introductif
La précision et la stabilité des shunts dépendent fortement des performances de leur matériau de base, l'alliage de résistance. L'alliage manganèse-cuivre (manganin), le matériau de résistance de précision le plus classique et le plus largement utilisé, a été le matériau de choix pour les résistances standard et les shunts de haute précision depuis son invention à la fin du 19e siècle. Dans cet article, les propriétés matérielles des alliages manganèse-cuivre et le processus de fabrication avancé des shunts seront examinés en profondeur.
I. Historique du développement des alliages manganèse-cuivre
1.1 Découverte et premières applications
En 1888, Feussner et al. de l'Institut allemand de physique et de technologie ont découvert les excellentes propriétés des alliages manganèse-cuivre dans le cadre de leur étude des matériaux résistifs. Cet alliage ternaire de cuivre, de manganèse et de nickel présente un coefficient de résistance très faible à proximité de la température ambiante, ce qui le rend idéal pour la fabrication de composants de résistance de précision. En raison de son nom allemand ”Manganin”, il est habituellement appelé ”Manganese Canning” ou ”Manganese Copper” en chinois.
En 1889, Weston, un inventeur américain, a obtenu un brevet pour un alliage à faible coefficient de température de résistance. Depuis lors, les alliages manganèse-cuivre sont utilisés dans le monde entier et sont devenus indispensables dans les domaines de la métrologie électrique et des mesures de précision.
1.2 Développement de systèmes de matériaux
Après plus de cent ans de développement, l'alliage manganèse-cuivre a formé un système complet de matériaux. Selon la norme nationale chinoise GB/T 6145-2010, les principales qualités sont les suivantes :
- 6J8 (Précision Manganèse Cuivre) :Pour les résistances standard et de précision
- 6J12 (Précision Manganèse Cuivre) :Pour les résistances d'instrumentation de précision
- 6J13 (Splitter type manganèse cuivre) :Spécialisé pour les shunts avec des caractéristiques de température plus plates
II. métallurgie physique des alliages manganèse-cuivre
2.1 Composition et organisation
La composition typique des alliages manganèse-cuivre standard est Cu-12%Mn-2~4%Ni, formant une organisation de solution solide monophasée γ. Les atomes de manganèse et de nickel sont dissous dans la matrice de cuivre, ce qui produit un fort effet de renforcement de la solution solide et un effet de diffusion des électrons.
La résistivité de l'alliage (environ 0,45 μΩ-m) est principalement dérivée :
- Diffusion des électrons due à la distorsion du réseau
- Diffusion des impuretés par les atomes du soluté
- Diffusion à partir des joints de grains et des défauts
2.2 Caractéristiques de température de la résistance
La caractéristique la plus remarquable des alliages manganèse-cuivre est que leurs courbes résistance-température sont de forme parabolique, avec un point extrême près de 20~25°C, ce qui se traduit par un coefficient de résistance-température extrêmement faible (jusqu'à ±5ppm/°C) dans cette plage de température.
Le mécanisme physique de cette propriété est lié à la structure électronique de l'alliage. Pour des compositions spécifiques et des états de traitement thermique, deux mécanismes opposés de changement de résistance (amélioration de la diffusion des phonons et changements de la surface de Fermi) s'annulent l'un l'autre, créant un intervalle de coefficient à basse température.
2.3 Différence entre le type de précision et le type shunt
Précision Manganèse CuivreLa plage de température de fonctionnement est de 0~45℃, et la variation de résistance est très faible dans cette plage étroite, ce qui convient aux instruments de précision à faible élévation de température.
Type de séparateur manganèse-cuivreEn ajustant la composition et le processus de traitement thermique, la courbe résistance-température est plus plate dans la plage de 0~100℃. Bien que le coefficient de température au point extrême soit légèrement plus grand, la performance globale sur une large plage de température est meilleure, ce qui la rend adaptée aux applications de shunt avec une forte augmentation de la température à des courants élevés.
III. autres alliages résistifs
3.1 Cuivre (Constantan)
Le cuivre Con est un alliage binaire Cu-40%Ni présentant les caractéristiques suivantes :
- Faible coefficient de température de résistance et bonne linéarité de la courbe de température
- Large gamme de températures de fonctionnement (jusqu'à 400°C)
- Bonne résistance à la corrosion
Cependant, le potentiel thermique élevé du ConocoPower par rapport au cuivre (environ 40μV/°C) le rend inadapté aux mesures de précision en courant continu, et il est principalement utilisé pour la résistance en courant alternatif, le thermocouple et d'autres applications.
3.2 Nouveaux matériaux d'alliage
Les chercheurs ont développé une variété d'alliages améliorés pour répondre à des exigences de performance plus élevées :
- Alliage Cu-Mn-Al :Résistivité plus élevée et meilleure résistance à l'oxydation
- Alliage Cu-Mn-Sn :Le coefficient de température peut être encore réduit
- Alliages Cu-Mn-Ge :Meilleure stabilité et aptitude à la transformation
Quatrièmement, le processus de fabrication des shunts
4.1 Traitement des résistances
Le processus d'usinage du corps de la résistance de shunt comprend généralement les étapes suivantes :
- Préparation des matières premières :Sélection de matériaux d'alliage manganèse-cuivre de haute pureté
- Processus de formation :Emboutissage, découpage ou usinage aux dimensions prévues
- Traitement thermique :Stabilisation des valeurs de résistance et des caractéristiques de température par l'élimination des contraintes de processus
- Traitement de surface :Plaqué ou passivé selon les besoins
4.2 Matériaux des terminaux et processus de connexion
Les bornes de shunt sont généralement fabriquées en cuivre violet ou en laiton, avec une bonne conductivité et une bonne soudabilité. La connexion entre les bornes et le corps de la résistance est le processus clé de la fabrication des shunts, qui affecte directement la précision et la fiabilité du produit.
Les principaux processus d'assemblage sont les suivants :
Brasage (brasage à l'argent) :Procédé conventionnel à moindre coût, mais avec une certaine résistance au contact et une instabilité de la température au niveau des joints.
Soudage par faisceau d'électrons :C'est le procédé préféré pour les shunts haut de gamme. Réalisée dans un environnement sous vide, la soudure est de haute qualité, avec une résistance de contact extrêmement faible (négligeable) et une petite zone affectée par la chaleur qui n'affecte pas les performances du corps de la résistance.
Soudage au laser :Entre les deux, il convient à la production de masse de produits de précision moyenne.
4.3 Conception d'une structure à quatre terminaux
Le shunt de haute précision est une construction à quatre bornes (Kelvin) avec des bornes de courant et de tension séparées. Le point de mesure de la tension doit être situé sur le corps de la résistance, en évitant la zone de soudure pour éliminer l'effet de la résistance de contact.
4.4 Traitements de vieillissement et de stabilisation
Après le traitement, le shunt doit être vieilli pour libérer les contraintes résiduelles et stabiliser la valeur de la résistance. Les processus de vieillissement typiques sont les suivants
- Cycles de température multiples
- Vieillissement correct du courant
- limitation naturelle
Le cycle de vieillissement des shunts de haute précision peut durer des semaines, voire des mois.
V. Contrôle de la qualité et tests de performance
5.1 Paramètres clés de performance
Les principaux paramètres de performance du déviateur sont les suivants :
- Précision de la valeur de résistance :Classe 0.1, 0.2, 0.5, etc.
- Coefficient de température (TCR) :Typique ±5~±50ppm/°C
- Coefficient de puissance (PCR) :Variation de la résistance par unité de puissance
- Thermopotentiel :Potentiel thermique vers le cuivre, produits de haute qualité<0,5μV/°C
- Des années de stabilité :Taux de dérive annuel, produits de haute précision<0.01%
5.2 Méthodes de détection
Un test de performance complet est requis avant que le shunt ne soit expédié de l'usine :
- Mesure de résistance de précision : utilisation d'un pont de haute précision ou d'un multimètre numérique
- Essai de cycles de température : mesure de la résistance à différentes températures dans une chambre de température.
- Test de courant élevé : vérifier les performances au courant nominal
- Essai de stabilité à long terme : échantillon pour l'essai de vieillissement accéléré
VI. Lignes directrices pour la conception des applications
6.1 Considérations sur la conception thermique
Le shunt génère de la chaleur à des courants élevés, ce qui doit être pris en compte dans la conception :
- Choisir des marges de puissance adéquates
- Chemins de dissipation de la chaleur optimisés
- Éviter les surchauffes localisées
6.2 Conception de la CEM
La sortie du shunt est un signal de tension faible, qui est sensible aux interférences électromagnétiques. Recommandation :
- Utiliser du fil blindé torsadé pour les lignes d'échantillonnage
- Les circuits d'échantillonnage sont disposés à proximité du shunt
- Ajouter un filtrage EMI si nécessaire
remarques finales
L'alliage manganèse-cuivre, avec ses excellentes propriétés électriques, a survécu pendant des siècles et reste le matériau de base pour les shunts de haute précision. Un processus de fabrication avancé et un contrôle de qualité strict sont essentiels pour garantir la performance des shunts. Safran s'appuie sur des années de recherche sur les matériaux et d'accumulation de processus pour fournir à ses clients une gamme complète de services allant des produits standard aux solutions personnalisées.
