在新型传感器的开发过程中,通常考虑从以下三方面人手:
①挖掘现有材料的新效应、新现象或新反应;
②随着新材料的问世,重新利用早期发现的各种效应(包括各种物理效应,见下表)、现象或反应;
③伴随新材料的出现,利用新发现的各种新效应、新现象或新反应。由此可见,传感器的开发从某种意义上讲就是对传感器材料的开发。因此,传感器材料技术的提高是传感器技术发展的关键。了解传感器的材料对于科研及工程技术人员是非常必要的,今天传感器专家网为大家着重介绍常用的金属传感器材料。
弹性合金
常用的弹性合金有两大类:高弹性合金和恒弹性合金。
铜基高弹性合金是最早得到应用的,如黄铜、磷青铜、钛青铜和铍青铜等。铜基合金由于耐髙温、耐腐蚀等性能差,往往不能适应传感器的进一步要求,因而在一些场合以铁基和镍基高弹性合金逐渐取代铍青铜作为弹性元件。有代表性的如蒙乃尔合金等。它们具有弹性高、滞后小、耐腐蚀等特点。
由于髙弹性合金的弹性模量E随着温度变化而有明显的改变,从而带来温度误差,所以目前普遍采用恒弹性合金作为测压敏感元件。恒弹性合金在一定的温度范围内,它的弹性模量温度系数很小,一般为±10×1010^-6/℃。有代表性的如:Ni42CrTiAl,我国代号为3J53,国外代号为Ni-Span-C。这种材料在-60〜+ 100 ℃的温度范围内,基本上是恒定的。
更理想的髙温弹性合金是铌基合金等。它的特点是:无磁性,磁导率均为10^-6数量级;恒弹性,弹性模量温度系数低,在700℃时尽仍可保持为(1〜2) ×10^-6;弹性模量低,一般E值均在1.1× 10^10 Pa左右,这对传感器的设计和使用很重要,由铌基合金制成的弹性敏感元件,在同样的载荷下,可得更大的弹性变形,有利于传感器灵敏度的提高;强度高;耐腐蚀性能好。
弹性元件材料要同时满足上述所有要求,在客观上是困难的,因此只能根据传感器的使用条件综合考虑。
特殊合金材料
1.铝、铜及钛合金
随着传感器的结构形式、工作介质及量程不同,传感器弹性元件材料还可选用如:铝合金(弹性模量为钢的1/3,但弹性模量的温度系数为钢的2倍,做出的传感器滞后较大)、铜合金及钛合金(弹性模量比钢约小一半,但弹性模量的温度系数大)等。下表列出了部分铝、铜及钛合金材料。
表 部分铝、铜及钛合金弹性元件材料
此外,在某些特殊条件下,还选用具有高内耗特性的锰铜。在循环应力的作用下,锰铜能吸收谐振的能量而有效地减小噪声及内部应力,对于要求较高动态响应特性的传感器比较有利。
2.银基合金
铌基合金主要是Nb-Ti及Nb-Zr合金,具有无磁、耐蚀、弹性模量低、弹性限高及滞后小等一系列优良的综合特性,已在一些特殊性能要求的传感器中得到应用。较典型的铌基合金N b35-Ti42Al5〜5. 5的性能如下:
①高温弹性稳定。
②弹性限高、滞后小。冷轧状态合金存在位错,但时效后有很高的弹性限,时效弹性模量的影响较小。
③抗氧化、耐腐蚀。
④其余性能。
由此可知,铌基合金的弹性在室温下比较低模量的铍青铜稍优,高温则优于铍青铜。尤其是阻尼波形,铌基合金在20〜250℃内无变化,而铍青铜在>180℃时产生明显畸变。此外,与常用的恒弹合金如3J53相比,铌基合金的使用温度也较高。由于其弹性模量较3J53低,故输出灵敏度高。
国外常用金属材料
国外传感器弹性敏感元件材料,主要使用的是合金结构钢。英、美、德和瑞士等国多用中碳镍铬钢;俄罗斯较普遍的是用中碳铬锰硅钢;在俄罗斯和匈牙利等国也有用弹簧钢的,特殊条件下,也使用铁-镇恒弹合金;法国则很注意耐腐蚀性能,常选用价格较贵的析出硬化性不锈钢,也有选用髙速工具钢的。