如何制作低溫環境下使用電阻應變式傳感器
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按有關電阻應變片標準規定，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。有以下四個方面，此范圍內新興產品部門包括：
(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。
低溫技術實用化，必然會引起人們對環境條件下結構安全、可靠性以及經濟性等問題注意。必要測量結構及部件低溫下應力外，還需要各種適用于低溫環境條件下電阻應變式傳感器（如低溫引伸計和低溫應力傳感器等），測定各種結構部件材料低溫下力學性能，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保證。
低溫環境特殊性，一般市售電阻應變式傳感器都不適用于低溫環境，加之低溫傳感器用量又特別少，工作中必須實際需要環境和條件，自行進行研制設計各種電阻應變式傳感器。本文主要介紹研制設計各種低溫電阻應變式傳感器時應注意幾個問題，以供參考。
二、制作低溫電阻應變式傳感器應注意若干問題
低溫電阻應變式傳感器基本結構形式與同類常溫用電阻應變式傳感器基本相同，選材、應用工藝等方面應低溫應用環境特殊性來加以選擇，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。傳感器精度要求，使用壽命及輸出靈敏度等，彈性體應變量一般控制 800~1500 m m/m 范圍內。各種典型彈性體結構計算式列于表 1 。
彈性體材料，要求其低溫范圍內，具有良好彈性，高抗拉強度，高疲勞壽命以及低溫下不發生脆性斷裂等。，一般來說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關鍵敏感元件，其性能影響著傳感器各項性能指標。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。各組成元件材料性能又直接影響著低溫應變片基本性能。
表 1 各種典型彈性體結構應變計算公式 
電阻應變式傳感器是由膠粘劑粘貼傳感器彈性體上，當外力作用下，彈性體發生變形時，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，測量電阻變化值即可知彈性體所受外力。
傳感器來說，通常都要求所用應變片熱輸出值小，這樣才能保證精度和穩定性，選擇制作應變片敏感柵材料時，必須使其與彈性體材料線膨脹系數相匹配，即： (2)
上式也是制作各種溫度自補償應變片選材基本關系式。
Kanfman 研究報告 [6] 指出了各種電阻合金低溫下熱輸出，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 ) 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 ）元件應變片低溫下有很大熱輸出。而基底相同時，由 Karma 、 Nichrome V 制成應變片熱輸出則比 Cu-Ni 合金小。由圖可見 10~20K 溫度范圍，各種應變片熱輸出具有最小值。研究表明，鎳鉻改良型合金（如 Karma 等）其電阻溫度系數可以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，目前低溫自補償應變片大都是以 Karma 等合金為敏感柵。
②溫度引起靈敏系數變化
應變片電阻變化率與所受應變量之比，通常稱為應變片靈敏系數 ( k ) 。它數值與應變片敏感元件幾何形狀及材料特性有關。一般金屬電阻材料，常溫時靈敏系數大多約為 2.0 左右。低溫環境下，靈敏系數溫度降低而增加，各種電阻合金典型性能如圖 2 所示。從圖可見，大多數電阻合金經受拉伸或壓縮時，其靈敏系數是有些差別。而穩定化 ArmourD （ Fe-Cr-Ai 合金）則差別更大。拉伸和壓縮時，靈敏系數不一致，會降低傳感器輸出靈敏度，還會增大傳感器非線性誤差。，應變測量場合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。
③磁場對應變片性能影響
(1)Ni-Cr 系合金（如 Karma 等）制成應變片，其溫度變化引起熱輸出，可以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，兩者靈敏系數相差小，傳感器受溫度變化影響也小，有利于提高傳感器低溫環境下穩定性；
(2)Cu-Ni 系合金靈敏系數隨溫度降低而降低，而 Ni-Cr 系合金靈敏系數則溫度降低而升高。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 ) 補償。另外， Ni-Cr 系合金制作應變片靈敏系數，室溫至 200K 時，呈線性增加，而后則緩慢增加， 100K 以下時，其變化則相當小。由此制成傳感器，其輸出靈敏度變化也是呈如此規律。標定溫度對靈敏度變化影響時，標定室溫至 100K 范圍內變化，而 100K 以下則可認為是不變，即可 100K 時靈敏度表示該傳感器 100K 以下時靈敏度；
(3) 磁場對 Pt-W 合金影響，比對 Ni-Cr 系合金影響小多，但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，磁場強度 1t 以下時呈負輸出，爾后，隨磁場增加而呈正線性變化。傳感器標定可以保證一定精度范圍。
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。大量試驗證明：
(1) 低溫應變片基底材料，一般都采用聚酰亞胺膜是以玻璃纖維增強環氧 - 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) 粘貼應變片膠
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