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如何制作低温环境下使用电阻应变式传感器

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应用电阻应变片为敏感元件制成各种电阻应变式传感器（如测力、称重、位移、加速度及扭矩传感器），其具有精度高、稳定性好、制作简单、价格便宜，以及电信号易与后续测控仪器相匹配等特点，工业各部门中广泛获应用，力学量传感器中，电阻应变式传感器至今仍占有主导位。，一般电阻应变式传感器都是适用于室温（常温）环境，使用温度范围为 -20~+60 ° C 或 -40~+80 ° C ，对此温度范围以上或以下温度范围传感器，国内外研究和公开资料很多，而低温电阻应变式传感器资料则更少。

按有关电阻应变片标准规定，所谓低温环境是指 -30~-160 ° C ，而极低温（或深低温）是指 -162 ° C （液化天然气 LNG ）至液氦（ Lhe ）所能达到温度，本文所涉及低温就是上述极低温或深低温范围。有以下四个方面，此范围内新兴产品部门包括：

(1) 超导应用技术：发电、输电系统，磁悬浮列车等；
(2) 液氢（ LH 2 ， -253 ° C ）相关技术：氢能系统、液氢发动机等；
(3) 原子能：托克马克装置；
(4) 液化天然气应用技术：新能源系统、冷冻部门应用等。

低温技术实用化，必然会引起人们对环境条件下结构安全、可靠性以及经济性等问题注意。必要测量结构及部件低温下应力外，还需要各种适用于低温环境条件下电阻应变式传感器（如低温引伸计和低温应力传感器等），测定各种结构部件材料低温下力学性能，以及监测应用过程中各种压力变化等，为产品结构质量和设备运行安全提供可靠保证。

低温环境特殊性，一般市售电阻应变式传感器都不适用于低温环境，加之低温传感器用量又特别少，工作中必须实际需要环境和条件，自行进行研制设计各种电阻应变式传感器。本文主要介绍研制设计各种低温电阻应变式传感器时应注意几个问题，以供参考。

二、制作低温电阻应变式传感器应注意若干问题

低温电阻应变式传感器基本结构形式与同类常温用电阻应变式传感器基本相同，选材、应用工艺等方面应低温应用环境特殊性来加以选择，通常应注意以下几个方面。

1 、传感器弹性体设计和材料选择

低温电阻应变式传感器弹性体设计准则基本与各类高温用电阻应变式传感器相同。传感器精度要求，使用寿命及输出灵敏度等，弹性体应变量一般控制 800~1500 m m/m 范围内。各种典型弹性体结构计算式列于表 1 。

弹性体材料，要求其低温范围内，具有良好弹性，高抗拉强度，高疲劳寿命以及低温下不发生脆性断裂等。，一般来说常温用弹性体材料大都可以选用。但目前，压力传感器常选用不锈钢、铝合金、铍青铜及殷钢等，而引伸计等传感器可选用铍青铜、钛合金等材料。

2 、低温电阻应变片

低温应变片是低温电阻应变式传感器关键敏感元件，其性能影响着传感器各项性能指标。低温应变片通常是由基底、敏感栅、胶粘剂及覆盖层等部分组成。各组成元件材料性能又直接影响着低温应变片基本性能。

表 1 各种典型弹性体结构应变计算公式
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①温度变化引起热输出

电阻应变式传感器是由胶粘剂粘贴传感器弹性体上，当外力作用下，弹性体发生变形时，弹性体变形胶粘剂层传递到敏感栅上，引起敏感栅材料电阻发生变化，其电阻变化值与弹性体所受外力之间是呈线性关系，测量电阻变化值即可知弹性体所受外力。

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传感器实际工作状态，弹性体受到外力，还往往受到环境温度变化影响，应变片受温度变化引起虚假输出通常称为热输出 ( e t ) 。其值与应变片敏感栅材料电阻温度系数 ( a R ) 、灵敏系数 ( k ) 、线膨胀系数 ( a g ) 、弹性体材料线膨胀系数 ( a m ) 以及温度变化 ( D t ) 等有关，即： (1)

传感器来说，通常都要求所用应变片热输出值小，这样才能保证精度和稳定性，选择制作应变片敏感栅材料时，必须使其与弹性体材料线膨胀系数相匹配，即： (2)

上式也是制作各种温度自补偿应变片选材基本关系式。

Kanfman 研究报告 [6] 指出了各种电阻合金低温下热输出，典型结构如图 1 所示。图中示出了 Advance （ Cu-Ni 合金）、 Karma 、 Budd 合金、 Nichrome V （ Ni-Cr 及 Ni-Cr 改性合金）、稳定化 Armour D(Fe-Cr-Al 合金 ) 特性，从室温至 4.2K(LHe) 范围，各种敏感元件具有各有不相同温度特性。 Cu-Ni 合金（康铜、 Advance ）元件应变片低温下有很大热输出。而基底相同时，由 Karma 、 Nichrome V 制成应变片热输出则比 Cu-Ni 合金小。由图可见 10~20K 温度范围，各种应变片热输出具有最小值。研究表明，镍铬改良型合金（如 Karma 等）其电阻温度系数可以合金组分和热处理工艺进行调整，便于制成适用于各种不同弹性体材料和温度自补偿应变片，目前低温自补偿应变片大都是以 Karma 等合金为敏感栅。

②温度引起灵敏系数变化

应变片电阻变化率与所受应变量之比，通常称为应变片灵敏系数 ( k ) 。它数值与应变片敏感元件几何形状及材料特性有关。一般金属电阻材料，常温时灵敏系数大多约为 2.0 左右。低温环境下，灵敏系数温度降低而增加，各种电阻合金典型性能如图 2 所示。从图可见，大多数电阻合金经受拉伸或压缩时，其灵敏系数是有些差别。而稳定化 ArmourD （ Fe-Cr-Ai 合金）则差别更大。拉伸和压缩时，灵敏系数不一致，会降低传感器输出灵敏度，还会增大传感器非线性误差。，应变测量场合制作低温用电阻应变式传感器，都宜选用拉伸或压缩应变时灵敏系数相差小材料。图中可见，Karma 、 Nichrome V 及 Advance 材料，拉伸和压缩变形之间灵敏系数相差比较小。

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电阻合金元件灵敏系数变化，若以室温为基准，则其高温区和低温区变化如图 3 所示。从图中可见， Ni-Cr 系合金（如 Karma 、 SK 等）和 Cu-Ni 合金（如 Constantan/Advance ）制成应变片，其灵敏系数随温度变化规律恰恰相反。 Ni-Cr 系合金，温度降低，其灵敏系数随之升高，而 Cu-Ni 系合金低温下，温度降低，其灵敏系数也随之降低。其拉伸和压缩时两者灵敏系数之差比 Ni-Cr 系合金大

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室温至 4.2K 温度范围内， Ni-Cr 系合金制成应变片灵敏系数特性如图 4 所示。从图中可见， Ni-Cr 系合金（ KFL- 、 SK ）从室温至 200K 其变化率几乎呈直线增加，然后缓慢增加， 100K 以下温度时几乎不增加。

③磁场对应变片性能影响

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综上所述，低温电阻应变式传感器宜选用 Ni-Cr 系合金制成应变片，其原：

(1)Ni-Cr 系合金（如 Karma 等）制成应变片，其温度变化引起热输出，可以调整合金组分和热处理工艺来改变其电阻温度系数 ( a R ) ，并与传感器弹性体材料线膨胀系数 ( a m ) 相匹配，制成温度自补偿应变片，应变片受拉伸和压缩变形时，两者灵敏系数相差小，传感器受温度变化影响也小，有利于提高传感器低温环境下稳定性；

(2)Cu-Ni 系合金灵敏系数随温度降低而降低，而 Ni-Cr 系合金灵敏系数则温度降低而升高。这种倾向与传感器弹性体材料弹性模量 ( E ) 随温度降低而升高趋向是一致，有利于传感器灵敏度 ( 量程 ) 补偿。另外， Ni-Cr 系合金制作应变片灵敏系数，室温至 200K 时，呈线性增加，而后则缓慢增加， 100K 以下时，其变化则相当小。由此制成传感器，其输出灵敏度变化也是呈如此规律。标定温度对灵敏度变化影响时，标定室温至 100K 范围内变化，而 100K 以下则可认为是不变，即可 100K 时灵敏度表示该传感器 100K 以下时灵敏度；

(3) 磁场对 Pt-W 合金影响，比对 Ni-Cr 系合金影响小多，但价格昂贵和温度特性差而不宜用作一般传感器。而 Karma 合金应变片，磁场强度 1t 以下时呈负输出，尔后，随磁场增加而呈正线性变化。传感器标定可以保证一定精度范围。

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3 、低温胶粘剂和防护剂

胶粘剂和防护剂对低温电阻应变式传感器性能有直接关系。特别是胶粘剂，它对传感器尤为重要。大量试验证明：

(1) 低温应变片基底材料，一般都采用聚酰亚胺膜是以玻璃纤维增强环氧 - 酚醛胶膜为宜，这些材料低温下收缩率小，柔性好，与胶粘剂之间粘合效果也好。

(2) 粘贴应变片胶粘剂一般都采用热固性型胶粘剂如聚酰亚胺、改性环氧 - 酚醛胶。这类胶粘剂贴片后，经加压回热固化及后固化处理后，胶层具有很高粘结强度，电绝缘性能好，传感器蠕变、滞后及零漂小，传感器稳定性也好。

(3) 低温下防护剂对提高传感器稳定性有极重要作用。传感器应用场合，弹性体表面应变片温度由室温逐渐致冷介质注入而降低。弹性体冷却过程中，将空气中微量水分吸附弹性体表面，形成白霜。当传感器经受周期性温度变化时，应变片表面白霜熔化成水分，使应变片、胶粘剂吸收水分而使绝缘电阻发生变化（降低），引起传感器零漂，蠕变、滞后增大，严重时会使传感器失效。

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另外，当粘贴传感器弹性体表面应变片浸泡低温介质内时，流过应变片内部电流应变片内产生焦耳热，当它与低温介质接触时，应变片与介质之间产生激烈热交换，这种不断热交换也会造成传感器零漂或不稳定，如图 6 所示。可以看出，当应变片未加防护剂（涂层）时，室温至 -50 ° C 范围内，热输出重复性很差（图中虚线所示）。但经施加防护涂层后，应变片稳定性则有了很大提高。

深低温下防护剂一般不宜采用室温下常用防护剂，这是某些室温防护剂其硬度会随温度降低而增加，形成一定加强效应，低温下也易发生脆裂等现象，，传感器用应变片防护剂，一般可采用粘贴应变片贴片胶如改性环氧 - 酚醛胶， PPS 胶（聚苯硫醚）等，应变片表面上均匀涂上一薄层，经固化后再涂一、二次，然后最终固化处理，然后其表面均匀涂上一层硅脂，这样就可保证其性能稳定了。

其调整和补偿工作比较简单；但变温环境条件下使用传感器其补偿技术要求相对要高和严格多。

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电阻应变式传感器中，室温环境条件下使用测力、称重传感器，性能补偿方面技术是最成熟，各种补偿和调整后测力、称重传感器可以具有非常高精度，大都可达 0.02~0.03%F.S 左右。低温电阻应变式传感器，测力、称重传感器所有调整、补偿技术都可采用，其具体实施方法也相似。，应变片低温下性能与常温环境有很大差别，具体补偿处理时必须经试验进行确定。

由前述可知， Ni-Cr 系合金电阻温度系数 ( a R ) 可以调整合金成分和热处理工艺来加以调节，可制作适用于不同弹性体材料温度自补偿应变片，减小传感器温度影响，提高传感器性能指标。， Ni-Cr 系合金低温环境下 (10~20K) 其热输出出现逆转现象，即谓近藤效应（如图 7 ）。

由图可见， KFL 型应变片（ Ni-Cr 系合金，聚酰亚胺基底） 200K 附近，其热输出为零，此以下温度时，呈现负输出。 WK 型应变片（玻璃纤维增强环氧 - 酚醛基底， Ni-Cr 系合金）， 10~20K 左右热输出为最小值，其后由负变为正输出， 4.2K 时有正最大热输出。 Ni-Cr 系合金 10~20K 温度区间，这种逆转变化，给传感器零点温漂补偿带来一定困难，减小这种影响，选用应变片时应尽量选用具有温度自补偿。同一批应变片，有条件时可对应变片温度特性进行预选，以提高桥路补偿效果。

三、低温电阻应变式传感器性能试验装置

低温电阻应变式传感器各项性能参数必须低温环境下进行测定，如何获低温环境和保持低温环境这是试验工作重要环节。

1 、低温环境条件获

低温试验时，绝大多数情况下，是应用各种致冷剂来达到预定试验温度，当要求温度介于两种冷剂温度之间时，可选用较低温度冷剂，以喷淋或辐射形式来获取所需温度，具体方法应试验要求来确定。至于贮存冷剂容器常采用金属杜瓦瓶或玻璃杜瓦容器。目前常用冷剂及其可达到温度列于表 2 。

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2 、低温压力传感器性能试验测量系统

研究电阻应变式压力传感器低温下 (77~300K) 性能参数，典型试验装置及测试系统如图 8 所示，整个装置由四个部分组成。

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①真空系统。实验温区较宽，要求压力腔及传感器处于较高真空环境中（ 1.3 ′ 10 -2 Pa 以上），有热偶真空规和电离真空管，随时监视真空罩内真空度。

②压力源及测压系统。该系统由高压氮氢瓶、减压阀、标准压力表、低温压力腔、放气阀及连接管道等组成。

③温度测量和控制系统。低温压力腔及传感器温度由铜 - 康铜热电偶测定。压力腔及传感器温度系统由铂电阻温度计、加热器及低温控温仪等组成。

④压力传感器信号变换及显示系统。该系统由电阻应变式压力传感器、动态电阻应变仪和数字电压表等组成。

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3 、低温引伸计试验测试系统

为标定引伸计低温下 (4.2~300K) 性能，其典型试验装置如图 9 所示。该系统试验温度要按使用条件分阶段进行（如 300K 、 77K 、 20K 、 4.2K 等），该系统主要包括：

①标定机构。校准器采用专供校准引伸计用螺旋千分尺，引伸杆置于低温杜瓦中，其上可安装被校引伸计。

②低温介质容器。盛置低温介质容器是由内外两个玻璃杜瓦组成。内杜瓦与上法兰盘之间用不锈钢连接内罩相连，内杜瓦连接罩间由二道真空橡皮密封。内外杜瓦及标定机构重量是由外框架承担。

③温控系统。调节试验温度，装置引伸计刀口两侧装有变温加热器，其功率约为 0.3W 。下加热器是为调节上部空间温度及烘干液氦之用，它位于标定机构下端，功率为 0.35W 。测温元件可采用金 - 铁热电偶或铂电阻温度计。

④位移测量系统。引伸计变形测量是由动态电阻应变仪和 x-y 记录仪组成。

四、结束语

一般市售各种电阻应变式传感器，只能适用于常温环境（ -20 ° C~+60 ° C 或 -40 ° C~+80 ° C ），高温或低温环境下使用各种电阻应变式传感器，往往需要自行进行设计制作。本文主要介绍电阻应变片低温下特殊性能，设计人员能更好利用其特点，制作各种性能好传感器，目前低温下常用电阻应变式传感器主压力和位移等传感器，确认各种传感器低温下性能，文中也简要介绍了低温下压力和位移传感器标定系统，以供有关人员参考。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (6/15/2010)


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