如何制作低溫環(huán)境下使用電阻應(yīng)變式傳感器
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時(shí)間：2011-03-11
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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 
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。
③磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)變片性能影響
(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。
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
評(píng)論