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、價格便宜等特點，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)變標準的規(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）所能達到的溫度。

二、低溫環(huán)境有那些應(yīng)用場景

(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)動機等； (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)的實用化，必然會引起人們對在環(huán)境條件下的結(jié)構(gòu)的安全、可靠性以及經(jīng)濟性等問題的注意。除了必要的測量結(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)測應(yīng)用過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)計應(yīng)注意的問題

1 、壓力傳感器彈性體的設(shè)計與選擇

低溫應(yīng)變式壓力傳感器彈性體設(shè)計準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(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性能指標。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，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(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(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)，即對于傳感器來說，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，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，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，靈敏系數(shù)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(yīng)變測量場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，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，其原因為：

(1)Ni-Cr 系合金制成的應(yīng)變片，其溫度變化引起的熱輸出，可以通過調(diào)整合金組分和熱處理工藝來改變其電阻溫度系數(shù)，并與傳感器彈性體材料的線膨脹系數(shù)相匹配，制成溫度自補償應(yīng)變片，應(yīng)變片受拉伸和壓縮變形時，兩者的靈敏系數(shù)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(huán)境下的穩(wěn)定性；

(2)Cu-Ni 系合金的靈敏系數(shù)隨溫度降低而降低，而 Ni-Cr 系合金的靈敏系數(shù)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補償。另外， Ni-Cr 系合金制作的應(yīng)變片的靈敏系數(shù)，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(dāng)小。由此制成的傳感器，其輸出靈敏度變化也是呈如此規(guī)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(nèi)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。