子（1），在靠近管子（1）的左侧加工制作出一定长度的弹性薄壁管段，称它为整体式弹性薄壁管，在右侧厚壁管部分的外圆表面上，开出两条与管子轴线方向平行的引线凹槽，以备将引出线嵌在其内引出;

2.在薄壁管段及其周围，用清洁剂清洗並干燥后，涂上一薄层粘结剂作为底胶;

3.用薄片弹簧铜开口卡环（2）和（8）卡入薄壁管段並固定于薄壁管段的两侧，它们将作为应变金属丝的两个端点的接线环，也是金属丝引出导线的引线环;

4.选用某种制造金属丝电阻应变片的金属丝，将其一端焊接在左侧的引线环（2）上，焊接点为（10），点（10）的位置可选在环上除开口处外的任意外圆表面上;

5.将金属丝从焊接点（10）开始，从左至右按一定的间距均匀缠绕在薄壁管上，缠时对金属丝微微施力拉紧，最后将末端焊接在引线环（8）上，图示（7）为焊接点;

6.第二次涂上一薄层粘结剂，並固化稳定处理，这样金属丝已与弹性薄壁管成为一体;

7.在右侧引线环上点（6）处接引出导线（5）並嵌入厚壁管段的引线凹槽内向右方引出;

8.在左侧引线环上的点（3）处，点（3）与右侧另一引线凹槽基本上处在同一直线上，在点（3）上焊接另一条引出导线（4），然后将引出导线（4）松直地紧贴並跨越薄壁管段並嵌在右侧厚壁部分的另一条凹槽中向右方引出;

9.将引出导线（4）和（5）用胶填封固定在两引线凹槽中;

10.在薄壁管段涂上防护层材料、防护层外圆表面不超出管子（1）的厚壁部分的外径，图中（12）是防护层;

11.将管子（1）的左侧开口端用胶填封，並进行干固稳定处理。如果管子（1）左侧是自身封闭的，则此项工作可以省略;

12.管子的右侧厚壁管段，其长度视需要而定，根据使用要求，右侧端部可以开口不封;也可以用第11的方法填封，而封接的环境温度应按对管内参考压力的大小要求而定;也可以在填封时用充气或抽真空的方法获得所要求的管内参考压力;

13.如果需要的是两端开口的金属丝电阻应变管，则第11，12两项工作均可省去;

14.上述各步工作完成后，在整个管子的外圆表面及左侧端面上喷上或涂上一薄层塑料或硅胶保护层（图中未表示出）。在喷或涂之前，可在管子右侧延长部分的外圆面上写上或贴上名称、型号、规格、生产厂名及出厂时间等标记。

实施例二

本发明方案的另一个实施例，见图2，它与实施例一的主要差别在于弹性薄壁管段的形成方式不同。在本实施例中，不是采用厚壁管进而在厚壁管上加工制作出弹性薄壁管段，形成所谓整体式弹性薄壁管，而是采用薄壁管（13）进而在其上相隔一定距离封套固定外套管子（14）及（15），形成刚性厚壁管段，这样形成的弹性薄壁管，称它为封套式弹性薄壁管。

由于采用封套式弹性薄壁管，应变金属丝的左右两个引线环（2）和（8）可以是整体式的薄壁铜环，不要求有弹性，也不用开出缺口。制作时，先对零件（13），（2），（8），（14）和（15）清洗並干燥，再将零件（2）和（8）压套在薄壁管（13）上，使两者相隔一定的距离，然后在零件（13）的左右两侧分别套上外套管子（14）和（15），並把它们与零件（13）和（2），（8）分别胶封固定成一体。右侧外套管（15）上的两条引出线凹槽可在封套到薄壁管（13）以前预先加工好，也可以在封套固定以后再加工形成。

本实施例的其余全部工艺步骤2，4，5，6，……14均与实施例一完全一样，图2中其余全部文字符号的意义也与实施例一完全相同。

一端封闭，一端开口的金属丝电阻应变管，把它接入测量电桥中，管内压力P与输出电压U₀的关系，即金属丝电阻应变管的一般工作特性如图3所示。

图4是一种用于工业流体管道中压力测量的金属丝电阻应变管压力传感器，可见它十分简单，除金属丝电阻应变管（16）外，仅用一个具有安装用螺纹的中空螺栓状零件（17）。零件（17）既作为应变管的固定件，也作为应变管压力传感器测量应用时的安装件。而两者只需用粘结剂胶封，图中（18）所示为胶接部分。

Claims (5)

1、一种金属丝电阻应变管，本发明的特征是在一根管子上制作出一段弹性薄壁管，在该薄壁管段上用金属电阻应变丝均匀地缠绕、粘贴，金属丝的二个引出端头分别用导线接出，以通向外部电路。

2、根据权利要求1所述的应变管，其特征是在薄壁管的外圆上，用金属的或非金属的管子加以封套固定，但留有一段管子未加封套，该段即为所述的弹性薄壁管段。

3、根据权利要求1所述的应变管，其特征是金属电阻应变丝的两个引出端头分别与薄壁管段两侧的引线环相连，再由引线环连接通向外部电路的引出导线，导线与管子轴向平行並嵌入管子厚壁段的引线凹槽中，且填封凹槽固定引出导线，最后将整个管子外圆表面涂上保护层。

4、根据权利要求1所述的应变管，其特征是管子两侧端面或是开口不密封，或是一端开口一端密封，或是两端均密封。

5、根据权利要求1和4所述的应变管，其特征是一端可在常温下密封，另一端可在高温（高于常温）下密封，使管内压力在常温下为负压力（低于大气压），也可在低温（低于常温）下密封，使管内压力在常温下为正压力（高于大气压），也可充气或抽真空密封。

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