如何制作低溫環(huán)境下使用電阻應(yīng)變式傳感器

摘要： 闡述制作在低溫環(huán)境條件下應(yīng)用的電阻應(yīng)變式傳感器（如壓力、位移傳感器等）應(yīng)注意的問題。
文章編號： 1006-883X(2002)09-0005-08 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 中圖分類號：TP212.1
一、前言
　　應(yīng)用電阻應(yīng)變片為敏感元件制成的各種電阻應(yīng)變式傳感器（如測力、稱重、位移、加速度及扭矩傳感器），由于其具有精度高、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(diǎn)，因而在工業(yè)各部門中廣泛獲得應(yīng)用，并且在力學(xué)量傳感器中，電阻應(yīng)變式傳感器至今仍占有主導(dǎo)地位。但是，一般的電阻應(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的傳感器，國內(nèi)外研究和公開資料不是很多，而低溫電阻應(yīng)變式傳感器的資料則更少。
　　按有關(guān)電阻應(yīng)變片標(biāo)準(zhǔn)的規(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)到的溫度，本文所涉及的低溫就是上述的極低溫或深低溫范圍。有以下四個方面，在此范圍內(nèi)的新興產(chǎn)品部門包括：
(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(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)、冷凍部門應(yīng)用等。
　　低溫技術(shù)的實(shí)用化，必然會引起人們對在環(huán)境條件下的結(jié)構(gòu)的安全、可靠性以及經(jīng)濟(jì)性等問題的注意。除了必要的測量結(jié)構(gòu)及部件在低溫下的應(yīng)力外，還需要各種適用于低溫環(huán)境條件下的電阻應(yīng)變式傳感器（如低溫引伸計和低溫應(yīng)力傳感器等），以便測定各種結(jié)構(gòu)部件材料在低溫下的力學(xué)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(yùn)行安全提供可靠的保證。
　　由于低溫環(huán)境的特殊性，一般市售的電阻應(yīng)變式傳感器都不適用于低溫環(huán)境，加之低溫傳感器的用量又特別少，所以在工作中必須根據(jù)實(shí)際需要的環(huán)境和條件，自行進(jìn)行研制設(shè)計各種電阻應(yīng)變式傳感器。本文主要介紹在研制設(shè)計各種低溫電阻應(yīng)變式傳感器時應(yīng)注意的幾個問題，以供參考。
二、制作低溫電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)注意的若干問題
　　低溫電阻應(yīng)變式傳感器的基本結(jié)構(gòu)形式與同類的常溫用電阻應(yīng)變式傳感器基本相同，只是在選材、應(yīng)用工藝等方面應(yīng)根據(jù)低溫應(yīng)用環(huán)境的特殊性來加以選擇，通常應(yīng)注意以下幾個方面。
1 、傳感器彈性體的設(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(zhǔn)則基本與各類高溫用電阻應(yīng)變式傳感器相同。根據(jù)傳感器精度要求，使用壽命及輸出靈敏度等，彈性體的應(yīng)變量一般控制在 800~1500 m m/m 范圍內(nèi)。各種典型彈性體結(jié)構(gòu)的計算式列于表 1 。
　　對于彈性體材料，要求其在低溫范圍內(nèi)，具有良好的彈性，高的抗拉強(qiáng)度，高的疲勞壽命以及在低溫下不發(fā)生脆性斷裂等。因此，一般來說常溫用的彈性體材料大都可以選用。但目前，對于壓力傳感器常選用不銹鋼、鋁合金、鈹青銅及殷鋼等，而對于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)變式傳感器的關(guān)鍵敏感元件，其性能影響著傳感器的各項(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。各組成元件的材料性能又直接影響著低溫應(yīng)變片的基本性能。
表 1 各種典型彈性體結(jié)構(gòu)應(yīng)變計算公式

①溫度變化引起的熱輸出
　　電阻應(yīng)變式傳感器是由膠粘劑粘貼在傳感器的彈性體上，當(dāng)在外力作用下，彈性體發(fā)生變形時，彈性體的變形通過膠粘劑層傳遞到敏感柵上，從而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，因而測量電阻變化值即可得知彈性體所受的外力。

但是，傳感器在實(shí)際工作狀態(tài)，彈性體不僅受到外力，而且還往往受到環(huán)境溫度變化的影響，應(yīng)變片受溫度變化引起的虛假輸出通常稱為熱輸出 ( e t ) 。其值與應(yīng)變片敏感柵材料的電阻溫度系數(shù) ( a R ) 、靈敏系數(shù) ( k ) 、線膨脹系數(shù) ( a g ) 、彈性體材料的線膨脹系數(shù) ( a m ) 以及溫度變化 ( D t ) 等有關(guān)，即： (1)
　對于傳感器來說，通常都要求所用的應(yīng)變片的熱輸出值小，只有這樣才能保證精度和穩(wěn)定性，因而在選擇制作應(yīng)變片的敏感柵材料時，必須使其與彈性體材料的線膨脹系數(shù)相匹配，即： (2)
　上式也是制作各種溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片的選材基本關(guān)系式。
　Kanfman 的研究報告 [6] 指出了各種電阻合金在低溫下的熱輸出，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 ) 的特性，從室溫至 4.2K(LHe) 范圍，各種敏感元件具有各有不相同的溫度特性。 Cu-Ni 合金（康銅、 Advance ）元件的應(yīng)變片在低溫下有很大的熱輸出。而基底相同時，由 Karma 、 Nichrome V 制成的應(yīng)變片的熱輸出則比 Cu-Ni 合金小。由圖可見在 10~20K 的溫度范圍，各種應(yīng)變片的熱輸出具有最小值。研究表明，由于鎳鉻改良型合金（如 Karma 等）其電阻溫度系數(shù)可以根據(jù)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，因而目前低溫自補(bǔ)償應(yīng)變片大都是以 Karma 等合金為敏感柵的。
②溫度引起的靈敏系數(shù)的變化
　應(yīng)變片的電阻變化率與所受應(yīng)變量之比，通常稱為應(yīng)變片的靈敏系數(shù) ( k ) 。它的數(shù)值與應(yīng)變片敏感元件的幾何形狀及材料特性有關(guān)。一般的金屬電阻材料，在常溫時的靈敏系數(shù)大多約為 2.0 左右。在低溫環(huán)境下，靈敏系數(shù)隨著溫度的降低而增加，各種電阻合金的典型性能如圖 2 所示。從圖可見，大多數(shù)電阻合金在經(jīng)受拉伸或壓縮時，其靈敏系數(shù)是有些差別的。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)的不一致，不僅會降低傳感器的輸出靈敏度，還會增大傳感器非線性誤差。因此，無論在應(yīng)變測量場合還是制作低溫用電阻應(yīng)變式傳感器，都宜選用拉伸或壓縮應(yīng)變時靈敏系數(shù)相差小的材料。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。

　電阻合金元件的靈敏系數(shù)變化，若以室溫為基準(zhǔn)，則其在高溫區(qū)和低溫區(qū)的變化如圖 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 ）制成的應(yīng)變片，其靈敏系數(shù)隨溫度變化的規(guī)律恰恰相反。 Ni-Cr 系合金，隨著溫度降低，其靈敏系數(shù)隨之升高，而 Cu-Ni 系合金在低溫下，隨著溫度的降低，其靈敏系數(shù)也隨之降低。但是，其拉伸和壓縮時兩者靈敏系數(shù)之差比 Ni-Cr 系合金大

　在室溫至 4.2K 溫度范圍內(nèi)， Ni-Cr 系合金制成的應(yīng)變片的靈敏系數(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，在 100K 以下的溫度時幾乎不增加。
③磁場對應(yīng)變片性能的影響

　綜上所述，低溫電阻應(yīng)變式傳感器宜選用 Ni-Cr 系合金制成的應(yīng)變片，其原因?yàn)椋?
　(1)Ni-Cr 系合金（如 Karma 等）制成的應(yīng)變片，其溫度變化引起的熱輸出，可以通過調(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 ) ，并與傳感器彈性體材料的線膨脹系數(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，兩者的靈敏系數(shù)相差小，從而傳感器受溫度變化的影響也小，有利于提高傳感器在低溫環(huán)境下的穩(wěn)定性；
　(2)Cu-Ni 系合金的靈敏系數(shù)隨溫度降低而降低，而 Ni-Cr 系合金的靈敏系數(shù)則隨著溫度降低而升高。這種傾向與傳感器彈性體材料的彈性模量 ( E ) 隨溫度降低而升高的趨向是一致的，因而有利于傳感器靈敏度 ( 量程 ) 補(bǔ)償。另外， Ni-Cr 系合金制作的應(yīng)變片的靈敏系數(shù)，在室溫至 200K 時，呈線性增加，而后則緩慢增加，在 100K 以下時，其變化則相當(dāng)小。由此制成的傳感器，其輸出靈敏度變化也是呈如此規(guī)律。所以在標(biāo)定溫度對靈敏度變化的影響時，只要標(biāo)定室溫至 100K 范圍內(nèi)的變化，而 100K 以下則可認(rèn)為是不變，即可用以 100K 時靈敏度表示該傳感器在 100K 以下時的靈敏度；
　(3) 磁場對 Pt-W 合金的影響，比對 Ni-Cr 系合金的影響小得多，但由于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，只有磁場強(qiáng)度在 1t 以下時呈負(fù)輸出，爾后，隨磁場增加而呈正的線性變化。因此傳感器經(jīng)過標(biāo)定可以保證一定的精度范圍。

3 、低溫膠粘劑和防護(hù)劑
　膠粘劑和防護(hù)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。大量的試驗(yàn)證明：
　(1) 低溫應(yīng)變片的基底材料，一般都采用聚酰亞胺膜或者是以玻璃纖維增強(qiáng)的環(huán)氧 - 酚醛膠膜為宜，這些材料在低溫下收縮率小，柔性好，并且與膠粘劑之間粘合效果也好。
　(2) 粘貼應(yīng)變片的膠粘劑一般都采用熱固性型膠粘劑如聚酰亞胺、改性的環(huán)氧 - 酚醛膠。這類膠粘劑貼片后，經(jīng)加壓回?zé)峁袒昂蠊袒幚砗螅z層具有很高粘結(jié)強(qiáng)度，電絕緣性能好，因而傳感器的蠕變、滯后及零漂小，傳感器的穩(wěn)定性也好。
　(3) 低溫下的防護(hù)劑對提高傳感器穩(wěn)定性有極重要的作用。傳感器應(yīng)用場合，由于彈性體表面的應(yīng)變片的溫度由室溫逐漸隨著致冷介質(zhì)的注入而降低。由于彈性體在冷卻過程中，將空氣中的微量水分吸附在彈性體表面，形成白霜。當(dāng)傳感器經(jīng)受周期性的溫度變化時，應(yīng)變片表面的白霜熔化成水分，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），從而引起傳感器零漂，蠕變、滯后增大，嚴(yán)重時會使傳感器失效。

　另外，當(dāng)粘貼在傳感器彈性體表面的應(yīng)變片浸泡在低溫介質(zhì)內(nèi)時，流過應(yīng)變片內(nèi)部的電流在應(yīng)變片內(nèi)產(chǎn)生焦耳熱，當(dāng)它與低溫介質(zhì)接觸時，應(yīng)變片與介質(zhì)之間產(chǎn)生激烈的熱交換，這種不斷的熱交換也會造成傳感器的零漂或不穩(wěn)定，如圖 6 所示。可以看出，當(dāng)應(yīng)變片未加防護(hù)劑（涂層）時，在室溫至 -50 ° C 范圍內(nèi)，熱輸出的重復(fù)性很差（圖中虛線所示）。但經(jīng)施加防護(hù)涂層后，應(yīng)變片的穩(wěn)定性則有了很大的提高。
　深低溫下的防護(hù)劑一般不宜采用室溫下常用的防護(hù)劑，這是因?yàn)槟承┦覝胤雷o(hù)劑其硬度會隨溫度的降低而增加，形成一定的加強(qiáng)效應(yīng)，而且在低溫下也易發(fā)生脆裂等現(xiàn)象，因此，傳感器用應(yīng)變片的防護(hù)劑，一般可采用粘貼應(yīng)變片的貼片膠如改性的環(huán)氧 - 酚醛膠， PPS 膠（聚苯硫醚）等，在應(yīng)變片表面上均勻地涂上一薄層，經(jīng)固化后再涂一、二次，然后最終固化處理，然后在其表面均勻地涂上一層硅脂，這樣就可保證其性能穩(wěn)定了。
　其調(diào)整和補(bǔ)償工作比較簡單；但對于變溫環(huán)境條件下使用的傳感器其補(bǔ)償技術(shù)要求相對要高和嚴(yán)格得多。

　在電阻應(yīng)變式傳感器中，室溫環(huán)境條件下使用的測力、稱重傳感器，在性能補(bǔ)償方面技術(shù)是最成熟的，經(jīng)過各種補(bǔ)償和調(diào)整后的測力、稱重傳感器可以具有非常高的精度，大都可達(dá) 0.02~0.03%F.S 左右。對于低溫電阻應(yīng)變式傳感器，測力、稱重傳感器的所有調(diào)整、補(bǔ)償技術(shù)都可采用，并且其具體實(shí)施的方法也相似。但是，由于應(yīng)變片在低溫下性能與常溫環(huán)境有很大的差別，因而具體補(bǔ)償處理時必須經(jīng)試驗(yàn)進(jìn)行確定。
　由前述可知，由于 Ni-Cr 系合金的電阻溫度系數(shù) ( a R ) 可以通過調(diào)整合金成分和熱處理工藝來加以調(diào)節(jié) ，從而可制作適用于不同彈性體材料的溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片，減小傳感器的溫度影響，提高傳感器的性能指標(biāo)。但是， Ni-Cr 系合金在低溫環(huán)境下 (10~20K) 其熱輸出出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，即謂的近藤效應(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）在 200K 附近，其熱輸出為零，在此以下溫度時，呈現(xiàn)負(fù)輸出。 WK 型應(yīng)變片（玻璃纖維增強(qiáng)的環(huán)氧 - 酚醛基底， Ni-Cr 系合金），在 10~20K 左右熱輸出為最小值，其后由負(fù)變?yōu)檎敵觯?4.2K 時有正的最大熱輸出。 Ni-Cr 系合金在 10~20K 溫度區(qū)間，這種逆轉(zhuǎn)變化，給傳感器的零點(diǎn)溫漂補(bǔ)償帶來一定的困難，為了減小這種影響，選用應(yīng)變片時應(yīng)盡量選用具有溫度自補(bǔ)償?shù)摹Ｍ慌膽?yīng)變片，在有條件時可對應(yīng)變片的溫度特性進(jìn)行預(yù)選，以提高橋路的補(bǔ)償效果。
三、低溫電阻應(yīng)變式傳感器的性能試驗(yàn)裝置
　　低溫電阻應(yīng)變式傳感器的各項(xiàng)性能參數(shù)必須在低溫環(huán)境下進(jìn)行測定，如何獲得低溫環(huán)境和保持低溫環(huán)境這是試驗(yàn)工作的重要環(huán)節(jié)。
1 、低溫環(huán)境條件的獲得
　　低溫試驗(yàn)時，在絕大多數(shù)情況下，是應(yīng)用各種致冷劑來達(dá)到預(yù)定試驗(yàn)溫度的，當(dāng)要求的溫度介于兩種冷劑溫度之間時，可選用較低溫度的冷劑，以噴淋或輻射的形式來獲取所需溫度，具體方法應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)要求來確定。至于貯存冷劑的容器常采用金屬杜瓦瓶或玻璃杜瓦容器。目前常用的冷劑及其可達(dá)到的溫度列于表 2 。
表 2 致冷劑及其溫度范圍

2 、低溫壓力傳感器性能試驗(yàn)測量系統(tǒng)
為了研究電阻應(yīng)變式壓力傳感器在低溫下 (77~300K) 的性能參數(shù)，典型的試驗(yàn)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)。由于實(shí)驗(yàn)溫區(qū)較寬，所以要求壓力腔及傳感器處于較高的真空環(huán)境中（ 1.3 ′ 10 -2 Pa 以上），因而有熱偶真空規(guī)和電離真空管，隨時監(jiān)視真空罩內(nèi)的真空度。
②壓力源及測壓系統(tǒng)。該系統(tǒng)由高壓氮?dú)淦俊p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。
③溫度測量和控制系統(tǒng)。低溫壓力腔及傳感器的溫度由銅 - 康銅熱電偶測定。壓力腔及傳感器的溫度系統(tǒng)由鉑電阻溫度計、加熱器及低溫控溫儀等組成。
④壓力傳感器的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。