[发明专利]高压氢环境下的载荷传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种载荷传感器，特别涉及一种高压氢环境下的载荷传感器。

背景技术

氢气是一种重要的工业原料。在石油化工、电子工业、冶金工业、航空航天等领域都有着广泛的应用。然而要想实现规模化利用氢气，还有很多技术问题需要解决。而安全高效储氢、输氢和加氢是其中的关键难题。高压临氢环境下服役的结构材料由于氢脆现象的存在，会引起材料的性能劣化和疲劳失效，并导致严重的生产事故。

因此在临氢环境下材料的应力应变测量就必不可少。其中，电阻应变片测量是运用最广泛的测量方法。但是普通的电阻应变片在氢环境下，由于氢气会侵入电阻使其电阻率发生变化，从而导致应变片本身会有很大的零点漂移和蠕变。因此，氢侵入电阻应变片会严重的影响到其测量准确性和稳定性。这就导致普通应变片不适合于高压临氢环境下的应力应变测量，需要开发一种高压临氢环境下专用应变片。

美国Sandia国家实验室已经研制出室温200MPa氢气环境下静态加载材料氢脆性能测试装置和室温140MPa氢气环境想动态加载材料断裂力学性能测试装置。在上述实验测试装置中都涉及到高压氢环境下的应力应变测量，由于缺少高压氢环境下专用的电阻应变片，因此该实验室的研究人员首先假定氢气不影响电阻应变片的线性，在利用事后回溯法来确定应变片在氢环境下的信号输出。然而，这种方法会产生较大的测量误差，影响测量的准确性。

日本已研究出多种高压氢环境下材料氢脆性能的测试装置。然而，他们也会出现应变片在高压氢环境下应变片输出信号波动的问题。

目前，我国在传感器方面的研究还处在比较落后的阶段，尤其是高精度的压力传感器。在航空航天、石油化工等领域需要的高精度、高稳定性的压力传感器长期依靠进口。这严重影响到我国的生产需要、阻碍自主技术创新。

不过，我国在高压储氢和加氢方面的技术已处于世界领先水平。并且具备了高压氢系统的建造能力。然而，我国在高压氢系统安全保障方面仍然存在急需解决的问题：缺乏高压氢系统材料/整机耐久性检测装备和技术，不具有对高压氢系统进行安全检测的能力。因此，为了保障高压氢系统更长的使用寿命和安全可靠地运行，必须要加强在高压氢系统安全保障方面的技术研究。其中，高压临氢环境下应力应变测量是实现安全检测的关键技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种专门用于高压临氢环境下测量材料应力应变的载荷传感器，以克服现有载荷传感器在高压临氢环境下自身产生较大零点漂移和蠕变的不足，保证了测量结果的准确性和稳定性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种高压氢环境下的载荷传感器，包括传感器上壳、传感器下壳及弹性体，弹性体分别与传感器上壳、传感器下壳螺纹连接，弹性体中部均布有箔式应变片，箔式应变片与弹性体粘接，箔式应变片包括敏感栅、基底、覆盖层和引出线，敏感栅由胶黏剂粘在基底和覆盖层之间，引出线连接敏感栅，敏感栅的制作材料为铁基合金，敏感栅表面设有一层氢穿透阻隔薄膜。

作为优选，所述铁基合金按质量百分比计各元素的组成为：铬10-20%，镍3-8%，铝1-6%，铁余量。

作为优选，所述敏感栅的厚度为3μm-15μm。

作为优选，所述氢穿透阻隔薄膜由铁过渡层和铝薄层组成，氢穿透阻隔薄膜加工时先采用磁控溅射技术在敏感栅表面沉积一层厚度为10-100nm金属铁形成铁过渡层，接着再沉积一层厚度为10-100nm的金属铝形成铝薄层。

作为优选，磁控溅射技术加工参数为：抽真空至6.7×10^-3 Pa，加热至300 ℃，400 V高压下Ar离子清洗后，60V电压下先沉积形成铁过渡层，然后沉积形成铝薄层。采用这样的参数，加工效果好。

作为优选，所述阻隔薄膜表面还采用等离子体氧化技术加工有一层厚度为1nm-10nm的氧化铝保护层。

作为优选，等离子体氧化技术加工参数为：使用的射频源频率为10-15MHz，射频源功率为2W/cm²，气源为氩气和氧气的按照5-10：1的体积比混合而成的混合气体，气体流量为49sccm ，反应室气压为1×10⁴-8×10⁴Pa，敏感栅温度控制为250℃，氧化时间为0. 5-2. 5h。采用这样的参数，加工效果好。