第3章 应变片1工作原理

选择粘结剂时必须考虑应变片材料
和被测件材料性能，粘接力强，机械性
能可靠，
粘合层要有足够大的剪切弹性模量，
耐油，耐老化，动态测量时耐疲劳等。
良好的电绝缘性，蠕变和滞后小，耐湿，
蠕变：在温度一定时，应变片承受
一恒定的机械应变时，指示应变随时间 变化。 还要考虑应变片的工作条件，如温 度、相对湿度、稳定性要求以及贴片固 化时加热加压的可能性等。
πE 比 1+2μ大上百倍，
1+2μ可以忽略。
dR R K E

半导体应变片的 K 比金属丝式高50～80倍，
但半导体材料的温度系数大，
应变时非线性比较严重，
使它的应用范围受到一定的限制。
应力与应变的关系：
σ= E·ε
3.2 应变片的结构、材料及粘贴 3.2.1 金属电阻应变片的结构
基片要求有良好的性能：
绝缘性能
抗潮性能
耐热性能
基片和覆盖层的材料：
胶膜 纸 玻璃纤维布等。
3.2.2 金属电阻应变片的材料
对电阻丝材料的要求：
① 灵敏系数ห้องสมุดไป่ตู้，
且在相当大的应变范围内保持常数；
② ρ 值大，即在同样长度、同样横 截面积的电阻丝中具有较大的电阻值；
③ 电阻温度系数小，否则因环境温
表3-2 常用弹性元件的结构和特性
类别 名称 平 薄 膜 薄 膜 式 挠 性 膜
px x
示 意 图
x
压 力 测 量 范 围 /kPa 最小 最大
0 ～1 0
5 0 ～1 0
输出特性
动态性质 时 间 常 数 /s 自 振 频 率 /Hz
－2 1 0－5～1 0
F( x (位 力 ) 移 )
1 0 ～1 4 0
1 0 ～1 0
弹 簧 管 式
单 圈 弹 簧 管 多 圈 弹 簧 管
px x
－1 0 ～1 0
6 0 ～1 0
x
px
—
1 00 ～10 00
x
－2 0 ～1 0 5 0 ～1 0
x
px
—
1 0 ～1 0
px
弹性元件的材料：
合金钢（40Cr， 35CrMnSiA等）
铍青铜（Qbe2，QBr2.5等）
刚度可以从弹性特性曲线上求得。
F
1
A
2 3
0 O
图3- 4 弹性特性曲线
x
2. 灵敏度
1 dx S C dF
S是单位力作用下弹性元件产生变形 的大小， 灵敏度大，表明弹性元件软，变形大。
与 C 相似，如果弹性特性是线性的，
则 S 为一常数。
若弹性特性是非线性的，则 S 为一
变数， 即表示此弹性元件在弹性变形范围 内，各处由单位力产生的变形大小是不 同的。
作业
P58
3 —1
3 —1 什么叫应变效应？什么是压 阻效应？利用应变效应和压阻效应解 释金属电阻应变片和半导体应变片的 工作原理。
引线
覆盖层
基片
l 电阻丝式敏感栅
b
敏感栅是应变片的核心部分，它粘
贴在绝缘的基片上，其上再粘贴起保护
作用的覆盖层，两端焊接引出导线。
金属电阻应变片的敏感栅的形式：
丝式和箔式，
丝式敏感栅的直径0.01～0.05mm ，
平行排列而成。
箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工
艺制成的很薄的金属箔栅， 其厚度为0.003~0.01mm，可制成各
长度不变，应变状态相同， 但由于敏感栅的电阻变化减小， 因而其灵敏系数 K 较整长电阻丝的 灵敏系数 K0 小，
称为应变片的横向效应。
为了减小横向效应产生的测量误差， 多采用箔式应变片。
3. 绝缘电阻和最大工作电流
已粘贴的应变片的引线与被测件之 间的电阻值 Rm 。
通常要求 Rm 在 50~100 MΩ以上。
弹性元件首先把力、力矩或压力变
换成应变或位移，
然后传递给粘贴在弹性元件上的应 变片，通过应变片将力、力矩或压力转
换成相应的电阻值。
弹性元件的基本特性：
1. 刚度
刚度是弹性元件受外力作用下变形 大小的量度，其定义是弹性元件单位变
形时所需要的力。
F dF C lim x dx
F——外力，牛顿（N）； x—变形，毫米（mm）。
图3-5 应变片轴向受力及横向效应 （a） 应变片及轴向受力图； （b） 应变片的横向效应图
应变片承受轴向应力而产生纵向拉
应变εx 时， 各直线段的电阻将增加，
但在半圆弧段则受到从 +εx 到
—μεx 之间变化的应变 ， 其电阻的变化将小于沿轴向安放的
同样长度电阻丝电阻的变化。
将直的电阻丝绕成敏感栅后，虽然
将伸长Δl，
横截面积相应减小ΔA，
电阻率因材料晶格发生变形等因素 影响而改变了dρ， 从而引起电阻值相对变化量为
dR dl dA d R l A
dl/l——长度相对变化量，称为应变
dl l
dA dr ， 2 A r
dl/l=ε为金属电阻丝的轴向应变，轴 向应变和径向应变的关系为
对金属材料，
1+2μ的值要比(dρ/ρ)/ε大得多，
而半导体材料的(dρ/ρ)/ε项的值比 1+2μ大得多。 在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对
变化与应变成正比，即K为常数。
3.1.2 半导体电阻应变片的工作原理
半导体应变片是用半导体材料制成 的，其工作原理是基于半导体材料的压 阻效应。 压阻效应： 当半导体材料受到某一轴向外力作 用时，其电阻率ρ发生变化的现象。
R Kt R
εt 为应变片的轴向应变 K=(ΔR/R)/εt 为应变片的灵敏系数。 应变片的灵敏系数 K 并不等于其敏 感栅整长应变丝的灵敏系数K0， K < K0 因为，在单向应力产生应变时， K 除受到敏感栅结构形状、成型工艺、粘 结剂和基底性能的影响外，尤其受到栅 端圆弧部分横向效应的影响。
绝缘电阻下降将使测量系统的灵敏 度降低， 使应变片的指示应变产生误差。
Rm取决于粘结剂及基底材料的种类 及固化工艺。 在常温下要采取防潮措施， 在中温或高温条件下，要选取电绝 缘性能良好的粘结剂和基底材料。
最大工作电流是指已安装的应变片
允许通过敏感栅而不影响其工作特性的 最大电流Imax。
工作电流大，输出信号也大，灵敏 度就高。
康铜的特性： 灵敏系数稳定性好，
不但在弹性变形范围内能保持为常数，
进入塑性变形范围内也基本上能保 持为常数；
康铜的电阻温度系数较小且稳定，
采用合适的热处理工艺时，可使电
阻温度系数在±50×10—6/℃的范围内；
康铜的加工性能好，易于焊接，
国内外多以康铜作为应变丝材料。
3.2.3 金属电阻应变片的粘贴 应变片用粘结剂粘贴到被测件上。 粘结剂形成的胶层必须准确迅速地 将被测件的应变传递到敏感栅上。
当半导体应变片受轴向力作用时，
dR d (1 2 ) R
d

E
π—— 半导体材料的压阻系数；
σ—— 半导体材料所受应变力; E—— 半导体材料的弹性模量;
ε—— 半导体材料的应变。
dR (1 2 E ) R
对于半导体应变片，
3.1 工 作原理 3.1.1 金属电阻应变片的工作原理
电阻应变效应：
导体在外界力的作用下产生机械变 形（拉伸或压缩）时， 其电阻值相应发生变化。
一根金属电阻丝，未受力时，原始 电阻值为
R
l
A
当电阻丝受到拉力 F 作用时，
l
l
F r
r
F
图3-1 金属电阻丝应变效应
当电阻丝受到拉力 F 作用时，
不锈钢（1Cr18Ni9Ti等） 传感器中弹性元件的输入量是力或 压力，输出量是应变或位移。
3.3.2 电阻应变片的静态特性
应变片的电阻值是指应变片没有粘贴 且未受应变时，在室温下测定的电阻值，
即初始电阻。
60Ω、120 Ω 、250 Ω、350 Ω、1000 Ω
1. 灵敏系数
当具有初始电阻值 R 的应变片粘贴 于试件表面时，试件受力引起的表面应 变，将传递给应变片的敏感栅，使其产 生电阻相对变化ΔR/R。
dr dl r l
μ为电阻丝材料的泊松比， 负号表示应变方向相反。
d dR R (1 2 )


单位应变所引起的电阻相对变化量 称为电阻丝的灵敏系数。
d dR R K 1 2


K 受两个因素影响： 一个是应变片受力后材料几何尺寸 的变化，即1+2μ； 另一个是应变片受力后材料的电阻 率发生的变化，即（dρ/ρ）/ε。
应变片的灵敏系数直接关系到应变 测量的精度。 ① 试件材料取泊松比μ0=0.285的钢材；
实测k（标称灵敏系数），所需测试条件：
② 试件单向受力；
③ 应变片轴向与主应力方向一致。
2. 横向效应 应变片的敏感栅是由 n 条直线段和
n-1个半圆圆弧组成。
r F
l1
y x r
F
a
l
(a) (b)
第3章 应变式传感器 3.1 工作原理 3.2 应变片的结构、材料及粘贴 3.3 电阻应变片的特性 3.4 电阻应变片的测量电路 3.5 应变片传感器的应用
应 变
电阻应变片 （应变片）
电阻 变化
电阻应变式传感器：结构简单、体积小、
测量范围广、频率响应特性好、适合动态 和静态测量、使用寿命长、性能稳定可 靠……
度变化也会改变其阻值； ④ 与铜线的焊接性能好，
与其它金属的接触电势小；
⑤ 机械强度高，
具有优良的机械加工性能。
表3-1 常用金属电阻丝材料的性能
康铜（镍Ni：45％；铜Cu：55％） 是目前应用最广泛的应变丝材料。
镍：近似银白色、硬而有延展性并 具有铁磁性的金属元素, 它能够高度磨光和抗腐蚀。
粘结剂类型：
硝化纤维素型
氰基丙稀酸型
聚酯树脂型
环氧树脂型 酚醛树脂型等。
3.3 电阻应变片的特性 3.3.1 弹性敏感元件及其基本特性 物体在外力作用下改变原来尺寸或 形状的现象称为变形， 而当外力去掉后物体又能完全恢复 其原来的尺寸和形状，称为弹性变形。 具有弹性变形特性的物体称为弹性 元件。
种形状的敏感栅（即应变花）。
箔式应变片的优点： 表面积和截面积之比大， 散热性能好， 允许通过的电流较大， 可制成各种形状，便于批量生产。
覆盖层与基片将敏感栅紧密地粘贴 在中间， 对敏感栅起几何形状的固定和绝缘、 保护作用。 基片将被测体的应变准确地传递到 敏感栅上， 基片很薄，0.03～0.06mm, 基片与被测体及敏感栅能牢固地粘 合在一起。
px x
－3 0 ～1 0 3 0 ～1 0
px
波 纹 膜
F
－1 1 0－2～1 0
1 0 ～1 0
x
px px
－5 0 ～1 0
2 0 ～1 0
F,
x
px
1 0－2～1
1 ～1 0
表3-2 常用弹性元件的结构和特性
波 纹 管 式
x
波 纹 管
px
－3 0 ～1 0
3 0 ～1 0
x
px
－1 1 0－2～1 0
但工作电流过大会使应变片过热， 灵敏系数产生变化，零漂及蠕变增加， 甚至烧毁应变片。
工作电流的选取要根据试件的导热 性能及敏感栅形状和尺寸来决定。
通常静态测量时取25mA左右。
动态测量时取75～100mA。
箔式应变片散热条件好，电流可取 更大一些。 在测量塑料、玻璃、陶瓷等导热性
差的材料时，电流可取小一些。