波紋管隔離封裝的靜態(tài)超高壓力錳銅電阻壓力計

洪 扁 潘征宇 張進明 葛振杰 胡央麗 冷瑩瑩

(上海市計量測試技術(shù)研究院，上海 201203)

0 引言

錳銅在壓力作用下，不會發(fā)生相變，其電阻值與其所受的壓力之間存在良好的線性關(guān)系，且錳銅電阻對溫度的敏感性很小，本身具有非常好的拉伸率和延展性，易于制成所需的傳感元件形狀，因此以錳銅電阻為感壓元件的傳感器已得到廣泛研究。目前，以錳銅作為傳感元件的錳銅測壓儀器的結(jié)構(gòu)主要有絲繞制的傳感元件、真空鍍膜的薄膜式傳感元件和錳銅合金箔片式傳感元件。其中薄膜式和箔片式主要應(yīng)用在動態(tài)超高壓力測量和監(jiān)測方面，如爆炸、高速撞擊、高能粒子轟擊等條件下測量沖擊波壓力；而絲繞制的傳感元件主要用于靜態(tài)超高壓力的標(biāo)定和測量。

目前制約超高壓錳銅電阻壓力計的測量準(zhǔn)確度的因素是，在超高壓力下傳感元件的絕緣性不好。超高壓力使錳銅傳感元件的絕緣電阻大大降低，因此產(chǎn)生測量電阻時的“旁路效應(yīng)”，嚴(yán)重影響壓阻信號的測量，從而導(dǎo)致測壓準(zhǔn)確度不高，并且由于超高壓傳壓介質(zhì)在超高壓力下絕緣性降低，也會形成旁路。研究采用120號汽油作為傳壓介質(zhì)，其高壓下的絕緣性好，并利用波紋管將傳壓介質(zhì)與超高壓力設(shè)備的傳壓介質(zhì)隔離，這樣可以提高測量的準(zhǔn)確度。因此，我們采用波紋管隔離式的傳感元件的設(shè)計，并通過結(jié)構(gòu)改進來提高傳感元件在超高壓力下的絕緣性，以提高超高壓錳銅電阻壓力計在靜態(tài)超高壓力下的測壓準(zhǔn)確度，以達到建立超高壓力傳遞標(biāo)準(zhǔn)的目的。

1 傳感元件制作

采用原上海合金廠生產(chǎn)的直徑為Φ0.1mm的錳銅絲作為壓阻元件，其組成成分為：Mn(11%～13%)，Ni(2%～3%)，Cu(其余)，錳銅絲的電阻率為0.44～0.50Ω·mm2/m，電阻年變化率≤5×10-6/年，溫度系數(shù)約為4×10-6/℃。選用初始電阻約為150Ω。根據(jù)電阻率計算出錳銅絲長度大約為2m。

錳銅傳感元件的繞制工藝如下：首先將2m長的Φ0.1mm的錳銅絲在中點處對彎成兩股，彎折處應(yīng)圓弧過渡，不應(yīng)出現(xiàn)尖角。將對彎處固定在Φ1mm銅棒上，使錳銅絲在銅芯棒上形成彈簧螺旋狀，尾端剩1cm不繞。繞好后，將芯棒從錳銅絲中取出，得到約Φ1mm錳銅彈簧，然后將錳銅絲彈簧做成傳感元件，并通過波紋管進行補償和密封封裝，封裝采用激光焊接和錐面密封的形式。

2 溫度老化工藝

纏繞好的精密電阻由于在繞制過程中存在應(yīng)力，因此精密電阻的阻值不穩(wěn)定，而且由于應(yīng)力沒有釋放，故阻值受溫度的影響很大，需整體放置在熱處理爐中進行退火處理，退火溫度取(140±5)℃，保溫8h，再隨爐冷卻，進行多次退火，使其初始電阻值趨于穩(wěn)定，釋放錳銅電阻在繞制過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。

每次老化的曲線如圖1所示，共進行了5次老化。

圖1 五次溫度老化的曲線

圖1曲線表明，第一次溫度老化大大釋放了錳銅傳感芯子在繞制過程中帶來的應(yīng)力，因此其溫度老化前后的零位電阻變化非常大，而后每次老化，其零位電阻變化值都非常小，到第五次時，其零位電阻基本穩(wěn)定。五次溫度老化前后的零位電阻值如表1所示。

表1五次溫度老化前后的零位電阻值(Ω)

表1說明，溫度老化后，錳銅電阻壓力計的零位電阻明顯降低，錳銅電阻通過溫度老化逐步釋放了內(nèi)應(yīng)力，其總變化率略有差異，可能是繞制過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力不等引起。后一次老化引起的電阻值相對變化量都比前一次的小，這說明經(jīng)過更多次的溫度老化對錳銅電阻的穩(wěn)定性更加有利，能夠達到時效的作用。

3 壓力過載老化

一般傳感器在試制后，都必須進行過載試驗，也即進行壓力老化，目的是測試傳感器本身的壓力安全系數(shù)，其次是提高傳感器的線性，并且壓力老化能消除或減小傳感器的包申格效應(yīng)，減小彈性后效帶來的誤差。本項目研制的傳感器測壓上限為1000MPa，壓力老化時將其過載至1400MPa的壓力，并保壓至少半小時后平穩(wěn)緩慢泄壓，進一步釋放錳銅傳感元件的應(yīng)力。

錳銅電阻壓力計通過多次壓力老化后，其零位電阻值變化非常小。多次老化的實驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 錳銅電阻壓力計多次壓力老化后的零位電阻變化趨勢

4 壓阻系數(shù)計算

超高壓錳銅電阻壓力計的量值由下式確定：

(1)

式中：β為壓阻方程二次項系數(shù)；a為壓阻方程一次項系數(shù)；ΔR為錳銅電阻值相對于零位電阻的變化量；R0為零壓力下的標(biāo)稱電阻值；p為壓力輸出值。

經(jīng)過壓力老化和溫度老化后，錳銅壓力計的零壓力下電阻值基本穩(wěn)定在(151.300±0.001)Ω。利用超高壓力活塞式壓力計對錳銅電阻壓力計進行多次校準(zhǔn)，不同壓力下其測得的錳銅電阻值如表2所示。

表2不同壓力下的錳銅電阻值

表3錳銅電阻壓力計的壓阻系數(shù)

從表3可以得出錳銅壓力計的壓阻系數(shù)k0約為2.559×10-5MPa-1，g值約為0.86。從而可以根據(jù)電阻的相對變化量ΔR計算出壓力計所測量的壓力值，以及外推測量大于1000MPa的壓力。

5 示值和穩(wěn)定性測試

根據(jù)JJG 860—94 《壓力傳感器(靜態(tài))檢定規(guī)程》，通過FLUKE8508A來實時測量不同壓力下的錳銅電阻壓力計的電阻值，并根據(jù)標(biāo)定的壓阻系數(shù)，實時轉(zhuǎn)化成壓力。利用超高壓活塞式壓力計多次測試壓力示值的結(jié)果如表4所示，超高壓錳銅電阻壓力計穩(wěn)定性實驗數(shù)據(jù)如表5所示。

表4超高壓錳銅電阻壓力計校準(zhǔn)結(jié)果

表5超高壓錳銅電阻壓力計穩(wěn)定性實驗數(shù)據(jù)

所以穩(wěn)定性偏差為：

表4和表5結(jié)果表明，該隔離封裝的靜態(tài)超高壓力錳銅電阻壓力計的壓力示值不超過±0.1%FS，穩(wěn)定性誤差不超過±0.1%FS。因此在設(shè)計錳銅壓力計過程中很好地解決了旁路效應(yīng)，實現(xiàn)了超高壓力傳壓介質(zhì)的隔離。

6 結(jié)論

利用錳銅絲繞制工藝制作了用于靜態(tài)超高壓力測量的錳銅電阻壓力計，該壓力計采用波紋管隔離封裝，通過對絕緣結(jié)構(gòu)的改造，并利用溫度老化改善了壓力計的零位漂移，以及利用壓力過載的工藝減小了壓力計遲滯誤差，使該錳銅電阻壓力計在1000MPa測量壓力下，仍能保持0.1級的準(zhǔn)確度要求，滿足作為超高壓力傳遞標(biāo)準(zhǔn)器具的要求。

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