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如何制作低溫環(huán)境下使用電阻應(yīng)變式傳感器

作者: 時(shí)間:2011-03-11 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
應(yīng)用電阻應(yīng)變片為敏感元件制成各種電阻應(yīng)變式(如測(cè)力、稱重、位移、加速度及扭矩),其具有精度高、穩(wěn)定性好、制作簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜,以及電信號(hào)易與后續(xù)測(cè)控儀器相匹配等特點(diǎn),工業(yè)各部門中廣泛獲應(yīng)用,力學(xué)量中,電阻應(yīng)變式傳感器至今仍占有主導(dǎo)位。,一般電阻應(yīng)變式傳感器都是適用于室溫(常溫)環(huán)境,使用溫度范圍為 -20~+60 ° C 或 -40~+80 ° C ,對(duì)此溫度范圍以上或以下溫度范圍傳感器,國(guó)內(nèi)外研究和公開資料很多,而低溫電阻應(yīng)變式傳感器資料則更少。

按有關(guān)電阻應(yīng)變片標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,所謂低溫環(huán)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(dá)到溫度,本文所涉及低溫就是上述極低溫或深低溫范圍。有以下四個(gè)方面,此范圍內(nèi)新興產(chǎn)品部門包括:

(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( LH 2 , -253 ° C )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。

低溫技術(shù)實(shí)用化,必然會(huì)引起人們對(duì)環(huán)境條件下結(jié)構(gòu)安全、可靠性以及經(jīng)濟(jì)性等問(wèn)題注意。必要測(cè)量結(jié)構(gòu)及部件低溫下應(yīng)力外,還需要各種適用于低溫環(huán)境條件下電阻應(yīng)變式傳感器(如低溫引伸計(jì)和低溫應(yīng)力傳感器等),測(cè)定各種結(jié)構(gòu)部件材料低溫下力學(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)行安全提供可靠保證。

低溫環(huán)境特殊性,一般市售電阻應(yīng)變式傳感器都不適用于低溫環(huán)境,加之低溫傳感器用量又特別少,工作中必須實(shí)際需要環(huán)境和條件,自行進(jìn)行研制設(shè)計(jì)各種電阻應(yīng)變式傳感器。本文主要介紹研制設(shè)計(jì)各種低溫電阻應(yīng)變式傳感器時(shí)應(yīng)注意幾個(gè)問(wèn)題,以供參考。

二、制作低溫電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)注意若干問(wèn)題

低溫電阻應(yīng)變式傳感器基本結(jié)構(gòu)形式與同類常溫用電阻應(yīng)變式傳感器基本相同,選材、應(yīng)用工藝等方面應(yīng)低溫應(yīng)用環(huán)境特殊性來(lái)加以選擇,通常應(yīng)注意以下幾個(gè)方面。

1 、傳感器彈性體設(shè)計(jì)和材料選擇

低溫電阻應(yīng)變式傳感器彈性體設(shè)計(jì)準(zhǔn)則基本與各類高溫用電阻應(yīng)變式傳感器相同。傳感器精度要求,使用壽命及輸出靈敏度等,彈性體應(yīng)變量一般控制 800~1500 m m/m 范圍內(nèi)。各種典型彈性體結(jié)構(gòu)計(jì)算式列于表 1 。

彈性體材料,要求其低溫范圍內(nèi),具有良好彈性,高抗拉強(qiáng)度,高疲勞壽命以及低溫下不發(fā)生脆性斷裂等。,一般來(lái)說(shuō)常溫用彈性體材料大都可以選用。但目前,壓力傳感器常選用不銹鋼、鋁合金、鈹青銅及殷鋼等,而引伸計(jì)等傳感器可選用鈹青銅、鈦合金等材料。

2 、低溫電阻應(yīng)變片

低溫應(yīng)變片是低溫電阻應(yīng)變式傳感器關(guān)鍵敏感元件,其性能影響著傳感器各項(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。各組成元件材料性能又直接影響著低溫應(yīng)變片基本性能。

表 1 各種典型彈性體結(jié)構(gòu)應(yīng)變計(jì)算公式
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①溫度變化引起熱輸出

電阻應(yīng)變式傳感器是由膠粘劑粘貼傳感器彈性體上,當(dāng)外力作用下,彈性體發(fā)生變形時(shí),彈性體變形膠粘劑層傳遞到敏感柵上,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,測(cè)量電阻變化值即可知彈性體所受外力。

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傳感器實(shí)際工作狀態(tài),彈性體受到外力,還往往受到環(huán)境溫度變化影響,應(yīng)變片受溫度變化引起虛假輸出通常稱為熱輸出 ( e t ) 。其值與應(yīng)變片敏感柵材料電阻溫度系數(shù) ( a R ) 、靈敏系數(shù) ( k ) 、線膨脹系數(shù) ( a g ) 、彈性體材料線膨脹系數(shù) ( a m ) 以及溫度變化 ( D t ) 等有關(guān),即: (1)

傳感器來(lái)說(shuō),通常都要求所用應(yīng)變片熱輸出值小,這樣才能保證精度和穩(wěn)定性,選擇制作應(yīng)變片敏感柵材料時(shí),必須使其與彈性體材料線膨脹系數(shù)相匹配,即: (2)

上式也是制作各種溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片選材基本關(guān)系式。

Kanfman 研究報(bào)告 [6] 指出了各種電阻合金低溫下熱輸出,典型結(jié)構(gòu)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(wěn)定化 Armour D(Fe-Cr-Al 合金 ) 特性,從室溫至 4.2K(LHe) 范圍,各種敏感元件具有各有不相同溫度特性。 Cu-Ni 合金(康銅、 Advance )元件應(yīng)變片低溫下有很大熱輸出。而基底相同時(shí),由 Karma 、 Nichrome V 制成應(yīng)變片熱輸出則比 Cu-Ni 合金小。由圖可見(jiàn) 10~20K 溫度范圍,各種應(yīng)變片熱輸出具有最小值。研究表明,鎳鉻改良型合金(如 Karma 等)其電阻溫度系數(shù)可以合金組分和熱處理工藝進(jìn)行調(diào)整,便于制成適用于各種不同彈性體材料和溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片,目前低溫自補(bǔ)償應(yīng)變片大都是以 Karma 等合金為敏感柵。

②溫度引起靈敏系數(shù)變化

應(yīng)變片電阻變化率與所受應(yīng)變量之比,通常稱為應(yīng)變片靈敏系數(shù) ( k ) 。它數(shù)值與應(yīng)變片敏感元件幾何形狀及材料特性有關(guān)。一般金屬電阻材料,常溫時(shí)靈敏系數(shù)大多約為 2.0 左右。低溫環(huán)境下,靈敏系數(shù)溫度降低而增加,各種電阻合金典型性能如圖 2 所示。從圖可見(jiàn),大多數(shù)電阻合金經(jīng)受拉伸或壓縮時(shí),其靈敏系數(shù)是有些差別。而穩(wěn)定化 ArmourD ( Fe-Cr-Ai 合金)則差別更大。拉伸和壓縮時(shí),靈敏系數(shù)不一致,會(huì)降低傳感器輸出靈敏度,還會(huì)增大傳感器非線性誤差。,應(yīng)變測(cè)量場(chǎng)合制作低溫用電阻應(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)相差小材料。圖中可見(jiàn),Karma 、 Nichrome V 及 Advance 材料,拉伸和壓縮變形之間靈敏系數(shù)相差比較小。

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電阻合金元件靈敏系數(shù)變化,若以室溫為基準(zhǔn),則其高溫區(qū)和低溫區(qū)變化如圖 3 所示。從圖中可見(jiàn), Ni-Cr 系合金(如 Karma 、 SK 等)和 Cu-Ni 合金(如 Constantan/Advance )制成應(yīng)變片,其靈敏系數(shù)隨溫度變化規(guī)律恰恰相反。 Ni-Cr 系合金,溫度降低,其靈敏系數(shù)隨之升高,而 Cu-Ni 系合金低溫下,溫度降低,其靈敏系數(shù)也隨之降低。其拉伸和壓縮時(shí)兩者靈敏系數(shù)之差比 Ni-Cr 系合金大

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室溫至 4.2K 溫度范圍內(nèi), Ni-Cr 系合金制成應(yīng)變片靈敏系數(shù)特性如圖 4 所示。從圖中可見(jiàn), 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, 100K 以下溫度時(shí)幾乎不增加。

③磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)變片性能影響

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綜上所述,低溫電阻應(yīng)變式傳感器宜選用 Ni-Cr 系合金制成應(yīng)變片,其原:

(1)Ni-Cr 系合金(如 Karma 等)制成應(yīng)變片,其溫度變化引起熱輸出,可以調(diào)整合金組分和熱處理工藝來(lái)改變其電阻溫度系數(shù) ( a R ) ,并與傳感器彈性體材料線膨脹系數(shù) ( a m ) 相匹配,制成溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片,應(yīng)變片受拉伸和壓縮變形時(shí),兩者靈敏系數(shù)相差小,傳感器受溫度變化影響也小,有利于提高傳感器低溫環(huán)境下穩(wěn)定性;

(2)Cu-Ni 系合金靈敏系數(shù)隨溫度降低而降低,而 Ni-Cr 系合金靈敏系數(shù)則溫度降低而升高。這種傾向與傳感器彈性體材料彈性模量 ( E ) 隨溫度降低而升高趨向是一致,有利于傳感器靈敏度 ( 量程 ) 補(bǔ)償。另外, Ni-Cr 系合金制作應(yīng)變片靈敏系數(shù),室溫至 200K 時(shí),呈線性增加,而后則緩慢增加, 100K 以下時(shí),其變化則相當(dāng)小。由此制成傳感器,其輸出靈敏度變化也是呈如此規(guī)律。標(biāo)定溫度對(duì)靈敏度變化影響時(shí),標(biāo)定室溫至 100K 范圍內(nèi)變化,而 100K 以下則可認(rèn)為是不變,即可 100K 時(shí)靈敏度表示該傳感器 100K 以下時(shí)靈敏度;

(3) 磁場(chǎng)對(duì) Pt-W 合金影響,比對(duì) Ni-Cr 系合金影響小多,但價(jià)格昂貴和溫度特性差而不宜用作一般傳感器。而 Karma 合金應(yīng)變片,磁場(chǎng)強(qiáng)度 1t 以下時(shí)呈負(fù)輸出,爾后,隨磁場(chǎng)增加而呈正線性變化。傳感器標(biāo)定可以保證一定精度范圍。

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3 、低溫膠粘劑和防護(hù)劑

膠粘劑和防護(hù)劑對(duì)低溫電阻應(yīng)變式傳感器性能有直接關(guān)系。特別是膠粘劑,它對(duì)傳感器尤為重要。大量試驗(yàn)證明:

(1) 低溫應(yīng)變片基底材料,一般都采用聚酰亞胺膜是以玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧 - 酚醛膠膜為宜,這些材料低溫下收縮率小,柔性好,與膠粘劑之間粘合效果也好。

(2) 粘貼應(yīng)變片膠

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