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    如何制作低溫環境下使用電阻應變式傳感器

    2006-03-13

    摘要: 闡述制作在低溫環境條件下應用的電阻應變式傳感器(如壓力、位移傳感器等)應注意的問題。
    文章編號: 1006-883X(2002)09-0005-08 文獻標識碼:A 中圖分類號:TP212.1
    一、前言
      應用電阻應變片為敏感元件制成的各種電阻應變式傳感器(如測力、稱重、位移、加速度及扭矩傳感器),由于其具有精度高、穩定性好、制作簡單、價格便宜,以及電信號易與后續測控儀器相匹配等特點,因而在工業各部門中廣泛獲得應用,并且在力學量傳感器中,電阻應變式傳感器至今仍占有主導地位。但是,一般的電阻應變式傳感器都是適用于室溫(常溫)環境,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,國內外研究和公開資料不是很多,而低溫電阻應變式傳感器的資料則更少。
      按有關電阻應變片標準的規定,所謂低溫環境是指 -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,在此范圍內的新興產品部門包括:
    (1) 超導應用技術:發電、輸電系統,磁懸浮列車等;
    (2) 液氫( LH 2 , -253 ° C )相關技術:氫能系統、液氫發動機等;
    (3) 原子能:托克馬克裝置;
    (4) 液化天然氣應用技術:新能源系統、冷凍部門應用等。
      低溫技術的實用化,必然會引起人們對在環境條件下的結構的安全、可靠性以及經濟性等問題的注意。除了必要的測量結構及部件在低溫下的應力外,還需要各種適用于低溫環境條件下的電阻應變式傳感器(如低溫引伸計和低溫應力傳感器等),以便測定各種結構部件材料在低溫下的力學性能,以及監測應用過程中各種壓力變化等,為產品結構質量和設備運行安全提供可靠的保證。
      由于低溫環境的特殊性,一般市售的電阻應變式傳感器都不適用于低溫環境,加之低溫傳感器的用量又特別少,所以在工作中必須根據實際需要的環境和條件,自行進行研制設計各種電阻應變式傳感器。本文主要介紹在研制設計各種低溫電阻應變式傳感器時應注意的幾個問題,以供參考。
    二、制作低溫電阻應變式傳感器應注意的若干問題
      低溫電阻應變式傳感器的基本結構形式與同類的常溫用電阻應變式傳感器基本相同,只是在選材、應用工藝等方面應根據低溫應用環境的特殊性來加以選擇,通常應注意以下幾個方面。
    1 、傳感器彈性體的設計和材料選擇
      低溫電阻應變式傳感器彈性體設計準則基本與各類高溫用電阻應變式傳感器相同。根據傳感器精度要求,使用壽命及輸出靈敏度等,彈性體的應變量一般控制在 800~1500 m m/m 范圍內。各種典型彈性體結構的計算式列于表 1 。
      對于彈性體材料,要求其在低溫范圍內,具有良好的彈性,高的抗拉強度,高的疲勞壽命以及在低溫下不發生脆性斷裂等。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 、低溫電阻應變片
      低溫應變片是低溫電阻應變式傳感器的關鍵敏感元件,其性能影響著傳感器的各項性能指標。低溫應變片通常是由基底、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變片的基本性能。
    表 1 各種典型彈性體結構應變計算公式

    名稱

    結構及應變體粘貼位置

    矩形懸臂梁

    兩端固支矩形梁

    周邊固支圓板

    圓筒

    彈性環


    ①溫度變化引起的熱輸出
      電阻應變式傳感器是由膠粘劑粘貼在傳感器的彈性體上,當在外力作用下,彈性體發生變形時,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生變化,其電阻變化值與彈性體所受外力之間是呈線性關系,因而測量電阻變化值即可得知彈性體所受的外力。

      但是,傳感器在實際工作狀態,彈性體不僅受到外力,而且還往往受到環境溫度變化的影響,應變片受溫度變化引起的虛假輸出通常稱為熱輸出 ( e t ) 。其值與應變片敏感柵材料的電阻溫度系數 ( a R ) 、靈敏系數 ( k ) 、線膨脹系數 ( a g ) 、彈性體材料的線膨脹系數 ( a m ) 以及溫度變化 ( D t ) 等有關,即: (1)
      對于傳感器來說,通常都要求所用的應變片的熱輸出值小,只有這樣才能保證精度和穩定性,因而在選擇制作應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相匹配,即: (2)
      上式也是制作各種溫度自補償應變片的選材基本關系式。
      Kanfman 的研究報告 [6] 指出了各種電阻合金在低溫下的熱輸出,典型結構如圖 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)其電阻溫度系數可以根據合金組分和熱處理工藝進行調整,便于制成適用于各種不同彈性體材料和溫度自補償應變片,因而目前低溫自補償應變片大都是以 Karma 等合金為敏感柵的。
    ②溫度引起的靈敏系數的變化
      應變片的電阻變化率與所受應變量之比,通常稱為應變片的靈敏系數 ( k ) 。它的數值與應變片敏感元件的幾何形狀及材料特性有關。一般的金屬電阻材料,在常溫時的靈敏系數大多約為 2.0 左右。在低溫環境下,靈敏系數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,大多數電阻合金在經受拉伸或壓縮時,其靈敏系數是有些差別的。而穩定化 ArmourD ( Fe-Cr-Ai 合金)則差別更大。拉伸和壓縮時,靈敏系數的不一致,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,無論在應變測量場合還是制作低溫用電阻應變式傳感器,都宜選用拉伸或壓縮應變時靈敏系數相差小的材料。圖中可見, Karma 、 Nichrome V 及 Advance 材料,拉伸和壓縮變形之間靈敏系數相差比較小。

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

      在室溫至 4.2K 溫度范圍內, Ni-Cr 系合金制成的應變片的靈敏系數特性如圖 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磁場對應變片性能的影響

      綜上所述,低溫電阻應變式傳感器宜選用 Ni-Cr 系合金制成的應變片,其原因為:

      (1)Ni-Cr 系合金(如 Karma 等)制成的應變片,其溫度變化引起的熱輸出,可以通過調整合金組分和熱處理工藝來改變其電阻溫度系數 ( a R ) ,并與傳感器彈性體材料的線膨脹系數 ( a m ) 相匹配,制成溫度自補償應變片,應變片受拉伸和壓縮變形時,兩者的靈敏系數相差小,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境下的穩定性;
      (2)Cu-Ni 系合金的靈敏系數隨溫度降低而降低,而 Ni-Cr 系合金的靈敏系數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 ) 補償。另外, Ni-Cr 系合金制作的應變片的靈敏系數,在室溫至 200K 時,呈線性增加,而后則緩慢增加,在 100K 以下時,其變化則相當小。由此制成的傳感器,其輸出靈敏度變化也是呈如此規律。所以在標定溫度對靈敏度變化的影響時,只要標定室溫至 100K 范圍內的變化,而 100K 以下則可認為是不變,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 合金應變片,只有磁場強度在 1t 以下時呈負輸出,爾后,隨磁場增加而呈正的線性變化。因此傳感器經過標定可以保證一定的精度范圍。

    3 、低溫膠粘劑和防護劑
      膠粘劑和防護劑對低溫電阻應變式傳感器性能有直接關系。特別是膠粘劑,它對傳感器尤為重要。大量的試驗證明:
      (1) 低溫應變片的基底材料,一般都采用聚酰亞胺膜或者是以玻璃纖維增強的環氧 - 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、改性的環氧 - 酚醛膠。這類膠粘劑貼片后,經加壓回熱固化及后固化處理后,膠層具有很高粘結強度,電絕緣性能好,因而傳感器的蠕變、滯后及零漂小,傳感器的穩定性也好。

      (3) 低溫下的防護劑對提高傳感器穩定性有極重要的作用。傳感器應用場合,由于彈性體表面的應變片的溫度由室溫逐漸隨著致冷介質的注入而降低。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。當傳感器經受周期性的溫度變化時,應變片表面的白霜熔化成水分,使應變片、膠粘劑吸收水分而使絕緣電阻發生變化(降低),從而引起傳感器零漂,蠕變、滯后增大,嚴重時會使傳感器失效。

      另外,當粘貼在傳感器彈性體表面的應變片浸泡在低溫介質內時,流過應變片內部的電流在應變片內產生焦耳熱,當它與低溫介質接觸時,應變片與介質之間產生激烈的熱交換,這種不斷的熱交換也會造成傳感器的零漂或不穩定,如圖 6 所示。可以看出,當應變片未加防護劑(涂層)時,在室溫至 -50 ° C 范圍內,熱輸出的重復性很差(圖中虛線所示)。但經施加防護涂層后,應變片的穩定性則有了很大的提高。

      深低溫下的防護劑一般不宜采用室溫下常用的防護劑,這是因為某些室溫防護劑其硬度會隨溫度的降低而增加,形成一定的加強效應,而且在低溫下也易發生脆裂等現象,因此,傳感器用應變片的防護劑,一般可采用粘貼應變片的貼片膠如改性的環氧 - 酚醛膠, PPS 膠(聚苯硫醚)等,在應變片表面上均勻地涂上一薄層,經固化后再涂一、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定了。

      其調整和補償工作比較簡單;但對于變溫環境條件下使用的傳感器其補償技術要求相對要高和嚴格得多。

      在電阻應變式傳感器中,室溫環境條件下使用的測力、稱重傳感器,在性能補償方面技術是最成熟的,經過各種補償和調整后的測力、稱重傳感器可以具有非常高的精度,大都可達 0.02~0.03%F.S 左右。對于低溫電阻應變式傳感器,測力、稱重傳感器的所有調整、補償技術都可采用,并且其具體實施的方法也相似。但是,由于應變片在低溫下性能與常溫環境有很大的差別,因而具體補償處理時必須經試驗進行確定。
      由前述可知,由于 Ni-Cr 系合金的電阻溫度系數 ( a R ) 可以通過調整合金成分和熱處理工藝來加以調節 ,從而可制作適用于不同彈性體材料的溫度自補償應變片,減小傳感器的溫度影響,提高傳感器的性能指標。但是, Ni-Cr 系合金在低溫環境下 (10~20K) 其熱輸出出現逆轉的現象,即謂的近藤效應(如圖 7 )。
      由圖可見, KFL 型應變片( 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,呈現負輸出。 WK 型應變片(玻璃纖維增強的環氧 - 酚醛基底, Ni-Cr 系合金),在 10~20K 左右熱輸出為最小值,其后由負變為正輸出,在 4.2K 時有正的最大熱輸出。 Ni-Cr 系合金在 10~20K 溫度區間,這種逆轉變化,給傳感器的零點溫漂補償帶來一定的困難,為了減小這種影響,選用應變片時應盡量選用具有溫度自補償的。同一批的應變片,在有條件時可對應變片的溫度特性進行預選,以提高橋路的補償效果。
    三、低溫電阻應變式傳感器的性能試驗裝置
      低溫電阻應變式傳感器的各項性能參數必須在低溫環境下進行測定,如何獲得低溫環境和保持低溫環境這是試驗工作的重要環節。
    1 、低溫環境條件的獲得
      低溫試驗時,在絕大多數情況下,是應用各種致冷劑來達到預定試驗溫度的,當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,具體方法應根據試驗要求來確定。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到的溫度列于表 2 。
    表 2 致冷劑及其溫度范圍

    致 冷劑

    可達到的溫度

    20% 氯化銨 (NH 4 Cl)+80% 冰

    -15.4 ° C (257.8K) 以上

    24.8% 食鹽 (NaCl)+75.2% 冰

    -21.3 ° C (251.9K) 以上

    19.7% 食鹽 (NaCl)+17.6 氯化銨 (NH 4 Cl)+62.7% 冰

    -25 ° C (248K) 以上

    58.8% 氯化鈣 (CaCl 2 .6H 2 )+41.2% 冰

    -54.9 ° C (218.3K) 以上

    酒精 + 干冰

    -75 ° C (198K) 以上

    乙醇 + 干冰

    -77 ° C (196K) 以上

    氯仿 ( 三氯甲烷 )+ 干冰

    -77 ° C (196K) 以上

    醋酸戊 ( 烷 ) 基 + 干冰

    -78 ° C (195K) 以上

    冷氮氣控制循環

    -78~-163 ° C

    液化天然氣

    -163 ° C (110.2K)(77.4~90.2K)

    液氧

    -183 ° C (90.2K)

    液氮

    -195.8 ° C(77.4K)

    液氬

    -186 ° C(87K)

    液氫

    -252.8 ° C (20.4K)

    液氦

    -269 ° C (4.2K)

    2 、低溫壓力傳感器性能試驗測量系統

    為了研究電阻應變式壓力傳感器在低溫下 (77~300K) 的性能參數,典型的試驗裝置及測試系統如圖 8 所示,整個裝置由四個部分組成。

    ①真空系統。由于實驗溫區較寬,所以要求壓力腔及傳感器處于較高的真空環境中( 1.3 ′ 10 -2 Pa 以上),因而有熱偶真空規和電離真空管,隨時監視真空罩內的真空度。
    ②壓力源及測壓系統。該系統由高壓氮氫瓶、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。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。該系統由電阻應變式壓力傳感器、動態電阻應變儀和數字電壓表等組成。
    3 、低溫引伸計試驗測試系統

      為標定引伸計在低溫下 (4.2~300K) 的性能,其典型的試驗裝置如圖 9 所示。由于該系統的試驗溫度要按使用條件分階段進行(如 300K 、 77K 、 20K 、 4.2K 等),所以該系統主要包括:
      ①標定機構。校準器采用專供校準引伸計用的螺旋千分尺,引伸桿置于低溫杜瓦中,在其上可安裝被校引伸計。
      ②低溫介質容器。盛置低溫介質的容器是由內外兩個玻璃杜瓦組成的。內杜瓦與上法蘭盤之間用不銹鋼連接內罩相連,內杜瓦連接罩間由二道真空橡皮密封。內外杜瓦及標定機構的重量是由外框架承擔的。
      ③溫控系統。為了調節試驗溫度,在裝置引伸計的刀口兩側裝有變溫加熱器,其功率約為 0.3W 。下加熱器是為調節上部空間溫度及烘干液氦之用,它位于標定機構的下端,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。引伸計的變形測量是由動態電阻應變儀和 x-y 記錄儀組成。

     四、結束語
      一般市售的各種電阻應變式傳感器,只能適用于常溫環境( -20 ° C~+60 ° C 或 -40 ° C~+80 ° C ),對于高溫或低溫環境下使用的各種電阻應變式傳感器,往往需要自行進行設計制作。本文主要介紹根據電阻應變片在低溫下的特殊性能,以便設計人員能更好地利用其特點,制作各種性能好的傳感器,目前低溫下常用的電阻應變式傳感器主要是壓力和位移等傳感器,為了確認各種傳感器在低溫下的性能,文中也簡要介紹了低溫下壓力和位移傳感器的標定系統,以供有關人員參考。




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