传感器的核心:弹性体

来源:大洋传感

作者:-

发布时间:2025-10-15

应变式传感器的弹性体是核心受力与应变传递部件,其性能(如刚度、稳定性、应变均匀性)直接决定传感器的精度、线性度、零点漂移及使用寿命。


弹性体处理工艺需围绕消除内应力、保证尺寸精度、优化力学性能、提升表面适配性” 四大核心目标展开,整体流程可分为原材料准备、机械加工。处理工艺的起点是材料匹配,需根据传感器应用场景如称重、压力、扭矩的精度要求、环境适应性(温度、腐蚀)、受力类型(拉/压/弯/扭)选择材料,

常见材料及特性

材料类型

代表材料

适用场景

核心特性

 

 

 

 

金属弹性材料

42CrNiMoA合金结构钢)

高精度称重、扭矩传感器

(如汽车衡)

强度高、弹性模量稳定、抗应力松弛

 

6061/7075 铝合金

轻量化场景(如压力传感器)

密度低、导热性好、加工性优异

 

17-4PH 不锈钢

耐腐蚀场景(如化工压力传感器)

耐酸碱、马氏体时效强化、韧性好

 

非金属弹性材料

 

氧化铝陶瓷

高精度、抗污染场景(如医疗传感器)

绝缘性好、热膨胀系数小、无磁

 

碳纤维复合材料

高刚度轻量化场景(如航空传感器)

 

比强度高、抗疲劳性好


材料预处理要求:原材料需进行成分检测(如光谱分析)、力学性能抽检如拉伸强度、弹性模量测试),避免因材料杂质或性能不均导致后续工艺失效。



机械加工:

需实现“粗成型→半精修→精整” 的梯度加工,核心是减少加工应力、控制关键尺寸公差(如应变区厚度、安装基准面平行度)。

加工阶段

 工艺目的

 核心工艺内容

 关键设备与参数

注意事项

 

粗加工

 

去除大部分余量,初步成型

铣削 / 锻造毛坯(去除氧化皮、钻削定位孔、粗车外圆针对轴类弹性体)

 

数控铣床(CNC)、立式车床;进给速度

500-1000mm/min

采用冷却润滑液

(如乳化液),避免加工过热导致热应力

半精加工

 

优化形状,接近最终尺寸

半精铣应变梁(如 S 型称重传感器的梁结构)、精镗安装孔、修磨基准面

 

加工中心(CNC)、卧式铣床;尺寸公差控制

±0.1mm

 

预留 0.1-0.3mm 精加工余量,避免后续加工过量

 

精加工

保证关键部位精度

尤其是应变区

精磨应变区表面保证平整度、线切割异形结构如环形弹性体的应变槽)、抛光倒角

 

平面磨床、慢走丝切割机;表面粗糙度Ra≤1.6μm

 

应变区禁止敲打、碰撞,避免产生塑性变形


应变区特殊处理(高精度传感器必备):

对于精度≥0.1 级的传感器(如计量级称重传感器),应变区需额外进行 “微应力调控” 和 “均匀性优化”,常见工艺如下:

  • 激光冲击强化

    :用高能量激光(功率密度 10⁹-10¹²W/cm²)冲击应变区表面,产生残余压应力(深度 50-100μm),提升抗疲劳寿命(可延长 3-5 倍);

  • 自然时效

    :将热处理后的弹性体置于恒温恒湿环境(20±2℃,RH 50±5%)放置 15-30 天,让内应力缓慢释放,进一步稳定尺寸(替代人工时效的补充手段);

  • 应变区打磨校准

    :用千分表监测应变区厚度,通过手工精磨(配合磨床)将厚度误差控制在 ±0.005mm 内,保证应变传递均匀性。


  • 工艺优化方向(行业趋势):

随着传感器向 “高精度、微型化、高可靠性” 发展,弹性体处理工艺也在升级:

  1. 增材制造:用于复杂结构弹性体(如镂空应变梁),通过 SLM(选择性激光熔化)直接成型,减少加工步骤与内应力;
  2. 智能化热处理

    :采用 PLC 控制的连续式热处理炉,实时监控温度、冷却速度,实现工艺参数闭环调节;
  3. 无应力表面处理

    :采用 “等离子体喷涂” 替代传统喷砂,避免表面塑性变形,提升应变传递精度。

综上,弹性体处理工艺是 “材料、加工、热学、表面工程” 的综合应用,每个环节的微小偏差都可能导致传感器性能失效,需严格遵循 “工艺参数标准化、检测全程化” 的原则。

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