應(yīng)用電阻應(yīng)變片為敏感元件制成各種螺旋風管電阻應(yīng)變式傳感器（如測力、稱重、位移、加速度及扭矩傳感器），其具有精度高、穩(wěn)定性好、制作簡單、價格便宜，以及電信號易與后續(xù)測控儀器相匹配等特點，工業(yè)各部門中廣泛獲應(yīng)用，力學量傳感器中，電阻應(yīng)變式傳感器至今仍占有主導位。，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 ，對此溫度范圍以上或以下溫度范圍柴油發(fā)電機組 傳感器，國內(nèi)外研究和公開資料很多，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)變片標準規(guī)定，所謂接線端子低溫環(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。有以下四個方面，供應(yīng)乙二醇 此范圍內(nèi)新興產(chǎn)品部門包括： (1) 超導應(yīng)用技術(shù)：發(fā)電、輸電系統(tǒng)，磁懸浮列車等； (2) 液氫（ LH 2 ， -253 ° C ）相關(guān)技術(shù)：氫能系統(tǒng)、液氫發(fā)動機等； (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)、冷凍部門應(yīng)用等。 低溫技術(shù)實用化，冷拔管必然會引起人們對環(huán)境條件下結(jié)構(gòu)安全、可靠性以及經(jīng)濟性等問題注意。供應(yīng)二乙二醇 必要測量結(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（如低溫引伸計和低溫應(yīng)力傳感器等），測定各種結(jié)構(gòu)部件材料低溫下力學性能，以及監(jiān)測應(yīng)用過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)變式電腦剝線機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，工作中必須實際需要環(huán)境和條件，自行進行研制設(shè)計各種電阻應(yīng)變式傳感器。本文主要介紹研制設(shè)計各種低溫電動平車電阻應(yīng)變式傳感器時應(yīng)注意幾個問題，以供參考。 二、制作低溫電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)注意若干問題 低溫電阻應(yīng)變式傳感器基本結(jié)構(gòu)形式與同類常溫用電阻應(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)境特殊性來加以選擇，通常應(yīng)注意以下幾個方面。 1 、傳感器彈性體設(shè)計和材料選擇 低溫電阻應(yīng)變式傳感器彈性體設(shè)計準則干粉砂漿設(shè)備基本與各類高溫用電阻應(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)計算式列于表 1 。 彈性體材料，要求其低溫范圍內(nèi)，具有良真空袋好彈性，高抗拉強度，高疲勞壽命以及低溫下不發(fā)生脆性斷裂等。，一般來說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)硬質(zhì)合金變式傳感器關(guān)鍵敏感元件，其性能影響著傳感器各項性能指標。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輸送機貼傳感器彈性體上，當外力作用下，彈性體發(fā)生變形時，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性關(guān)系，測量電阻變化值即可知彈性體所受外力。 傳感器實際工作狀態(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 ) 、線膨脹系數(shù) ( a g ) 、纏繞膜彈性體材料線膨脹系數(shù) ( a m ) 以及溫度變化 ( D t ) 等有關(guān)，即： (1) 傳感器來說，通常都要求所用應(yīng)變旋渦氣泵片熱輸出值小，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，必須使其與彈性體材料線膨脹系數(shù)相匹配，即： (2) 上式也是制作各種溫度自補償應(yīng)變銅門片選材基本關(guān)系式。 Kanfman 研究報告 [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，由 Karma 、 Nichrome V 制成應(yīng)變片熱輸出則比 Cu-Ni 合金小。由圖可見 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償應(yīng)變片，目前低柴油發(fā)電機組溫自補償應(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，大多數(shù)電阻合金經(jīng)受拉伸或壓縮時，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，靈敏系數(shù)不一致，會降低傳感器輸出靈敏度，還會增大傳感器非線性誤差。，應(yīng)變測量場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)變時靈敏系數(shù)相差小材料。圖中可見，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，冷卻器若以室溫為基準，則其高溫區(qū)和低溫區(qū)變化如圖 3 所示。從圖中可見， 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)減速機變片靈敏系數(shù)特性如圖 4 所示。從圖中可見， Ni-Cr 系合金（ KFL- 、 SK ）從室溫至 200K 其變化率幾乎呈直線增加，然后緩慢增加， 100K 以下溫度時幾乎不增加。 ③磁場對應(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改變其電阻溫度系數(shù) ( a R ) ，并與傳蓄電池感器彈性體材料線膨脹系數(shù) ( a m ) 相匹配，制成溫度自補償應(yīng)變片，應(yīng)變片受拉伸和壓縮變形時，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 ) 補償。另外， Ni-Cr 系合金制作應(yīng)變片靈敏系數(shù)，室溫至 200K 時，呈線性增加，全自動洗車機而后則緩慢增加， 100K 以下時，其變化則相當小。由此制成傳感器，其輸出靈敏度變化也是呈如此規(guī)律。標定溫度對靈敏度變化影響時，標定室溫至 100K 范圍內(nèi)變化，而 100K 以下則可認為是不變，即可 100K 時靈敏度表示該傳感器 100K 以下時靈敏度； (3) 磁場對 Pt-W 合金影響，比對 Ni-Cr 系合金影響小多，但價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，磁場強度 1t 以下液壓缸時呈負輸出，爾后，隨磁場增加而呈正線性變化。傳感器標定可以保證一定精度范圍。 3 、低溫膠粘劑和防護劑 膠粘劑和防護劑對低溫電阻應(yīng)變式傳感器性能有直接關(guān)系。特別是膠粘劑，它對傳感器尤為重要。大量試驗證明： (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。這類膠粘劑貼片后，經(jīng)加壓回熱固化及后固化處理后，膠層具有很高粘結(jié)強度，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) 低溫下防護劑對提高傳感器穩(wěn)定性有極重要作用。油罐車運輸傳感器應(yīng)用場合，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。彈性體冷卻過程中，將空氣中微量水分吸附彈性體表面，形成白霜。當傳感器經(jīng)受周期性溫度變化時，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，嚴重時會使傳感器失效。 另外，當粘貼傳感器彈性體表面應(yīng)變片浸泡低溫介質(zhì)內(nèi)時，流過應(yīng)變片內(nèi)部電流應(yīng)變片內(nèi)產(chǎn)生焦耳熱，當它與低溫介質(zhì)接觸時，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造成傳感器零漂或不穩(wěn)定，如圖 6 所示?？梢钥闯觯攽?yīng)變片未加防護劑（涂層）時，室溫至 -50 ° C 范圍內(nèi)，熱輸出重復性很差（圖中虛線所示）。但經(jīng)施加防護涂層后，應(yīng)變片穩(wěn)定性則有了很大提高。 深低溫下防護劑一般不宜采用室溫下常用防護劑，這是某些腦循環(huán)zl機室溫防護劑其硬度會隨溫度降低而增加，形成一定加jx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)整和補償工作比較簡單；但變溫環(huán)境條件下使用傳感器其補償技術(shù)要求相對要高和嚴格多。 電阻應(yīng)變式傳感器中，室溫環(huán)境條件下使用測力、求購廢乙二醇稱重傳感器，性能補償方面技術(shù)是最成熟，各種補償和調(diào)整后測力、稱重傳感器可以具有非常高精度，大都可達 0.02~0.03%F.S 左右。低溫電阻應(yīng)變式傳感器，測力、稱重傳感器所有調(diào)整、補償技術(shù)都可采用，其具體實施方法也相似。，應(yīng)變片低溫下性能與常溫環(huán)境有很大差別，具體補償處理時必須經(jīng)試驗進行確定。 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加以調(diào)節(jié) ，可制作適用于不同彈性體材料溫度自補償應(yīng)變片，減小傳感器溫度影響，提高傳感器性能指標。， 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， 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，呈現(xiàn)負輸出。 WK 型應(yīng)變片（玻璃纖維增強環(huán)氧 - 酚醛基底， Ni-Cr 系合金）， 10~20K 左右熱輸出為最小值，其后由負變?yōu)檎敵觯?4.2K 時有正{zd0}熱輸出。 Ni-Cr 系合金 10~20K 溫度區(qū)間，這種逆轉(zhuǎn)變化，給傳感器零點溫漂補償帶來一定困難，減小這種影響，選供應(yīng)乙二醇 用應(yīng)變片時應(yīng)盡量選用具有溫度自補償。同一批應(yīng)變片，有條件時可對應(yīng)變片溫度特性進行預選，以提高橋路補償效果。 三、低溫電阻應(yīng)變式傳感器性能試驗裝置 低溫電阻應(yīng)變式傳感器各項性能參數(shù)必須低溫環(huán)境下進行測定，如何獲低溫環(huán)境和保持低溫環(huán)境這是試驗工作重要環(huán)節(jié)。 1 、低溫環(huán)境條件獲 低溫試驗時，絕大多數(shù)情況下，是應(yīng)用各種護欄致冷劑來達到預定試驗溫度，當要求溫度介于兩種冷劑溫度之間時，可選用較低溫度冷劑，以噴淋或輻射形式來獲取所需溫度，具體方法應(yīng)試驗要求來確定。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到溫度列于表 2 。 2 、低溫壓力傳感器性能試驗測量系統(tǒng) 研究電阻應(yīng)變式壓力傳感器低溫下 (77~300K) 性能參數(shù)，典型試驗裝置及測試系統(tǒng)如圖 8 所示，整個裝置由四個部分組成。 ①真空系統(tǒng)。實驗溫區(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，隨時監(jiān)視真空罩內(nèi)真空度。 ②壓力源及測壓系統(tǒng)。該系統(tǒng)由高壓氮氫瓶、減壓閥、標準壓力表、低溫壓力腔、放氣閥及連接管道等組成。 ③溫度測量和控制系統(tǒng)。低溫壓力腔及傳感器溫度由銅 - 康銅熱電偶測定。壓力腔及傳感器溫度系統(tǒng)由鉑電阻溫度計、加熱器及低溫控溫儀等組成。 ④壓力傳感器信號變換及顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)由電阻應(yīng)變式壓力傳感器、動態(tài)電阻應(yīng)變儀和數(shù)字電壓表等組成。 3 、低溫引伸計試驗測試系統(tǒng) 為標定引伸計低溫下 (4.2~300K) 性能，其典型試驗裝置如圖 9 所示。該系統(tǒng)試驗溫度要按使用條件分階段進行（如 300K 、 77K 、 20K 、 4.2K 等），該系統(tǒng)主要包括： ①標定機構(gòu)。校準器采用zg校準引伸計用螺旋千分尺，引伸桿置于低溫杜瓦中，其上可安裝被校引伸計。 ②低溫介質(zhì)容器。盛置低溫介質(zhì)容器是由內(nèi)外兩個玻璃杜瓦組成。內(nèi)杜瓦與上法蘭盤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)外杜瓦及標定機構(gòu)重量是由外框架承擔。 ③溫控系統(tǒng)。調(diào)節(jié)試驗溫度，裝置引伸計刀口兩側(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，它位于標定機構(gòu)下端，功率為 0.35W 。測溫元件可采用金 - 鐵熱電偶或鉑電阻溫度計。 ④位移測量系統(tǒng)。引伸計變形測量是由動態(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，往往需要自行進行設(shè)計制作。本文主要介紹電阻應(yīng)變片低溫下特殊性能，設(shè)計人員能更好利用其特點，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，確認各種傳感器低溫下性能，文中也簡要介紹了低溫下壓力和位移傳感器標定系統(tǒng)，以供有關(guān)人員參考。