應(yīng)用電阻應(yīng)變片為敏感元件制成各種電阻應(yīng)變式傳感器（如測(cè)力、稱(chēng)重、位移、加速度及扭矩傳感器），其具有精度高、穩(wěn)定性好、制作簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，以及電信號(hào)易與后續(xù)測(cè)控儀器相匹配等特點(diǎn)，工業(yè)各部門(mén)中廣泛獲應(yīng)用，力學(xué)量傳感器中，電阻應(yīng)變式傳感器至今仍占有主導(dǎo)位。，一般電阻應(yīng)變式傳感器都是適用于室溫（常溫）環(huán)境，使用溫度范圍為 -20~+60 ° C 或 -40~+80 ° C ，對(duì)此溫度范圍以上或以下溫度范圍傳感器，國(guó)內(nèi)外研究和公開(kāi)資料很多，而低溫電阻應(yīng)變式傳感器資料則更少。

　　按有關(guān)電阻應(yīng)變片標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，所謂低溫環(huán)境是指 -30~-160 ° C ，而極低溫（或深低溫）是指 -162 ° C （液化天然氣 LNG ）至液氦（ Lhe ）所能達(dá)到溫度，本文所涉及低溫就是上述極低溫或深低溫范圍。有以下四個(gè)方面，此范圍內(nèi)新興產(chǎn)品部門(mén)包括：

　　(1) 超導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)：發(fā)電、輸電系統(tǒng)，磁懸浮列車(chē)等；
　　(2) 液氫（ LH 2 ， -253 ° C ）相關(guān)技術(shù)：氫能系統(tǒng)、液氫發(fā)動(dòng)機(jī)等；
　　(3) 原子能：托克馬克裝置；
　　(4) 液化天然氣應(yīng)用技術(shù)：新能源系統(tǒng)、冷凍部門(mén)應(yīng)用等。

　　低溫技術(shù)實(shí)用化，必然會(huì)引起人們對(duì)環(huán)境條件下結(jié)構(gòu)安全、可靠性以及經(jīng)濟(jì)性等問(wèn)題注意。必要測(cè)量結(jié)構(gòu)及部件低溫下應(yīng)力外，還需要各種適用于低溫環(huán)境條件下電阻應(yīng)變式傳感器（如低溫引伸計(jì)和低溫應(yīng)力傳感器等），測(cè)定各種結(jié)構(gòu)部件材料低溫下力學(xué)性能，以及監(jiān)測(cè)應(yīng)用過(guò)程中各種壓力變化等，為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)質(zhì)量和設(shè)備運(yùn)行安全提供可靠保證。

　　低溫環(huán)境特殊性，一般市售電阻應(yīng)變式傳感器都不適用于低溫環(huán)境，加之低溫傳感器用量又特別少，工作中必須實(shí)際需要環(huán)境和條件，自行進(jìn)行研制設(shè)計(jì)各種電阻應(yīng)變式傳感器。本文主要介紹研制設(shè)計(jì)各種低溫電阻應(yīng)變式傳感器時(shí)應(yīng)注意幾個(gè)問(wèn)題，以供參考。

二、制作低溫電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)注意若干問(wèn)題

　　低溫電阻應(yīng)變式傳感器基本結(jié)構(gòu)形式與同類(lèi)常溫用電阻應(yīng)變式傳感器基本相同，選材、應(yīng)用工藝等方面應(yīng)低溫應(yīng)用環(huán)境特殊性來(lái)加以選擇，通常應(yīng)注意以下幾個(gè)方面。

　　1 、傳感器彈性體設(shè)計(jì)和材料選擇

　　低溫電阻應(yīng)變式傳感器彈性體設(shè)計(jì)準(zhǔn)則基本與各類(lèi)高溫用電阻應(yīng)變式傳感器相同。傳感器精度要求，使用壽命及輸出靈敏度等，彈性體應(yīng)變量一般控制 800~1500 m m/m 范圍內(nèi)。各種典型彈性體結(jié)構(gòu)計(jì)算式列于表 1 。

　　彈性體材料，要求其低溫范圍內(nèi)，具有良好彈性，高抗拉強(qiáng)度，高疲勞壽命以及低溫下不發(fā)生脆性斷裂等。，一般來(lái)說(shuō)常溫用彈性體材料大都可以選用。但目前，壓力傳感器常選用不銹鋼、鋁合金、鈹青銅及殷鋼等，而引伸計(jì)等傳感器可選用鈹青銅、鈦合金等材料。

　　2 、低溫電阻應(yīng)變片

　　低溫應(yīng)變片是低溫電阻應(yīng)變式傳感器關(guān)鍵敏感元件，其性能影響著傳感器各項(xiàng)性能指標(biāo)。低溫應(yīng)變片通常是由基底、敏感柵、膠粘劑及覆蓋層等部分組成。各組成元件材料性能又直接影響著低溫應(yīng)變片基本性能。

表 1 各種典型彈性體結(jié)構(gòu)應(yīng)變計(jì)算公式

　　①溫度變化引起熱輸出

　　電阻應(yīng)變式傳感器是由膠粘劑粘貼傳感器彈性體上，當(dāng)外力作用下，彈性體發(fā)生變形時(shí)，彈性體變形膠粘劑層傳遞到敏感柵上，引起敏感柵材料電阻發(fā)生變化，其電阻變化值與彈性體所受外力之間是呈線(xiàn)性關(guān)系，測(cè)量電阻變化值即可知彈性體所受外力。

　　傳感器實(shí)際工作狀態(tài)，彈性體受到外力，還往往受到環(huán)境溫度變化影響，應(yīng)變片受溫度變化引起虛假輸出通常稱(chēng)為熱輸出 ( e t ) 。其值與應(yīng)變片敏感柵材料電阻溫度系數(shù) ( a R ) 、靈敏系數(shù) ( k ) 、線(xiàn)膨脹系數(shù) ( a g ) 、彈性體材料線(xiàn)膨脹系數(shù) ( a m ) 以及溫度變化 ( D t ) 等有關(guān)，即： (1)

　　傳感器來(lái)說(shuō)，通常都要求所用應(yīng)變片熱輸出值小，這樣才能保證精度和穩(wěn)定性，選擇制作應(yīng)變片敏感柵材料時(shí)，必須使其與彈性體材料線(xiàn)膨脹系數(shù)相匹配，即： (2)

　　上式也是制作各種溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片選材基本關(guān)系式。

　　Kanfman 研究報(bào)告 [6] 指出了各種電阻合金低溫下熱輸出，典型結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。圖中示出了 Advance （ Cu-Ni 合金）、 Karma 、 Budd 合金、 Nichrome V （ Ni-Cr 及 Ni-Cr 改性合金）、穩(wěn)定化 Armour D(Fe-Cr-Al 合金 ) 特性，從室溫至 4.2K(LHe) 范圍，各種敏感元件具有各有不相同溫度特性。 Cu-Ni 合金（康銅、 Advance ）元件應(yīng)變片低溫下有很大熱輸出。而基底相同時(shí)，由 Karma 、 Nichrome V 制成應(yīng)變片熱輸出則比 Cu-Ni 合金小。由圖可見(jiàn) 10~20K 溫度范圍，各種應(yīng)變片熱輸出具有最小值。研究表明，鎳鉻改良型合金（如 Karma 等）其電阻溫度系數(shù)可以合金組分和熱處理工藝進(jìn)行調(diào)整，便于制成適用于各種不同彈性體材料和溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片，目前低溫自補(bǔ)償應(yīng)變片大都是以 Karma 等合金為敏感柵。

　　②溫度引起靈敏系數(shù)變化

　　應(yīng)變片電阻變化率與所受應(yīng)變量之比，通常稱(chēng)為應(yīng)變片靈敏系數(shù) ( k ) 。它數(shù)值與應(yīng)變片敏感元件幾何形狀及材料特性有關(guān)。一般金屬電阻材料，常溫時(shí)靈敏系數(shù)大多約為 2.0 左右。低溫環(huán)境下，靈敏系數(shù)溫度降低而增加，各種電阻合金典型性能如圖 2 所示。從圖可見(jiàn)，大多數(shù)電阻合金經(jīng)受拉伸或壓縮時(shí)，其靈敏系數(shù)是有些差別。而穩(wěn)定化 ArmourD （ Fe-Cr-Ai 合金）則差別更大。拉伸和壓縮時(shí)，靈敏系數(shù)不一致，會(huì)降低傳感器輸出靈敏度，還會(huì)增大傳感器非線(xiàn)性誤差。，應(yīng)變測(cè)量場(chǎng)合制作低溫用電阻應(yīng)變式傳感器，都宜選用拉伸或壓縮應(yīng)變時(shí)靈敏系數(shù)相差小材料。圖中可見(jiàn)，Karma 、 Nichrome V 及 Advance 材料，拉伸和壓縮變形之間靈敏系數(shù)相差比較小。

　　電阻合金元件靈敏系數(shù)變化，若以室溫為基準(zhǔn)，則其高溫區(qū)和低溫區(qū)變化如圖 3 所示。從圖中可見(jiàn)， Ni-Cr 系合金（如 Karma 、 SK 等）和 Cu-Ni 合金（如 Constantan/Advance ）制成應(yīng)變片，其靈敏系數(shù)隨溫度變化規(guī)律恰恰相反。 Ni-Cr 系合金，溫度降低，其靈敏系數(shù)隨之升高，而 Cu-Ni 系合金低溫下，溫度降低，其靈敏系數(shù)也隨之降低。其拉伸和壓縮時(shí)兩者靈敏系數(shù)之差比 Ni-Cr 系合金大

　　室溫至 4.2K 溫度范圍內(nèi)， Ni-Cr 系合金制成應(yīng)變片靈敏系數(shù)特性如圖 4 所示。從圖中可見(jiàn)， Ni-Cr 系合金（ KFL- 、 SK ）從室溫至 200K 其變化率幾乎呈直線(xiàn)增加，然后緩慢增加， 100K 以下溫度時(shí)幾乎不增加。

　�、鄞艌�(chǎng)對(duì)應(yīng)變片性能影響

　　綜上所述，低溫電阻應(yīng)變式傳感器宜選用 Ni-Cr 系合金制成應(yīng)變片，其原：

　　(1)Ni-Cr 系合金（如 Karma 等）制成應(yīng)變片，其溫度變化引起熱輸出，可以調(diào)整合金組分和熱處理工藝來(lái)改變其電阻溫度系數(shù) ( a R ) ，并與傳感器彈性體材料線(xiàn)膨脹系數(shù) ( a m ) 相匹配，制成溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片，應(yīng)變片受拉伸和壓縮變形時(shí)，兩者靈敏系數(shù)相差小，傳感器受溫度變化影響也小，有利于提高傳感器低溫環(huán)境下穩(wěn)定性；

　　(2)Cu-Ni 系合金靈敏系數(shù)隨溫度降低而降低，而 Ni-Cr 系合金靈敏系數(shù)則溫度降低而升高。這種傾向與傳感器彈性體材料彈性模量 ( E ) 隨溫度降低而升高趨向是一致，有利于傳感器靈敏度 ( 量程 ) 補(bǔ)償。另外， Ni-Cr 系合金制作應(yīng)變片靈敏系數(shù)，室溫至 200K 時(shí)，呈線(xiàn)性增加，而后則緩慢增加， 100K 以下時(shí)，其變化則相當(dāng)小。由此制成傳感器，其輸出靈敏度變化也是呈如此規(guī)律。標(biāo)定溫度對(duì)靈敏度變化影響時(shí)，標(biāo)定室溫至 100K 范圍內(nèi)變化，而 100K 以下則可認(rèn)為是不變，即可 100K 時(shí)靈敏度表示該傳感器 100K 以下時(shí)靈敏度；

　　(3) 磁場(chǎng)對(duì) Pt-W 合金影響，比對(duì) Ni-Cr 系合金影響小多，但價(jià)格昂貴和溫度特性差而不宜用作一般傳感器。而 Karma 合金應(yīng)變片，磁場(chǎng)強(qiáng)度 1t 以下時(shí)呈負(fù)輸出，爾后，隨磁場(chǎng)增加而呈正線(xiàn)性變化。傳感器標(biāo)定可以保證一定精度范圍。

　　3 、低溫膠粘劑和防護(hù)劑

　　膠粘劑和防護(hù)劑對(duì)低溫電阻應(yīng)變式傳感器性能有直接關(guān)系。特別是膠粘劑，它對(duì)傳感器尤為重要。大量試驗(yàn)證明：

　　(1) 低溫應(yīng)變片基底材料，一般都采用聚酰亞胺膜是以玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧 - 酚醛膠膜為宜，這些材料低溫下收縮率小，柔性好，與膠粘劑之間粘合效果也好。

　　(2) 粘貼應(yīng)變片膠粘劑一般都采用熱固性型膠粘劑如聚酰亞胺、改性環(huán)氧 - 酚醛膠。這類(lèi)膠粘劑貼片后，經(jīng)加壓回?zé)峁袒�及后固化處理后，膠層具有很高粘結(jié)強(qiáng)度，電絕緣性能好，傳感器蠕變、滯后及零漂小，傳感器穩(wěn)定性也好。

　　(3) 低溫下防護(hù)劑對(duì)提高傳感器穩(wěn)定性有極重要作用。傳感器應(yīng)用場(chǎng)合，彈性體表面應(yīng)變片溫度由室溫逐漸致冷介質(zhì)注入而降低。彈性體冷卻過(guò)程中，將空氣中微量水分吸附彈性體表面，形成白霜。當(dāng)傳感器經(jīng)受周期性溫度變化時(shí)，應(yīng)變片表面白霜熔化成水分，使應(yīng)變片、膠粘劑吸收水分而使絕緣電阻發(fā)生變化（降低），引起傳感器零漂，蠕變、滯后增大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使傳感器失效。

　　另外，當(dāng)粘貼傳感器彈性體表面應(yīng)變片浸泡低溫介質(zhì)內(nèi)時(shí)，流過(guò)應(yīng)變片內(nèi)部電流應(yīng)變片內(nèi)產(chǎn)生焦耳熱，當(dāng)它與低溫介質(zhì)接觸時(shí)，應(yīng)變片與介質(zhì)之間產(chǎn)生激烈熱交換，這種不斷熱交換也會(huì)造成傳感器零漂或不穩(wěn)定，如圖 6 所示�？梢钥闯�，當(dāng)應(yīng)變片未加防護(hù)劑（涂層）時(shí)，室溫至 -50 ° C 范圍內(nèi)，熱輸出重復(fù)性很差（圖中虛線(xiàn)所示）。但經(jīng)施加防護(hù)涂層后，應(yīng)變片穩(wěn)定性則有了很大提高。

　　深低溫下防護(hù)劑一般不宜采用室溫下常用防護(hù)劑，這是某些室溫防護(hù)劑其硬度會(huì)隨溫度降低而增加，形成一定加強(qiáng)效應(yīng)，低溫下也易發(fā)生脆裂等現(xiàn)象，，傳感器用應(yīng)變片防護(hù)劑，一般可采用粘貼應(yīng)變片貼片膠如改性環(huán)氧 - 酚醛膠， PPS 膠（聚苯硫醚）等，應(yīng)變片表面上均勻涂上一薄層，經(jīng)固化后再涂一、二次，然后最終固化處理，然后其表面均勻涂上一層硅脂，這樣就可保證其性能穩(wěn)定了。

　　其調(diào)整和補(bǔ)償工作比較簡(jiǎn)單；但變溫環(huán)境條件下使用傳感器其補(bǔ)償技術(shù)要求相對(duì)要高和嚴(yán)格多。

　　電阻應(yīng)變式傳感器中，室溫環(huán)境條件下使用測(cè)力、稱(chēng)重傳感器，性能補(bǔ)償方面技術(shù)是最成熟，各種補(bǔ)償和調(diào)整后測(cè)力、稱(chēng)重傳感器可以具有非常高精度，大都可達(dá) 0.02~0.03%F.S 左右。低溫電阻應(yīng)變式傳感器，測(cè)力、稱(chēng)重傳感器所有調(diào)整、補(bǔ)償技術(shù)都可采用，其具體實(shí)施方法也相似。，應(yīng)變片低溫下性能與常溫環(huán)境有很大差別，具體補(bǔ)償處理時(shí)必須經(jīng)試驗(yàn)進(jìn)行確定。

　　由前述可知， Ni-Cr 系合金電阻溫度系數(shù) ( a R ) 可以調(diào)整合金成分和熱處理工藝來(lái)加以調(diào)節(jié) ，可制作適用于不同彈性體材料溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片，減小傳感器溫度影響，提高傳感器性能指標(biāo)。， Ni-Cr 系合金低溫環(huán)境下 (10~20K) 其熱輸出出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象，即謂近藤效應(yīng)（如圖 7 ）。

　　由圖可見(jiàn)， KFL 型應(yīng)變片（ Ni-Cr 系合金，聚酰亞胺基底） 200K 附近，其熱輸出為零，此以下溫度時(shí)，呈現(xiàn)負(fù)輸出。 WK 型應(yīng)變片（玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧 - 酚醛基底， Ni-Cr 系合金）， 10~20K 左右熱輸出為最小值，其后由負(fù)變?yōu)檎�輸出�?4.2K 時(shí)有正最大熱輸出。 Ni-Cr 系合金 10~20K 溫度區(qū)間，這種逆轉(zhuǎn)變化，給傳感器零點(diǎn)溫漂補(bǔ)償帶來(lái)一定困難，減小這種影響，選用應(yīng)變片時(shí)應(yīng)盡量選用具有溫度自補(bǔ)償。同一批應(yīng)變片，有條件時(shí)可對(duì)應(yīng)變片溫度特性進(jìn)行預(yù)選，以提高橋路補(bǔ)償效果。

三、低溫電阻應(yīng)變式傳感器性能試驗(yàn)裝置

　　低溫電阻應(yīng)變式傳感器各項(xiàng)性能參數(shù)必須低溫環(huán)境下進(jìn)行測(cè)定，如何獲低溫環(huán)境和保持低溫環(huán)境這是試驗(yàn)工作重要環(huán)節(jié)。

　　1 、低溫環(huán)境條件獲

　　低溫試驗(yàn)時(shí)，絕大多數(shù)情況下，是應(yīng)用各種致冷劑來(lái)達(dá)到預(yù)定試驗(yàn)溫度，當(dāng)要求溫度介于兩種冷劑溫度之間時(shí)，可選用較低溫度冷劑，以噴淋或輻射形式來(lái)獲取所需溫度，具體方法應(yīng)試驗(yàn)要求來(lái)確定。至于貯存冷劑容器常采用金屬杜瓦瓶或玻璃杜瓦容器。目前常用冷劑及其可達(dá)到溫度列于表 2 。

　　2 、低溫壓力傳感器性能試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)

　　研究電阻應(yīng)變式壓力傳感器低溫下 (77~300K) 性能參數(shù)，典型試驗(yàn)裝置及測(cè)試系統(tǒng)如圖 8 所示，整個(gè)裝置由四個(gè)部分組成。

　�、僬婵障到y(tǒng)。實(shí)驗(yàn)溫區(qū)較寬，要求壓力腔及傳感器處于較高真空環(huán)境中（ 1.3 ′ 10 -2 Pa 以上），有熱偶真空規(guī)和電離真空管，隨時(shí)監(jiān)視真空罩內(nèi)真空度。

　�、趬毫υ醇皽y(cè)壓系統(tǒng)。該系統(tǒng)由高壓氮?dú)淦�、減壓閥、標(biāo)準(zhǔn)壓力表、低溫壓力腔、放氣閥及連接管道等組成。

　�、蹨囟葴y(cè)量和控制系統(tǒng)。低溫壓力腔及傳感器溫度由銅 - 康銅熱電偶測(cè)定。壓力腔及傳感器溫度系統(tǒng)由鉑電阻溫度計(jì)、加熱器及低溫控溫儀等組成。

　�、軌毫�傳感器信號(hào)變換及顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)由電阻應(yīng)變式壓力傳感器、動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀和數(shù)字電壓表等組成。

　　3 、低溫引伸計(jì)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

　　為標(biāo)定引伸計(jì)低溫下 (4.2~300K) 性能，其典型試驗(yàn)裝置如圖 9 所示。該系統(tǒng)試驗(yàn)溫度要按使用條件分階段進(jìn)行（如 300K 、 77K 、 20K 、 4.2K 等），該系統(tǒng)主要包括：

　　①標(biāo)定機(jī)構(gòu)。校準(zhǔn)器采用專(zhuān)供校準(zhǔn)引伸計(jì)用螺旋千分尺，引伸桿置于低溫杜瓦中，其上可安裝被校引伸計(jì)。

　　②低溫介質(zhì)容器。盛置低溫介質(zhì)容器是由內(nèi)外兩個(gè)玻璃杜瓦組成。內(nèi)杜瓦與上法蘭盤(pán)之間用不銹鋼連接內(nèi)罩相連，內(nèi)杜瓦連接罩間由二道真空橡皮密封。內(nèi)外杜瓦及標(biāo)定機(jī)構(gòu)重量是由外框架承擔(dān)。

　　③溫控系統(tǒng)。調(diào)節(jié)試驗(yàn)溫度，裝置引伸計(jì)刀口兩側(cè)裝有變溫加熱器，其功率約為 0.3W 。下加熱器是為調(diào)節(jié)上部空間溫度及烘干液氦之用，它位于標(biāo)定機(jī)構(gòu)下端，功率為 0.35W 。測(cè)溫元件可采用金 - 鐵熱電偶或鉑電阻溫度計(jì)。

　　④位移測(cè)量系統(tǒng)。引伸計(jì)變形測(cè)量是由動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀和 x-y 記錄儀組成。

　　一般市售各種電阻應(yīng)變式傳感器，只能適用于常溫環(huán)境（ -20 ° C~+60 ° C 或 -40 ° C~+80 ° C ），高溫或低溫環(huán)境下使用各種電阻應(yīng)變式傳感器，往往需要自行進(jìn)行設(shè)計(jì)制作。本文主要介紹電阻應(yīng)變片低溫下特殊性能，設(shè)計(jì)人員能更好利用其特點(diǎn)，制作各種性能好傳感器，目前低溫下常用電阻應(yīng)變式傳感器主壓力和位移等傳感器，確認(rèn)各種傳感器低溫下性能，文中也簡(jiǎn)要介紹了低溫下壓力和位移傳感器標(biāo)定系統(tǒng)，以供有關(guān)人員參考。

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