低温环境下应变式压力传感器设计的若干技术问题

一、什么是低温环境

应用电阻应变片为敏感元件制成的各种电阻应变式传感器（尤其采用溅射工艺制成的纳米薄膜压力传感器）由于其具有精度高、稳定性好、价格便宜等特点，因而在工业各部门中广泛获得应用，并且在力学量传感器中，电阻应变式传感器至今仍占有主导地位。一般的电阻应变式传感器都是适用于室温（常温）环境。按有关电阻应变标准的规定，所谓低温环境是指-30~-160℃，而极低温是指-162℃（液化天然气 LNG ）至液氦（ Lhe）所能达到的温度。

二、低温环境有那些应用场景

(1) 超导应用技术：发电、输电系统，磁悬浮列车等； (2) 液氢（LH2 ，-253 ℃）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。

三、与低温环境相关的技术

由于低温环境的特殊性，低温技术的实用化，必然会引起人们对在环境条件下的结构的安全、可靠性以及经济性等问题的注意。除了必要的测量结构及部件在低温下的应力外，还需要各种适用于低温环境条件下的应变式压力传感器，以便测定各种结构部件材料在低温下的力学性能，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的保证。

四、低温应变式压力传感器设计应注意的问题

1 、压力传感器弹性体的设计与选择

低温应变式压力传感器弹性体设计准则基本与各类高温用应变式压力传感器相同。根据传感器精度要求，使用寿命及输出灵敏度等，弹性体的应变量一般控制在800~1500 mm/m 范围内。对于弹性体材料，要求其在低温范围内，具有良好的弹性，高的抗拉强度，高的疲劳寿命以及在低温下不发生脆性断裂等。因此，一般来说常温用的弹性体材料大都可以选用。但目前，对于压力传感器常选用不锈钢、铝合金、铍青铜及殷钢等，而对于引伸计等传感器可选用铍青铜、钛合金等材料。

2 、低温电阻应变膜与应变片

低温应变片是低温电阻应变式压力传感器的关键敏感元件，其性能影响着传感器的各项性能指标。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。各组成元件的材料性能又直接影响着低温应变片的基本性能。

3、温度变化引起的热输出

电阻应变式压力传感器是由胶粘剂粘贴在传感器的弹性体上，当在外力作用下，弹性体发生变形时，弹性体的变形通过胶粘剂层传递到敏感栅上，从而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，因而测量电阻变化值即可得知弹性体所受的外力。但是，传感器在实际工作状态，弹性体不仅受到外力，而且还往往受到环境温度变化的影响，应变片受温度变化引起的虚假输出通常称为热输出。其值与应变片敏感栅材料的电阻温度系数、灵敏系数、线膨胀系数、弹性体材料的线膨胀系数以及温度变化等有关，即对于传感器来说，通常都要求所用的应变片的热输出值小，只有这样才能保证精度和稳定性，因而在选择制作应变片的敏感栅材料时，必须使其与弹性体材料的线膨胀系数相匹配。

4、温度引起的灵敏系数的变化

应变片的电阻变化率与所受应变量之比，通常称为应变片的灵敏系数。它的数值与应变片敏感元件的几何形状及材料特性有关。一般的金属电阻材料，在常温时的灵敏系数大多约为 2.0 左右。在低温环境下，灵敏系数随着温度的降低而增加。大多数电阻合金在经受拉伸或压缩时，其灵敏系数是有些差别的。而稳定化则差别更大。拉伸和压缩时，灵敏系数的不一致，不仅会降低传感器的输出灵敏度，还会增大传感器非线性误差。因此，无论在应变测量场合还是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的材料。

电阻合金元件的灵敏系数变化，若以室温为基准，则其在高温区和低温区的变化其灵敏系数随温度变化的规律恰恰相反。 Ni-Cr 系合金，随着温度降低，其灵敏系数随之升高，而 Cu-Ni 系合金在低温下，随着温度的降低，其灵敏系数也随之降低。但是，其拉伸和压缩时两者灵敏系数之差比 Ni-Cr 系合金大。在室温至 4.2K 温度范围内， Ni-Cr 系合金制成的应变片的灵敏系数特性从室温至200K 其变化率几乎呈直线增加，然后缓慢增加，在 100K 以下的温度时几乎不增加。

综上所述，低温电阻应变式传感器宜选用 Ni-Cr 系合金制成的应变片，其原因为：

(1)Ni-Cr 系合金制成的应变片，其温度变化引起的热输出，可以通过调整合金组分和热处理工艺来改变其电阻温度系数，并与传感器弹性体材料的线膨胀系数相匹配，制成温度自补偿应变片，应变片受拉伸和压缩变形时，两者的灵敏系数相差小，从而传感器受温度变化的影响也小，有利于提高传感器在低温环境下的稳定性；

(2)Cu-Ni 系合金的灵敏系数随温度降低而降低，而 Ni-Cr 系合金的灵敏系数则随着温度降低而升高。这种倾向与传感器弹性体材料的弹性模量随温度降低而升高的趋向是一致的，因而有利于传感器灵敏度补偿。另外， Ni-Cr 系合金制作的应变片的灵敏系数，在室温至 200K 时，呈线性增加，而后则缓慢增加，在100K以下时，其变化则相当小。由此制成的传感器，其输出灵敏度变化也是呈如此规律。所以在标定温度对灵敏度变化的影响时，只要标定室温至 100K 范围内的变化，而 100K 以下则可认为是不变，即可用以100K时灵敏度表示该传感器在100K 以下时的灵敏度。