一、什么是低溫環(huán)境

應(yīng)用電阻應(yīng)變片為敏感元件制成的各種電阻應(yīng)變式傳感器（尤其采用濺射工藝制成的納米薄膜壓力傳感器）由于其具有精度高、穩(wěn)定性好、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，因而在工業(yè)各部門中廣泛獲得應(yīng)用，并且在力學(xué)量傳感器中，電阻應(yīng)變式傳感器至今仍占有主導(dǎo)地位。一般的電阻應(yīng)變式傳感器都是適用于室溫（常溫）環(huán)境。按有關(guān)電阻應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，所謂低溫環(huán)境是指-30~-160℃，而極低溫是指-162℃（液化天然氣 LNG ）至液氦（ Lhe）所能達(dá)到的溫度。

二、低溫環(huán)境有那些應(yīng)用場(chǎng)景

(1) 超導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)：發(fā)電、輸電系統(tǒng)，磁懸浮列車等； (2) 液氫（LH2 ，-253 ℃）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)、冷凍部門應(yīng)用等。

三、與低溫環(huán)境相關(guān)的技術(shù)

由于低溫環(huán)境的特殊性，低溫技術(shù)的實(shí)用化，必然會(huì)引起人們對(duì)在環(huán)境條件下的結(jié)構(gòu)的安全、可靠性以及經(jīng)濟(jì)性等問(wèn)題的注意。除了必要的測(cè)量結(jié)構(gòu)及部件在低溫下的應(yīng)力外，還需要各種適用于低溫環(huán)境條件下的應(yīng)變式壓力傳感器，以便測(cè)定各種結(jié)構(gòu)部件材料在低溫下的力學(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)行安全提供可靠的保證。

四、低溫應(yīng)變式壓力傳感器設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問(wèn)題

1 、壓力傳感器彈性體的設(shè)計(jì)與選擇

低溫應(yīng)變式壓力傳感器彈性體設(shè)計(jì)準(zhǔn)則基本與各類高溫用應(yīng)變式壓力傳感器相同。根據(jù)傳感器精度要求，使用壽命及輸出靈敏度等，彈性體的應(yīng)變量一般控制在800~1500 mm/m 范圍內(nèi)。對(duì)于彈性體材料，要求其在低溫范圍內(nèi)，具有良好的彈性，高的抗拉強(qiáng)度，高的疲勞壽命以及在低溫下不發(fā)生脆性斷裂等。因此，一般來(lái)說(shuō)常溫用的彈性體材料大都可以選用。但目前，對(duì)于壓力傳感器常選用不銹鋼、鋁合金、鈹青銅及殷鋼等，而對(duì)于引伸計(jì)等傳感器可選用鈹青銅、鈦合金等材料。

2 、低溫電阻應(yīng)變膜與應(yīng)變片

低溫應(yīng)變片是低溫電阻應(yīng)變式壓力傳感器的關(guān)鍵敏感元件，其性能影響著傳感器的各項(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。各組成元件的材料性能又直接影響著低溫應(yīng)變片的基本性能。

3、溫度變化引起的熱輸出

電阻應(yīng)變式壓力傳感器是由膠粘劑粘貼在傳感器的彈性體上，當(dāng)在外力作用下，彈性體發(fā)生變形時(shí)，彈性體的變形通過(guò)膠粘劑層傳遞到敏感柵上，從而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性關(guān)系，因而測(cè)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(shí)際工作狀態(tài)，彈性體不僅受到外力，而且還往往受到環(huán)境溫度變化的影響，應(yīng)變片受溫度變化引起的虛假輸出通常稱為熱輸出。其值與應(yīng)變片敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)、靈敏系數(shù)、線膨脹系數(shù)、彈性體材料的線膨脹系數(shù)以及溫度變化等有關(guān)，即對(duì)于傳感器來(lái)說(shuō)，通常都要求所用的應(yīng)變片的熱輸出值小，只有這樣才能保證精度和穩(wěn)定性，因而在選擇制作應(yīng)變片的敏感柵材料時(shí)，必須使其與彈性體材料的線膨脹系數(shù)相匹配。

4、溫度引起的靈敏系數(shù)的變化

應(yīng)變片的電阻變化率與所受應(yīng)變量之比，通常稱為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。它的數(shù)值與應(yīng)變片敏感元件的幾何形狀及材料特性有關(guān)。一般的金屬電阻材料，在常溫時(shí)的靈敏系數(shù)大多約為 2.0 左右。在低溫環(huán)境下，靈敏系數(shù)隨著溫度的降低而增加。大多數(shù)電阻合金在經(jīng)受拉伸或壓縮時(shí)，其靈敏系數(shù)是有些差別的。而穩(wěn)定化則差別更大。拉伸和壓縮時(shí)，靈敏系數(shù)的不一致，不僅會(huì)降低傳感器的輸出靈敏度，還會(huì)增大傳感器非線性誤差。因此，無(wú)論在應(yīng)變測(cè)量場(chǎng)合還是制作低溫用電阻應(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)相差小的材料。

電阻合金元件的靈敏系數(shù)變化，若以室溫為基準(zhǔn)，則其在高溫區(qū)和低溫區(qū)的變化其靈敏系數(shù)隨溫度變化的規(guī)律恰恰相反。 Ni-Cr 系合金，隨著溫度降低，其靈敏系數(shù)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(shù)也隨之降低。但是，其拉伸和壓縮時(shí)兩者靈敏系數(shù)之差比 Ni-Cr 系合金大。在室溫至 4.2K 溫度范圍內(nèi)， Ni-Cr 系合金制成的應(yīng)變片的靈敏系數(shù)特性從室溫至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(shí)幾乎不增加。

綜上所述，低溫電阻應(yīng)變式傳感器宜選用 Ni-Cr 系合金制成的應(yīng)變片，其原因?yàn)椋?/strong>