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摘要
电阻应变式测力称重传感器在高精度机械测量领域中有着广泛的应用,但目前国内的传感器设计、制造、检验技术,尤其是应变片基底材料的制造工艺非常落后。为制备高精度、高稳定性的应变片,本课题研制了一种称重传感器应变片基底胶并对其性能进行了研究。主要研究内容和结果如下:
首先,研究了作为基底材料基体的环氧树脂胶粘剂的配方,利用差示扫描量热仪(DSC)初步确定了胶粘剂的固化温度,并对胶粘剂进行了性能测试。90剥离实验结果显示,胶粘剂与康铜箔材具有很高的胶结强度,并具有良好的耐湿热老化性能。
其次,采用原位及离位傅立叶变换红外光谱(FTIR)技术研究了环氧树脂胶粘剂的固化动力学,得出该体系的固化动力学参数,进而得到了固化时间、固化温度与环氧基转化率之间的方程式,确定了具体的固化工艺。同时在研究中发现,表征固化动力学时,原位法在时间轴上是准确的,但温度轴上存在一定偏差;而离位法在温度轴上是准确的,但时间轴上存在一定偏差。两种方法可互补校正。
再次,利用动态力学分析(DMA)测试了该基底胶的玻璃化转变温度,以及利用热失重(TG)对基底胶的耐热性进行了分析,结果表明基底胶具有较好的热稳定性。在之后的FTIR对固化后树脂分子结构中官能团的热稳定性的比较中发现,树脂结构中所氮原子相连的亚***往往是最薄弱的地方,最先发生分解。
最后,利用DMA蠕变模式考察了基底胶的蠕变性能,并讨论了温度、应力对基底胶蠕变性能的影响。应变及应变回复测试结果表明基底胶在常温条件下具有良好的回复性,可满足传感器应变片的使用要求。
关键词: 应变片;基底胶粘剂;固化动力学;耐热性;蠕变
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Abstract
,loadcelldesign,manufactureandtestinchina,,long-termstabilitystraingauge,:
First,formulationtailoringandcuringprocessofepoxyresinadhesivehavebeenstudied,,.
Second,thecurekineticsofepoxyresinadhesivewasstudiedbybothin-situandex-situFouriertransforminfrared(FTIR),curetemperature,andconversionofepoxidewereobtained,-situFTIRismoreaccuratethanin-.
Third,theglasstransitiontemperatureofbaseadhesivewasdeterminedbydynamicmechanicalanalysis(DMA)andthermalpropertiesweredeterminedbythermalgravimetry(TG)..
Forth,theglasstransitiontemperature,creepandstrainrecoveryofbaseadhesiveweredeterminedbydynamicmechanicalanalysis(DMA)..
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Keywords:straingauge,baseadhesive,curekinetics,thermalstability,creep
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目录
摘要 I
Abstract II
第1章绪论 1
1
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3
5
9
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第2章应变片基底胶制备 17
17
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17
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第3章应变片基底胶固化动力学研究 23
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第4章应变片基底胶的性能测试 33
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37
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38
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43
47
结论 48
参考文献 49
哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 52
哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 52
致谢 53
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第1章绪论
课题的研究背景
当今世界是信息时代,而现代信息技术由信息的拾取、传输和处理三部分组成,也就是传感技术、通信技术和计算机技术。它们分别是信息系统中的“感官”、“神经”和“大脑”。可见传感器在当代科学技术中占有十分重要的地位。在传感器大家族中,测力称重传感器(loadcell)是其中最大的分支。在轨道衡、汽车衡、地上衡、油罐容器称量衡、定量包装机械、电子台秤、精密天平、医用电子血压计、机器人、自动化控制、国防飞机、导弹风洞测试等方面有着广泛的应用。
电阻应变式测力称重传感器是借助于各种应变胶粘剂(以下简称应变胶)把应变片粘贴在弹性体上,从而把弹性体在外载荷作用下产生的应变传递到应变片的敏感栅,使其产生电阻变化,根据该电阻变化,可测知其外载荷(力或重量等)的大小,因此,应变胶传递应变的真实程度,不仅关系到应变片本身性能,而且也直接影响着传感器的各项性能。也可以说,电阻应变式称重传感器的所有性能,没有一项是与胶粘剂无关。为此,在研究分析影响称重传感器各种性能参数时,也应加强对应变胶和胶粘工艺技术等的研究。人们已经认识到电阻应变片是发展电阻应变式传感器的基础,而应变胶是发展应变片和传感器的又一关键材料[1]。本课题着重就一种应变片基底胶的研制、固化工艺及性能进行了研究。
电阻应变式称重传感器应变片工作原理
测力称重传感器的核心部件应变计,是由弹性体、应变片、应变胶和桥路组成,其中应变片由敏感栅、基底材料等组成,如图1-1[2]所示。图1-2为应变片的使用示意图。在形变传递系统中,应变片基底胶应及时地、全部地把试件形变传递给敏感栅,对应变传递起关键作用。粘接完毕后,还需要用密封材料对其表面做适当的保护处理[3]。
金属箔式应变片是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件,通过它转换被测部分受力状态变化
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[4]。在使用过程中用胶粘剂把应变片由粘贴在被测试件表面,在试件受力时变形通过胶粘剂传递给基底,再由基底传递到敏感栅上,敏感栅的长度变化引起相应的电阻变化,如图1-3所示。然后通过桥路将应变片电阻的变化转换成电压信号输出[5]。
试件
胶粘剂层
基底引出线
焊点
覆盖层箔栅
图1-1[2]金属箔式应变片结构图
应变片
胶
图1-2应变片的使用示意图
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图1-3应变片金属箔栅示意图
理想弹性体在受到外力F作用时,发生弹性形变,符合胡克定律:
•(1-1)
式中k——弹性系数;
∆L——外力作用下产生的形变量。
形变传递到金属箔栅后,引起电阻变化∆R:
•(1-2)
式中ρ——电阻率;
A——横截面积。
因此可以通过测定金属箔栅电阻的变化值来确定受力情况,达到测力称重的目的。
整个应变计系统中,应变计基底、覆盖层和粘贴应变计用各种胶粘剂总称为应变胶。应变胶的上的上述三种功能可以一种胶通用,也可以多种胶分用。其中,基底胶起着固定与支撑敏感栅几何形状和绝缘作用,是传递应变的主体部分,要求最高,研制难度也最大[6]。
电阻应变片应变胶应用现状
电阻应变计诞生初期,是用赛璐璐胶(即***纤维素)把细丝粘结在纸基底上,再在上面覆盖1mm厚的毡,其作用是防止外部机械损伤和防潮。而采用酚醛胶粘剂制成的克莱特应变计,覆盖层是用薄纸代替毡。由于环氧系胶粘剂的发明,1953年英国的Jackson用环氧胶作基底制成了箔式应变计,其后日本采用聚酯树脂制成了聚酯应变计。1951年美国研制出了用于高温应变计的无机系胶粘剂,1955年Eastman公司发明了划时代的***基丙烯酸酯系胶粘剂(即现今常用的瞬态快干胶),不仅简化了应变计的安装方法,而且也适用于不同基底材料和被粘结构、部件材料。60年代末到70年代,随着电阻应变计在称重传感器用应变计的应用不断扩大,人们对用于传感器用应变计的基底和粘结剂研究和改进,出现了更为优良的酚醛胶、环氧胶、环氧-酚醛胶以及聚亚***等。
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我国应变胶粘剂的研制始于60年代初期,原是为了配合高温应变计的研制而展开的。为配合箔式应变计的研制,先后研制成功了酚醛-缩醛胶、新酚醛胶、环氧胶、环氧-酚醛胶,聚酰亚***等,70-80年代,研制了一批用于高温应变计用的有机硅胶及磷酸盐水泥系无机胶,使我国高温应变计用温度达到900℃[7]。
在测试过程中,试件的变形是借助于各种应变胶传递到电阻应变片的敏感栅上的,应变胶的性能直接影响测量精度。应变胶应该具有以下的性能[7]:
具有足够的强度;
高的剪切模量;
尽可能小的塑性变形;
粘贴操作方便,并尽可能快的干固;
在湿气、水分和其他物质作用下,本身不应改变性能;
在不同的温度条件下不改变本身的性能;
在温、湿度变动下,具有稳定的体积;
对试件和应变片敏感栅没有腐蚀性;
在各种条件下具有高的绝缘电阻;
(10)对各种试件材料都有良好的粘结力。
但是,任何一种应变胶都不可能完全满足上列全部要求。因此,在研制、选择应变胶时,必须依据各种具体的使用条件,有重点的加以选择。
应变胶的种类很多,若以其固化形式来分类,可分为:溶剂挥发型、化学作用固化型两类;若以使用环境来分类,可分为:常温、高温、超低温、水下、核辐射、真空等环境用应变胶。但总括起来可分为有机系和无机系两大类。常见各类应变胶其性能见表1-1。
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表1-1应变胶分类及性能一览表[7,8]
种类
胶粘剂名称
性能特点
用途及使用条件
有机系应变胶粘剂
***纤维素
最早应用的应变片胶粘剂;受环境条件影响大
制作纸基应变片或临时基底
***基丙烯酸酯系
目前应用最广泛的常温应力测量贴片胶;
粘结面广、粘合速度快、粘贴方便及较好的耐候性、耐化学品
粘贴应变计(常温、应力测试)
聚酯系
成本低、固化工艺简便、固化时间短、固化后机械性能较好;
固化收缩率大,形成较大残余应力
制作纸基应变片和箔式片基底
酚醛系
粘结力好、耐热性好、耐溶剂性好;
很少单独使用
箔式片基底胶片及(常温)粘贴应变计(应力传感器用)
聚氨酯系
低温粘结强度高、粘附性好、粘结工艺好、较好的耐化学品性能;
耐热性及长期耐湿热性差
粘贴低温应变片(低温下应力测试)
环氧树脂
粘接强度高、固化收缩率小、电气性能优良、加工和操作工艺简单
箔式应变片基底及粘贴应变计(测试及传感器用)
有机硅树脂
突出的耐热性和抗老化性能
制片及贴片用(中、高温应力测试)
聚酰亚***
粘结强度好、优良的电气性能、成膜性能好、适用温度宽
箔式片基底(中温、低温下应力测试及高精度传感器)
合成橡胶系
粘结强度大、耐气候、耐水、耐化学品
粘贴应变片(大应变测试)
无机系应变胶
硅酸盐系
绝缘电阻低、粘结强度低
粘贴应变片(应力测试、高温、400℃以下)
磷酸盐系
良好的粘结性及耐高温性
粘贴应变片(高温应力测试,400-900℃)
金属氧化物
喷涂设备较复杂
粘贴高温应变计(喷涂)(高温应力测试,动态1000℃)
电阻应变片基底胶应用现状
如图1-1所示,基底是电阻应变计的一个重要组成部分。其作用是在应变计被安装到试件之前,将敏感栅永久地或临时地安置于其上,同时还要使得敏感栅和粘贴应变计的试件之间相互绝缘。
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