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    如何制作低温环境下使用电阻应变式传感器

    2006-03-13

    摘要: 阐述制作在低温环境条件下应用的电阻应变式传感器(如压力、位移传感器等)应注意的问题。
    文章编号: 1006-883X(2002)09-0005-08 文献标识码:A 中图分类号:TP212.1
    一、前言
      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(如测力、称重、位移、加速度及扭矩传感器),由于其具有精度高、稳定性好、制作简单、价格便宜,以及电信号易与后续测控仪器相匹配等特点,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。但是,一般的电阻应变式传感器都是适用于室温(常温)环境,使用温度范围为 -20~+60 ° C 或 -40~+80 ° C ,对此温度范围以上或以下温度范围的传感器,国内外研究和公开资料不是很多,而低温电阻应变式传感器的资料则更少。
      按有关电阻应变片标准的规定,所谓低温环境是指 -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 )所能达到的温度,本文所涉及的低温就是上述的极低温或深低温范围。有以下四个方面,在此范围内的新兴产品部门包括:
    (1) 超导应用技术:发电、输电系统,磁悬浮列车等;
    (2) 液氢( LH 2 , -253 ° C )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。
      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电阻应变式传感器(如低温引伸计和低温应力传感器等),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。
      由于低温环境的特殊性,一般市售的电阻应变式传感器都不适用于低温环境,加之低温传感器的用量又特别少,所以在工作中必须根据实际需要的环境和条件,自行进行研制设计各种电阻应变式传感器。本文主要介绍在研制设计各种低温电阻应变式传感器时应注意的几个问题,以供参考。
    二、制作低温电阻应变式传感器应注意的若干问题
      低温电阻应变式传感器的基本结构形式与同类的常温用电阻应变式传感器基本相同,只是在选材、应用工艺等方面应根据低温应用环境的特殊性来加以选择,通常应注意以下几个方面。
    1 、传感器弹性体的设计和材料选择
      低温电阻应变式传感器弹性体设计准则基本与各类高温用电阻应变式传感器相同。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 m m/m 范围内。各种典型弹性体结构的计算式列于表 1 。
      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 、低温电阻应变片
      低温应变片是低温电阻应变式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。
    表 1 各种典型弹性体结构应变计算公式

    名称

    结构及应变体粘贴位置

    矩形悬臂梁

    两端固支矩形梁

    周边固支圆板

    圆筒

    弹性环


    ①温度变化引起的热输出
      电阻应变式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 ( e t ) 。其值与应变片敏感栅材料的电阻温度系数 ( a R ) 、灵敏系数 ( k ) 、线膨胀系数 ( a g ) 、弹性体材料的线膨胀系数 ( a m ) 以及温度变化 ( D t ) 等有关,即: (1)
      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,即: (2)
      上式也是制作各种温度自补偿应变片的选材基本关系式。
      Kanfman 的研究报告 [6] 指出了各种电阻合金在低温下的热输出,典型结构如图 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 ) 的特性,从室温至 4.2K(LHe) 范围,各种敏感元件具有各有不相同的温度特性。 Cu-Ni 合金(康铜、 Advance )元件的应变片在低温下有很大的热输出。而基底相同时,由 Karma 、 Nichrome V 制成的应变片的热输出则比 Cu-Ni 合金小。由图可见在 10~20K 的温度范围,各种应变片的热输出具有最小值。研究表明,由于镍铬改良型合金(如 Karma 等)其电阻温度系数可以根据合金组分和热处理工艺进行调整,便于制成适用于各种不同弹性体材料和温度自补偿应变片,因而目前低温自补偿应变片大都是以 Karma 等合金为敏感栅的。
    ②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 ( k ) 。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,各种电阻合金的典型性能如图 2 所示。从图可见,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 ArmourD ( Fe-Cr-Ai 合金)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。图中可见, Karma 、 Nichrome V 及 Advance 材料,拉伸和压缩变形之间灵敏系数相差比较小。

      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如图 3 所示。从图中可见, Ni-Cr 系合金(如 Karma 、 SK 等)和 Cu-Ni 合金(如 Constantan/Advance )制成的应变片,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如图 4 所示。从图中可见, Ni-Cr 系合金( KFL- 、 SK )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。

    ③磁场对应变片性能的影响

      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(如 Karma 等)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 ( a R ) ,并与传感器弹性体材料的线膨胀系数 ( a m ) 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 ( E ) 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 ( 量程 ) 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;
      (3) 磁场对 Pt-W 合金的影响,比对 Ni-Cr 系合金的影响小得多,但由于价格昂贵和温度特性差而不宜用作一般传感器。而 Karma 合金应变片,只有磁场强度在 1t 以下时呈负输出,尔后,随磁场增加而呈正的线性变化。因此传感器经过标定可以保证一定的精度范围。

    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性能有直接关系。特别是胶粘剂,它对传感器尤为重要。大量的试验证明:
      (1) 低温应变片的基底材料,一般都采用聚酰亚胺膜或者是以玻璃纤维增强的环氧 - 酚醛胶膜为宜,这些材料在低温下收缩率小,柔性好,并且与胶粘剂之间粘合效果也好。
      (2) 粘贴应变片的胶粘剂一般都采用热固性型胶粘剂如聚酰亚胺、改性的环氧 - 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,电绝缘性能好,因而传感器的蠕变、滞后及零漂小,传感器的稳定性也好。

      (3) 低温下的防护剂对提高传感器稳定性有极重要的作用。传感器应用场合,由于弹性体表面的应变片的温度由室温逐渐随着致冷介质的注入而降低。由于弹性体在冷却过程中,将空气中的微量水分吸附在弹性体表面,形成白霜。当传感器经受周期性的温度变化时,应变片表面的白霜熔化成水分,使应变片、胶粘剂吸收水分而使绝缘电阻发生变化(降低),从而引起传感器零漂,蠕变、滞后增大,严重时会使传感器失效。

      另外,当粘贴在传感器弹性体表面的应变片浸泡在低温介质内时,流过应变片内部的电流在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的热交换,这种不断的热交换也会造成传感器的零漂或不稳定,如图 6 所示。可以看出,当应变片未加防护剂(涂层)时,在室温至 -50 ° C 范围内,热输出的重复性很差(图中虚线所示)。但经施加防护涂层后,应变片的稳定性则有了很大的提高。

      深低温下的防护剂一般不宜采用室温下常用的防护剂,这是因为某些室温防护剂其硬度会随温度的降低而增加,形成一定的加强效应,而且在低温下也易发生脆裂等现象,因此,传感器用应变片的防护剂,一般可采用粘贴应变片的贴片胶如改性的环氧 - 酚醛胶, PPS 胶(聚苯硫醚)等,在应变片表面上均匀地涂上一薄层,经固化后再涂一、二次,然后最终固化处理,然后在其表面均匀地涂上一层硅脂,这样就可保证其性能稳定了。

      其调整和补偿工作比较简单;但对于变温环境条件下使用的传感器其补偿技术要求相对要高和严格得多。

      在电阻应变式传感器中,室温环境条件下使用的测力、称重传感器,在性能补偿方面技术是最成熟的,经过各种补偿和调整后的测力、称重传感器可以具有非常高的精度,大都可达 0.02~0.03%F.S 左右。对于低温电阻应变式传感器,测力、称重传感器的所有调整、补偿技术都可采用,并且其具体实施的方法也相似。但是,由于应变片在低温下性能与常温环境有很大的差别,因而具体补偿处理时必须经试验进行确定。
      由前述可知,由于 Ni-Cr 系合金的电阻温度系数 ( a R ) 可以通过调整合金成分和热处理工艺来加以调节 ,从而可制作适用于不同弹性体材料的温度自补偿应变片,减小传感器的温度影响,提高传感器的性能指标。但是, Ni-Cr 系合金在低温环境下 (10~20K) 其热输出出现逆转的现象,即谓的近藤效应(如图 7 )。
      由图可见, KFL 型应变片( Ni-Cr 系合金,聚酰亚胺基底)在 200K 附近,其热输出为零,在此以下温度时,呈现负输出。 WK 型应变片(玻璃纤维增强的环氧 - 酚醛基底, Ni-Cr 系合金),在 10~20K 左右热输出为最小值,其后由负变为正输出,在 4.2K 时有正的最大热输出。 Ni-Cr 系合金在 10~20K 温度区间,这种逆转变化,给传感器的零点温漂补偿带来一定的困难,为了减小这种影响,选用应变片时应尽量选用具有温度自补偿的。同一批的应变片,在有条件时可对应变片的温度特性进行预选,以提高桥路的补偿效果。
    三、低温电阻应变式传感器的性能试验装置
      低温电阻应变式传感器的各项性能参数必须在低温环境下进行测定,如何获得低温环境和保持低温环境这是试验工作的重要环节。
    1 、低温环境条件的获得
      低温试验时,在绝大多数情况下,是应用各种致冷剂来达到预定试验温度的,当要求的温度介于两种冷剂温度之间时,可选用较低温度的冷剂,以喷淋或辐射的形式来获取所需温度,具体方法应根据试验要求来确定。至于贮存冷剂的容器常采用金属杜瓦瓶或玻璃杜瓦容器。目前常用的冷剂及其可达到的温度列于表 2 。
    表 2 致冷剂及其温度范围

    致 冷剂

    可达到的温度

    20% 氯化铵 (NH 4 Cl)+80% 冰

    -15.4 ° C (257.8K) 以上

    24.8% 食盐 (NaCl)+75.2% 冰

    -21.3 ° C (251.9K) 以上

    19.7% 食盐 (NaCl)+17.6 氯化铵 (NH 4 Cl)+62.7% 冰

    -25 ° C (248K) 以上

    58.8% 氯化钙 (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

    冷氮气控制循环

    -78~-163 ° C

    液化天然气

    -163 ° C (110.2K)(77.4~90.2K)

    液氧

    -183 ° C (90.2K)

    液氮

    -195.8 ° C(77.4K)

    液氩

    -186 ° C(87K)

    液氢

    -252.8 ° C (20.4K)

    液氦

    -269 ° C (4.2K)

    2 、低温压力传感器性能试验测量系统

    为了研究电阻应变式压力传感器在低温下 (77~300K) 的性能参数,典型的试验装置及测试系统如图 8 所示,整个装置由四个部分组成。

    ①真空系统。由于实验温区较宽,所以要求压力腔及传感器处于较高的真空环境中( 1.3 ′ 10 -2 Pa 以上),因而有热偶真空规和电离真空管,随时监视真空罩内的真空度。
    ②压力源及测压系统。该系统由高压氮氢瓶、减压阀、标准压力表、低温压力腔、放气阀及连接管道等组成。
    ③温度测量和控制系统。低温压力腔及传感器的温度由铜 - 康铜热电偶测定。压力腔及传感器的温度系统由铂电阻温度计、加热器及低温控温仪等组成。
    ④压力传感器的信号变换及显示系统。该系统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组成。
    3 、低温引伸计试验测试系统

      为标定引伸计在低温下 (4.2~300K) 的性能,其典型的试验装置如图 9 所示。由于该系统的试验温度要按使用条件分阶段进行(如 300K 、 77K 、 20K 、 4.2K 等),所以该系统主要包括:
      ①标定机构。校准器采用专供校准引伸计用的螺旋千分尺,引伸杆置于低温杜瓦中,在其上可安装被校引伸计。
      ②低温介质容器。盛置低温介质的容器是由内外两个玻璃杜瓦组成的。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空橡皮密封。内外杜瓦及标定机构的重量是由外框架承担的。
      ③温控系统。为了调节试验温度,在装置引伸计的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,它位于标定机构的下端,功率为 0.35W 。测温元件可采用金 - 铁热电偶或铂电阻温度计。
      ④位移测量系统。引伸计的变形测量是由动态电阻应变仪和 x-y 记录仪组成。

     四、结束语
      一般市售的各种电阻应变式传感器,只能适用于常温环境( -20 ° C~+60 ° C 或 -40 ° C~+80 ° C ),对于高温或低温环境下使用的各种电阻应变式传感器,往往需要自行进行设计制作。本文主要介绍根据电阻应变片在低温下的特殊性能,以便设计人员能更好地利用其特点,制作各种性能好的传感器,目前低温下常用的电阻应变式传感器主要是压力和位移等传感器,为了确认各种传感器在低温下的性能,文中也简要介绍了低温下压力和位移传感器的标定系统,以供有关人员参考。




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