安春华　武文革　张新宇　伏宁娜

(中北大学，山西 太原 030051)



NiCr合金薄膜测力传感器设计制作与力学标定*

安春华武文革张新宇伏宁娜

(中北大学，山西 太原 030051)

为了满足切削力信号精确测量的要求，制作了两种结构的切削力测量用镍铬合金薄膜传感器样品、可调式改良应变测试仪桥盒，进行了传感器静力学标定与实际切削力测量试验。使用DASP 36通道振动与噪声信号采集分析系统与YD-15型动态电阻应变仪进行采集与读取测量时的电压信号与应变信号，将采集的应变信号经MATLAB转换为压力应变曲线图，将传感器应变、输出电压值与其对应的理论仿真值进行对比,结果表明测量值与其误差较小，两种传感器的力学测量性能良好。

NiCr合金薄膜传感器；样品；测量；对比

切削力的测量与控制对现代制造技术的发展有着极其深远的影响，对数控机床的编程与控制等先进加工技术具有较大的借鉴意义。近年来离子束沉积薄膜技术的发展为金属薄膜传感器的出现与发展奠定了基础。金属薄膜传感器具有高温化学稳定性，较高的熔点，灵敏度高、机械滞后小、温度系数小、成本低等优点[1]，为切削力的精确测量提供了良好的传感器依托。

本文利用压阻效应设计了两种镍铬合金电阻栅的薄膜测力传感器样品，对样品进行了电阻栅结构尺寸、电阻栅厚度、电阻值的测量；并利用改良应变测试仪桥盒，进行了4组静力学测量试验，采集了多组不同载荷下的应变与输出电压值，将应变值利用MATLAB进行数据拟合，并与相应的理论仿真值进行对比发现二者误差较小，且传感器应力测量的线性度良好。

1　传感器设计制作

传感器作为测量切削力最重要的部分，其选择对后续监测环节影响深远。本文通过前期理论计算设计出图1所示两种传感器设计方案，并结合敏感栅材料镍铬合金(Ni80Cr20)的性能，在钛合金基底上利用LDJ-2A-F100系列双离子束溅射沉积系统制作了两种电阻栅结构的NiCr合金薄膜传感器样品A、B如图2所示。其横、纵电阻宽度为102.6 μm、51.5 μm，横、纵电阻长度206.6 μm、2 010.6 μm，厚度分别为754.5 nm、643.8 nm。

使用KEYENCE VHX-Z5000超景深三维显微系统和KLA-Tencor P-7探针式台阶仪测量A、B两种传感器的基本尺寸，并与其理论值进行比较得出其横、纵电阻长度误差分别为3.3%和0.53%，电阻率误差均为2.6%，符合设计加工要求。由于薄膜沉积速率、溅射原子沉积角等工艺因素的影响使得A、B两种传感器样品均存在电阻值误差，其具体值分别为3.5%、9.4%，满足设计要求。所以所制作的两种传感器样品合格。

2　传感器静力学标定

在制作得到良好尺寸的传感器样品后，就需要研究其力学测量时的输入与输出关系及特性，以便指导其设计、制造、校准与使用。采用DASP 36通道振动与噪声信号采集分析系统与YD-15型动态电阻应变仪进行试验。

初始值设定：采样频率为512 Hz，标定值为11.5 mV，输入电压U0=4 V，预应变1×100 με。利用图3所示自制电桥及悬臂梁试验图中的可调式改良单臂电桥改良应变测试仪桥盒Rx1=680 Ω的自制单臂电桥与悬臂梁粘合进行实验一、二的悬臂梁加载试验；利用Rx2=1 630 Ω的自制单臂电桥和车刀粘合进行实验三、四的车刀架在试验如图4所示，采集应变仪输出应变信号储存，并读取输出电压U1。试验流程如下：

实验一：往悬臂梁上依次加0 g、100 g、200 g、300 g、400 g砝码观察传感器电阻栅的线应变的梯度变化；

实验二：依次添加100 g、200 g、300 g、400 g砝码，然后依次按300 g、200 g、100 g、0 g递减砝码观察传感器电阻栅的线应变；

实验三：往车刀上依次加棒料使重量达到0 kg、57.9 kg、154.25 kg、269.85 kg、420.45 kg、590.05 kg、803.85 kg观察传感器电阻栅的线应变的梯度变化；

实验四：往车刀上依次加棒料使重量达到0 kg、93.6 kg、211.95 kg、425.75 kg，然后递减重量211.95 kg、93.6 kg、0 kg观察传感器电阻栅的线应变；上述实验均重复多组。

为了直观地观察试验加载时的悬臂梁及车刀应变情况，用Matlab读取YD-15型动态电阻应变仪试验所得原始线应变数据得到如图5所示的实验加载对应时间-应变曲线图，图6所示为施加力与传感器输出对应电压曲线图。对多组实验数据进行处理，应变值减去初始值取均值后得表1所示理论仿真应变值与试验应变值对比表，表2所示四组实验输出电压理论仿真值与试验值对比表。

由于悬臂梁系统刚性较小在加载砝码时会对悬臂梁造成瞬间冲击产生较大应变波动，而车刀系统刚性较大加载不会产生较大冲击但应变产生会有时滞现象，由图5 实验加载时间-应变曲线图可以看出实验一、二的应变曲线有较大波动，当波动稳定时其稳定值即为悬臂梁的应变值；实验三、四应变曲线具有时滞现象，在两种试验系统中其不同载荷下的波形阶梯明显，且加减载荷对称性良好，加载过程经NiCr合金薄膜传感器样品A、B的测量完整地反映到了应变曲线原始数据中；由图6可以看出传感器A、B的线性度均良好，当载荷加倍时传感器输出电压加倍，传感器A的输出电压与载荷的比值约为0.515 mv/N，传感器B的输出电压与载荷的比值约为0.000 403 mV/N；由表1、表2计算得到传感器样品A的应变值误差在4.02%～6.71%之间，电压误差在3.00%～6.71%；传感器样品B的应变值误差在2.53%～6.86%之间，电压误差在2.20%～9.52%，表明传感器样品A、B的测量迟滞、蠕变小性能较为优良。

表1理论仿真应变值与试验应变值对比表

车刀试验加载力/N57915422698420459008038理论仿真值/με24.2150.8793.61139.36207.15265.59试验值/με25.8752.3696.75147.29212.40276.47误差6.86%2.93%3.35%5.69%2.53%4.10%悬臂梁试验加载力/N1234--理论仿真值/με47.2197.84141.02179.40--试验值/με48.7396.24143.37186.61--误差5.45%3.96%6.71%4.02%--

表2四组实验输出电压理论仿真值与试验值对比表

车刀试验加载力/N57915422698420459008038理论仿真值/mV0.210.580.991.572.153.17试验值/mV0.230.601.041.622.333.24误差9.52%3.45%5.05%3.18%8.37%2.20%悬臂梁试验加载力/N1234--理论仿真值/mV0.551.011.492.00--试验值/mV0.581.051.592.06--误差5.45%3.96%6.71%3.00%--

3　结语

在完成两种新型切削力测量用NiCr薄膜合金传感器样品A、B设计制作的基础上，利用Rx1=680 Ω、Rx2=1 630 Ω的改良单臂电桥桥盒分别进行了悬臂梁与车刀静力加载试验。利用DASP 36通道振动与噪声信号采集分析系统与YD-15型动态电阻应变仪进行应变、电压数据的采集与读取，传感器输出应变、电压数据与理论仿真数据计算对比后发现传感器A的输出电压与载荷比约为0.515 mv/N、传感器B的输出电压与载荷的比值约为0.000 403 mV/N；与理论仿真值对比传感器样品A、B的应变值误差范围分别介于4.02%～6.71%之间与2.53%～6.86%之间，电压误差范围分别介于3.00%～6.71%之间与2.20%～9.52%之间。上述数据表明两种切削力测量用NiCr薄膜合金传感器样品A、B的线性度良好，测量时滞、蠕变小具有良好的力学测量性能。

[1]董永贵.微型传感器[M].北京：清华大学出版社，2007:78-124.

[2]童敏明，唐守锋，董海波.传感器原理与检测技术[M]. 北京：机械工业出版社，2013：52-76.

[3]孙建民，杨清梅.传感器技术[M]. 北京：清华大学出版社；北京交通大学出版社，2005：28-76.

[4]刘金声. 离子束沉积薄膜技术及应用[M]. 北京：国防工业出版社，2003：194-200.

(编辑谭弘颖)

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Design, fabrication and mechanical calibration of NiCr thin film sensor

AN Chunhua, WU Wenge, ZHANG Xinyu, FU Ningna

(North University of China,Taiyuan 030051, CHN)

In order to obtain good performance sensors for measuring cutting forces, two kinds of nickel-chromium thin film alloy sensors, adjustable modified strain tester bridge box were designed. Static sensor calibration tests and actual cutting force measurement experiments were conducted. DASP 36 channels vibration and noise signal acquisition and analysis system and YD-15-type dynamic resistance strain gauge were used to collect voltage signal and strain signal when measuring. Strain signal will be converted into pressure - strain curve using MATLAB. The output voltage value of strain sensor compared with the theoretical simulation value, finding that measurement error is small and the force measurement performances of both the sensors are good.

NiCr thin film sensor; sample; measurement; comparisons

TH7;TP212

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.06.007

安春华，男，1988年生，硕士研究生，研究方向为嵌入式薄膜微传感器的设计及有限元分析，已发表论文2篇。

2015-11-24)

160623

* 山西省国际科技合作项目(2015081018)