电阻应变片(计)简介

电阻应变片（计）简介

电阻应变式传感器是目前应用最广泛的传感器之一。它由弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成，可根据具体测量要求设计成多种结构形式。弹性敏感元件受到所测量的力而产生变形，并使附着其上的电阻应变计一起变形。电阻应变计再将变形转换为电阻值的变化，从而可以测量力、压力、扭矩、位移、加速度和温度等多种物理量。电阻应变式传感器已广泛应用于航空、机械、电力、化工、建筑、医疗等领域中。

电阻应变式传感器的主要优点是结构简单，使用方便，灵敏度高，性能稳定、可靠，测量速度快，适合静态、动态测量。

1.电阻应变片（计）工作原理

设有一个金属电阻丝， 如图1-1所示，当金属丝未受力时，原始电阻值为

S L R ρ=

（式1）

式中：R 为金属丝的电阻；

ρ为金属丝的电阻率；

L 为金属丝的长度；

S 为金属丝的截面积；

图 1-1 金属电阻丝力变形情况

当金属丝受到拉力F 作用时，将伸长△L ，横截面积相应减小ΔS ，电阻率因金属晶格发生形变等因素的影响也将改变△ρ，从而引起金属丝电阻的改变。 对式1作全微分，有

ρρρ

d S

L dS S L

dL S dR +-=2 （式2） 式2左边除R ，右边除ρL/S 得

ρ

ρd S dS L dL R dR +-= （式3） 若金属丝的截面是圆形的，则2

r S π=(r 为金属丝的半径)。对S 作微分得，rdr dS π2=则

r

dr S dS 2= （式4） 令金属丝的轴向应变为

L

dL x =ε （式5）

金属丝的径向应变为

x y μεε-= （式6）

式中：μ为金属丝材料的泊松系数，负号表示应变方向相反。

将式3—6代入式2得：

x x d R

dR ερρμε/)21(/+

+= （式7） 令 x x s d R dR K ερρμε/)21(/++== （式8）

则Ks 称为金属丝的灵敏系数，其物理意义为单位应变所引起的电阻阻值的相对变化。显然，Ks 越大，单位应变引起的电阻阻值的相对变化越大，故越灵敏。

从式8可以看出，金属丝的灵敏系数Ks 由两个因素决定：第一项（1+2μ），它是由于金属丝受拉伸力作用后，材料的几何尺寸发生变化而引起的；第二项x d ερ

ρ/，它

是由于材料发生变形时，其自由电子的活动能力和数量均发生了变化而引起的。对于金属丝来说，第一项的值要比第二项的值大的多。

2.电阻应变片的结构

电阻应变片(简称应变片或应变计)种类繁多, 形式多样, 但其基本构造大体相似。现以常见的丝绕式应变片为例进行说明。

图1- 2为丝绕式应变片的结构示意图。它是由敏感栅、基底、覆盖层和引线等部分组成的。图中，l 称为应变片的标距或基长，它是敏感栅沿轴向测量变形的有效长度；宽度b 指最外两敏感栅外侧之间的距离。

图 1-2 电阻丝应变片的基本结构

敏感栅是以直径为0.01~0.05 mm 左右的高电阻率的合金电阻丝绕成的。敏感栅是应变片的核心部分，其作用是敏感应变的大小。敏感栅粘贴在绝缘的基底上，其上再粘贴起保护作用的覆盖层，两端焊接引出导线。敏感栅常用的材料有铜镍合金(俗称康铜)、 镍铬合金及镍铬改良性合金、铁铬铝合金、镍铬铁合金及铂金。

基底的作用是固定敏感栅，并使敏感栅与弾性元件相互绝缘。基底要将被测体的应变准确地传速到敏感栅上，因此它很薄，一般为0.03~0.06 mm ，使它与被测体及敏感

栅能牢固地粘接在一起。对基底材料的要求是挠性好，具有一定的机械强度，粘接性能和绝缘性能好，蠕变和滞后小，不吸潮，热稳定性能好等。常用的基底材料有纸、胶膜和玻璃纤维布等。

覆盖层的作用是保护敏感栅，使其避免受到机械损伤或防止高温氧化及防潮、防蚀、防损等。保护片的材料常釆用做基底的胶膜或浸含有机液(例如环氧树脂、酚醛树脂等)的玻璃纤维布，也可以用在敏感栅上涂覆制片时所用的胶黏剂作为保护层。

引线是连接敏感栅和测量电路的丝状或带状的金属导线。一般要求引线具有低的、稳定的电阻率及小的电阻温度系数。一般釆用焊接方便的镀锡软铜线。

3.电阻应变片的种类

电阻应变片的种类繁多，形式多样，常按照应变片构造的材料进行分类，可分为金属应变片和半导体应变片两大类。其中，金属应变片又分为体型(箔式、丝式)和薄膜式；

半导体应变片又分为体型、薄膜型、扩散型、PN结型及其他型。

下面介绍几种常用的应变片及其特点。

（1）丝式应变片

丝式应变片又分为回线式和短接式两类。

1）回线式应变片是一种常用的应变片，它是将电阻丝绕成敏感栅粘接在各种绝缘基底上而制成的。它制作简单、性能稳定、价格便宜、易于粘贴。敏感栅直径为

0.012~0.05mm，以0.025 mm为常用。基底很薄(一般在0.03 mm左右)。引线多用直径

为0.15~0.30 mm的镀锡铜线与敏感栅连接。图1-3(a)所示为常见的回线式应变片的构造图。

2）短接式应变片是将敏感栅平行安放, 两端用直径比栅径直径大5~10 倍的镀银丝短接而构成的，如图1-3(b)所示。这种应变片突出优点是克服了回线式应变片的横向效应。但由于焊点多，在冲击、振动条件下，易在焊接点处出现疲劳破坏的现象，对制造工艺的要求高。

图1-3 丝式应变片（a）回线式（b）短接式

（2）箔式应变片

这类应变片是利用照相制板或光刻腐蚀的方法，将电阻箔材在绝缘基底上制成各种图形而成的应变片，箔材厚度多为0.001~0.01mm，所用材料以康铜和镍铬合金为主。

基底可用环氧树酯、酚醛或酚醛树脂等。利用光刻技术，可以制成适用各种需要的、形状美观的称为应变花的应变片。图1-4所示为一种箔式应变片的构造形式。