按竽暌剐关电阻应变片标准规定，所谓低温情况是指 -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分包含：
(1) 超导应用技巧：发电、输电体系，磁悬浮列车等；
(2) 液氢（ LH 2 ， -253 ° C ）相干技巧：氢能体系、液氢发念优等；
(3) 原子能：托克马克装配；
(4) 液化天然气应用技巧：新能源体系、冷冻部分应用等。


低温情况特别性，一般市售电阻应变式传感器都不实用于低温情况，加之低温传感器用量又特别少，工作中必须实际须要情况和前提，自行进行研制设计各类电阻应变式传感器。本文重要介绍研制设计各类低温电阻应变式传感器时应留意几个问题，以供参考。

二、制造低温电阻应变式传感器应留意若干问题


低温电阻应变式传感器根本构造情势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情况特别性来加以选择，平日应留意以下几个方面。

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根本与各类高温用电阻应变式传感器雷同。传感器精度请求，应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。各类典范弹性体构造计算式列于表 1 。 沃森仪表

(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点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，而后，随磁场增长而呈正线性变更。传感器标定可以包管必定精度范围。
弹性体材料，请求其低温范围内，具有优胜弹性，高抗拉强度，高疲惫寿命以及低温下不二生脆性断裂等。，一般来说常温用弹性体材料大年夜都可以选用。但今朝，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，其机能影响着传感器各项机能指标。低温应变片平日是由基底、敏感栅、胶粘剂及覆盖层等部分构成。各构成元件材料机能又直接影响着低温应变片基本机能。

表 1 各类典范弹性体构造应变计算公式

①温度变更引起热输出

传感器来说，平日都请求所用应变片热输出值小，如许才能包管精度和稳定性，选择制造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)
电阻应变式传感器是由胶粘剂粘贴传感器弹性体上，当外力感化下，弹性体产生变形时，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产生变更，其电阻变更值与弹性体所受外力之间是呈线性关系，测量电阻变更值即可知弹性体所受外力。

传感器实际工作状况，弹性体受到外力，还往往受到情况温度变更影响，应变片受温度变更引起虚假输出平日称为热输出 ( 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 ) 以及温度变更 ( D t ) 等有关，即： (1)



上式也是制造各类温度自补偿竽暌功变片选材根本关系式。

Kanfman 研究申报 [6] 指出了各类电阻合金低温下热输出，典范构造如图 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 ) 特点，大年夜室温至 4.2K(LHe) 范围，各类敏感元件具有各有不雷同温度特点。 Cu-Ni 合金（康铜、 Advance ）元件应变片低温下有很大年夜热输出。而基底雷同时，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，各类应变片热输出具有最小值。研究注解，镍铬改进型合金（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剂，便于制成实用于各类不合弹性体材料和温度自补偿竽暌功变片，今朝低温自补偿竽暌功变片大年夜都是以 Karma 等合金为敏感栅。

②温度引起灵敏系数变更


应变片电阻变更率与所受应变量之比，平日称为应变片灵敏系数 ( k ) 。它数值与应变片敏感元件几何外形及材料特点有关。一般金属电阻材料，常温时灵敏系数大年夜多约为 2.0 阁下。低温情况下，灵敏系数温度降低而增长，各类电阻合金典范机能如图 2 所示。大年夜图可见，大年夜多半电阻合金经受拉伸或紧缩时，其灵敏系数是有些差别。而稳定化 ArmourD （ Fe-Cr-Ai 合金）则差别更大年夜。拉伸和紧缩时，灵敏系数不一致，会降低传感器输出灵敏度，还会增大年夜传感器非线性误差。，应变测量场合制造低温用电阻应变式传感器，都宜选用拉伸或紧缩应变时灵敏系数相差小材料。图中可见，Karma 、 Nichrome V 及 Advance 材料，拉伸和紧缩变形之间灵敏系数相差比较小。

电阻合金元件灵敏系数变更，若以室温为基准，则其高温区和低温区变更如图 3 所示。大年夜图中可见， 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更规律恰好相反。 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。其拉伸和紧缩时两者灵敏系数之差比 Ni-Cr 系合金大年夜

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点如图 4 所示。大年夜图中可见， Ni-Cr 系合金（ KFL- 、 SK ）大年夜室温至 200K 其变更率几乎呈直线增长，然后迟缓增长， 100K 以下温度时几乎不增长。

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，其温度变更引起热输出，可声调剂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，制成温度自补偿竽暌功变片，应变片受拉伸和紧缩变形时，两者灵敏系数相差小，传感器受温度变更影响也小，有利于进步传感器低温情况下稳定性；

(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。这种偏向与传感器弹性体材料弹性模量 ( E ) 随温度降低而升高趋势是一致，有利于传感器灵敏度 ( 量程 ) 补偿。别的， Ni-Cr 系合金制造应变片灵敏系数，室温至 200K 时，呈线性增长，而后则迟缓增长， 100K 以下时，其变更则相当小。由此制成传感器，其输出灵敏度变更也是呈如斯规律。标定温度对灵敏度变更影响时，标定室温至 100K 范围内变更，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 、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机能有直接关系。特别是胶粘剂，它对传感器尤为重要。大年夜量实验证实：

(1) 低温应变片基底材料，一般都采取聚酰亚胺膜是以玻璃纤维加强环氧 - 酚醛胶膜为宜，这些材料低温下紧缩率小，柔性好，与胶粘剂之寄┞烦合效不雅也好。

(2) 粘贴应变片胶粘剂一般都采取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，电绝缘机能好，传感器蠕变、滞后及零漂小，传感器稳定性也好。

(3) 低温下防护剂对进步传感器稳定性有极重要感化。传感器应用处合，弹性体外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外面，形成白霜。当传感器经受周期性温度变更时，应变片外面白霜熔化成水分，使应变片、胶粘剂接收水分而使绝缘电阻产生变更（降低），引起传感器零漂，蠕变、滞后增大年夜，严重时会使传感器掉效。

别的，当粘贴传感器弹性体外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，这种赓续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，热输庄反复性很差（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年夜进步。
低温技巧实用化，必定会引起人们对情况前提下构造安然、靠得住性以及经济性等问题留意。须要测量构造及部件低温下应力外，还须要各类实用于低温情况前提下电阻应变式传感器（如低温引伸计和低温应力传感器等），测定各类构造部件材料低温下力学机能，以及监测应用过程中各类压力变更等，为产品构造质量和设备运行安然供给靠得住包管。

深低温下防护剂一般不宜采取室温下常用防护剂，这是某些室温防护剂其硬度会随温度降低而增长，形成必定加强效应，低温下也易产生脆裂等现象，，传感器用应变片防护剂，一般可采取粘贴应变片贴片胶如改性环氧 - 酚醛胶， PPS 胶（聚苯硫平易近）等，应变片外面上平均涂上一薄层，经固化后再涂一、二次，然后最终固化处理，然后其外面平均涂上一层硅脂，如许就可包管其机能稳定了。

③温控体系。调节实验温度，装配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 。测温元件可采取金 - 铁热电偶或铂电阻温度计。
其调剂鹤芄播工作比较简单；但变温情况前提下应用传感器其补偿技巧请求相对要高和严格多。

电阻应变式传感器中，室温情况前提下应用测力、称重传感器，机能补偿方面技巧是最成熟，各类补偿和调剂后测力、称重传感器可以具有异常高精度，大年夜都可达 0.02~0.03%F.S 阁下。低温电阻应变式传感器，测力、称重传感器所有调剂、补偿技巧都可采取，其具体实施办法也类似。，应变片低温下机能与常温情况有很大年夜差别，具体补偿处理时必须经实验进行肯定。

由前述可知， Ni-Cr 系合金电阻温度系数 ( a R ) 可声调剂合金成分和热处理工艺来加声调节 ，可制造实用于不合弹性体材料温度自补偿竽暌功变片，减小传感器温度影响，进步传感器机能指标。， Ni-Cr 系合金低温情况下 (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 邻近，其热输出为零，此以下温度时，出现负输出。 WK 型应变片（玻璃纤维加强环氧 - 酚醛基底， Ni-Cr 系合金）， 10~20K 阁下热输出为最小值，厥后由负变为正输出， 4.2K 时有正最大年夜热输出。 Ni-Cr 系合金 10~20K 温度区间，这种逆改变更，给传感器零点温漂补偿带来必定艰苦，减小这种影响，选用应变片时应尽量选器具有温度自补偿。同一批应变片，有前提时可对应变片温度特点进行预选，以进步桥路补偿效不雅。

三、低温电阻应变式传感器机能实验装配
应用电阻应变片为敏感元件制成各类电阻应变式传感器（如测力、称重、位移、加快度及扭矩传感器），其具有精度高、稳定性好、制造简单、价格便宜，以及电旌旗灯号易与后续测控仪器相匹配等特点，工业各部分中广泛获应用，力学量传感器中，电阻应变式传感器至今仍占领主导位。，一般电阻应变式传感器都是实用于室温（常温）情况，应用温度范围为 -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，国表里研究和公开材料很多，而低温电阻应变式传感器材料则更少。
③磁场对应变片机能影响
低温电阻应变式传感器各项机能参数必须低温情况下进行测定，若何获低温情况和保持低温情况这是实验工作重要环节。

1 、低温情况前提获

低温实验时，绝大年夜多半情况下，是应用复荡蚵冷剂来达到预定实验温度，当请求温度介于两种冷剂温度之间时，可选用较低温度冷剂，以喷淋或辐射情势来获取所需温度，具体办法应实验请求来肯定。至于贮存冷剂容器常采取金属杜瓦瓶或玻璃杜瓦容器。今朝常用冷剂及其可达到温度列于表 2 。

2 、低温压力传感器机能实验测量体系

研究电阻应变式压力传感器低温下 (77~300K) 机能参数，典范实验装配及测试体系如图 8 所示，全部装配由四个部分构成。

①真空体系。实验温区较宽，请求压力腔及传感器处于较高真空情况中（ 1.3 ′ 10 -2 Pa 以上），有热偶真空规和电离真空管，随时监督真空罩内真空度。
②压力源及测压体系。该体系由高压氮氢瓶、减压阀、标准压力表、低温压力腔、放气阀及连接收道等构成。

③温度测量和控制体系。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体系由铂电阻温度计、加热器及低温控温仪等构成。

④压力传感器旌旗灯号变换及显示体系。该体系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构成。

3 、低温引伸计实验测试体系

为标定引伸计低温下 (4.2~300K) 机能，其典范实验装配如图 9 所示。该体系实验温度要按应用前提分阶段进行（如 300K 、 77K 、 20K 、 4.2K 等），该体系重要包含：
①标定机构。校准器采取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表里两个玻璃杜瓦构成。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余暇皮密封。表里杜瓦及标定机构重量是由外框架承担。


④位移测量体系。引伸计变形测量是由动态电阻应变仪和 x-y 记录仪构成。

四、停止语

一般市售各类电阻应变式传感器，只能实用于常温情况（ -20 ° C~+60 ° C 或 -40 ° C~+80 ° C ），高温或低温情况下应用各类电阻应变式传感器，往往须要自行进行设计制造。本文重要介绍电阻应变片低温下特别机能，设计人员能更好应用其特点，制造各类机能好传感器，今朝低温下常用电阻应变式传感器主压力和位移等传感器，确认各类传感器低温下机能，文中也扼要介绍了低温下压力和位移传感器标定体系，以供有关人员参考。 (end)