电阻应变片的结构及工作原理
电阻应变计(应变片)原理
图 2-1 电阻应变计的结构
图 2-2 敏感栅的尺寸
敏感栅是电阻应变计的核心组成部分，它的特性对于电阻应变计的性能有决定性的影 响。为了改善电阻应变计的性能，人们探索了多种材料的应变－电阻特性，从而发展了敏感 栅材料，包括金属、半导体和金属氧化物等。目前常用的金属敏感栅材料主要有铜镍合金、 镍铬合金、镍钼合金、铁基合金、铂基合金、钯基合金等。以金属材料为敏感栅的电阻应变 计的灵敏系数大都在 2.0 ～4.0 间。硅、锗等半导体材料由于具有压阻效应，所有也被人们 用作敏感栅的材料，以半导体材料为敏感栅的电阻应变计的灵敏系数大都在 150 左右，远高 于以金属材料为敏感栅的电阻应变计。
保证相同，使应变计性能分散，故在常温应变测量中正逐步被其它片种代替。
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图 2-3 丝绕式应变计
图 2-4 短接式应变计
2. 短接式应变计 短接式应变计也有纸基和胶基等种类。短接式应变计由于在横向用粗铜导线短接，因而 横向效应系数很小 (<0.1％)，这是短接式应变计的最大优点。另外，在制造过程中敏感栅的 形状较易保证，故测量精度高。但由于它的焊点多，焊点处截面变化剧烈，因而这种应变计 疲劳寿命短。 2.3.2 金属箔式应变计 箔式应变计的敏感栅是用厚度为 0.002～0.005 毫米的铜镍合金或镍铬合金的金属箔，采 用刻图、制版、光刻及腐蚀等工艺过程而制成（见图 2-5）。基底是在箔的另一面涂上树脂 胶，经过加温聚合而成，基底的厚度一般为 0.03～0.05mm。 与丝绕式应变计相比，箔式应变计的优点是： 1. 敏感栅很薄，且箔材与粘合层的接触面积要比丝材的大，因而粘贴牢固，有利于变
形传递，因而它所感受的应变状态与试件表面的应变状态更为接近，测量精度高； 2. 敏感栅薄而宽，在相同的横截面积条件下，箔栅的表面积比丝栅的要大，散热性好，
土木工程试验中电阻应变片的工作原理
土木工程试验中电阻应变片的工作原理土木工程试验中电阻应变片是一种常用的测量技术，用于测量物体的应变，从而评估物体的强度和稳定性。
本文将分步骤阐述电阻应变片的工作原理。
1. 电阻应变片的基本原理电阻应变片是一种具有高灵敏度的应变测量传感器。
它的工作原理是基于电阻材料在受到应变时电阻值的变化。
电阻应变片最常用的材料是金属，如钨、铂、镍铬合金等。
当应变产生时，电阻片内部的电阻值发生变化，这种变化可以通过电路测量到。
2. 电阻应变片的制作和安装电阻应变片的制作一般采用微机电系统或薄膜技术，将金属薄膜贴在载体上，形成电阻应变片。
为了提高其灵敏度和精度，一般要求电阻片的基底和载体材料要有相同的热膨胀系数。
在土木工程试验中，电阻应变片通常需要粘贴在被测物体表面，固定在应力集中区域。
应变测量传感器的轴向方向一般选择与最大主应力方向相一致，便于精确测量最大主应力的值。
3. 电阻应变片的信号放大和灵敏度校准电阻应变片测量的电阻值变化非常小，需要通过信号放大器来放大测量信号。
信号放大器可以将信号的幅值扩大数百倍，从而提高测量的精度和可靠性。
电阻应变片的灵敏度一般在设计时可以预先调整。
在现场应用时，可以通过灵敏度校准来进一步提高测量的准确度。
灵敏度校准需要在使用额定输入电压的情况下进行，将应变片拉伸到一定程度，然后根据变化的电阻值计算其灵敏度。
4. 电阻应变片的应用范围电阻应变片在土木工程试验中应用广泛，特别是在建筑结构实验中。
应变测量传感器可以被用来衡量结构体的变形、应变和应力，帮助工程师优化结构设计并确保其强度和稳定性。
另外，电阻应变片还可以用于桥梁试验、隧道监测和地基沉降测量等领域。
这些应用领域需要高度精确的应变测量，电阻应变片的高灵敏度和可靠性使其成为首选测量工具。
总之，电阻应变片是一种精确的应变测量传感器，广泛应用于土木工程试验中。
其工作原理基于电阻材料的应变响应，需要用信号放大器才能测量到信号。
电阻应变片可应用于建筑结构实验、桥梁试验、隧道监测等领域，提供精确测量结果。
电阻应变片的原理及应用
电阻应变片的原理及应用1. 电阻应变片的原理电阻应变片是一种常见的用于测量物体形变的传感器。
它利用了金属材料在受力后导电性能的变化，通过测量电阻的变化来间接测量物体的形变。
电阻应变片的原理基于金属材料的应变效应。
当金属受到外力作用时，其晶格结构会发生变化，从而使电阻发生变化。
这种应变效应被称为压阻效应。
电阻应变片通常采用金属箔片的形式，由特殊的合金材料制成。
当受到外力拉伸或压缩时，金属箔片会产生相应的应变，从而导致电阻值发生变化。
具体来说，电阻应变片通常由四个电阻元件组成，形成一个电桥电路。
两个电阻应变片被安装在测量物体上，分别受到压缩或拉伸的力。
另外两个电阻元件被用作参考电阻，保持恒定。
当物体受力时，电桥电路中的电阻发生变化，通过测量电桥的输出电压或电流变化，可以间接测量物体的形变。
2. 电阻应变片的应用电阻应变片的应用非常广泛，下面列举了几个常见的领域：•力学研究：电阻应变片常用于力学研究领域，用于测量材料的应力和应变。
通过将电阻应变片安装在试样上，可以实时监测试样在受力过程中的应变情况，从而分析材料的力学性质。
•工程结构监测：电阻应变片在工程结构监测中得到广泛应用。
例如，在桥梁、建筑物或机械设备中安装电阻应变片，可以实时监测结构的应变情况，及时发现结构的异常变形，提前采取相应的维修措施。
•汽车工业：在汽车工业中，电阻应变片被广泛应用于刹车系统、悬挂系统和发动机控制系统等。
通过测量车辆部件的应变情况，可以提高汽车的行驶安全性和性能。
•航空航天领域：电阻应变片在航空航天领域也有重要的应用。
例如，在飞机的机翼、机身和发动机上安装电阻应变片，可以实时监测结构的应变情况，确保飞机的结构安全可靠。
•医学领域：电阻应变片在医学领域也有一定的应用。
例如，在人工关节的研发和临床应用中，电阻应变片可以用于测量人工关节在运动过程中的应变，从而评估关节的性能和使用寿命。
以上只是电阻应变片应用的几个典型领域，实际上，在工业、科研和生活中都存在着很多其他的应用场景。
电阻应变片应变测量的原理
电阻应变片应变测量的原理电阻应变片是一种基于电阻变化的应变测量装置，应用于各种结构和材料的应变测量。
它的原理是基于材料电阻式的变化规律，在受力或受压时，电阻发生变化，由此实现应变的测量。
电阻应变片通常由导电材料制成，如金属或半导体材料。
其具有良好的导电性能，接有一定电压时会产生电流。
当外力加在电阻应变片上时，导电材料受到应变，导致电阻发生变化。
这种变化可以通过测量电阻的方式来获得电阻应变片的应变量。
电阻应变片的工作原理涉及到材料的电阻率和杨氏模量。
在工作时，电阻应变片的材料会发生线性应变，即应变与应力成正比。
由于应变片材料的金属导电特性，当其受到应力时，会导致电子在材料中移动，从而影响电阻。
具体来说，应变片受到横向拉伸应力时，它的横向尺寸会变小，纵向尺寸会变长。
这种应变会使电阻片金属网格的线宽和线间距发生变化，从而导致电阻的变化。
为了测量电阻的变化，通常会将电阻应变片作为一个电桥的一个分支。
电桥的另外三个分支由电阻器组成，形成一个平衡电桥。
在没有应变时，电桥平衡。
而当电阻应变片受到应变时，应变片的电阻发生变化，破坏了电桥的平衡状态。
根据电桥平衡的原理，可以测量出电阻的变化，进而计算出应变。
为了提高测量的精度，通常会采用恒流源或恒压源来驱动电桥。
这样可以保持电桥中的电流或电压不变，从而减小测量误差。
电阻应变片的测量原理在工程和科研领域有着广泛的应用。
例如，在结构工程中，电阻应变片可以用于测量建筑物和桥梁的变形，以评估其结构安全性。
在机械工程中，电阻应变片可以用于测量机械零件的变形和应力，以评估其承载能力。
此外，电阻应变片还可以用于测量材料的应力应变曲线和杨氏模量等材料力学性能参数的实验研究。
总之，电阻应变片通过测量电阻的变化来实现应变的测量。
其工作原理是基于材料导电特性和应变引起电阻的变化。
电阻应变片的应用范围广泛，适用于各种结构和材料的应变测量。
2 电阻应变片
2.2 电阻应变片的工作特性
一、应变片的灵敏系数K：应变片最重 要的参数之一
1. 物理特性：应变片的应变效应程度。 当ε一定，K↑ ⊿R↑
2. K＜K0： 原因：1）应变片的横向效应的影响， 与敏感栅的现状、尺寸有 关
2）应变传递的不完全性
二、应变片的横向效应C
• 概念：由于敏感栅的横向部分在测试
2）半导体应变片：半导体应变片是利用 半导体材料的压阻效应而制成的一种纯
电阻性元件
• 压阻效应：对一块半导体材料的某一
轴向施加一定的载荷而产生应力时， 它的电阻率会发生变化，这种物理现 象称为半导体的压阻效应
• 半导体应变片的类型：体型半导体应
变片、薄膜型半导体应变片、扩散型 半导体应变片
概括：
• 覆盖层：既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，
还可保护敏感栅不与外界金属物接触，以免引起短 路和机械损伤
• 引线：从敏感栅引出电信号，并与测量电路连接。
常用直径约0.1～0.15mm的镀锡铜线或扁带形的其 他金属材料制成。
• 粘结剂：将敏感栅固定于基底上，并将覆盖层与基
底粘贴在一起。
2.1.2 电阻应变片的种类及常用材料
• 电阻应变片具有金属的应变效应，即
在外力作用下产生机械形变，从而使 电阻值随之发生相应的变化。电阻应 变片主要有金属和半导体两类，金属 应变片有金属丝式、箔式、薄膜式之 分。半导体应变片具有灵敏度高（通 常是丝式、箔式的几十倍）、横向效 应小等优点。
• 典型的应变片——纸基金属丝式应变
片
3. 应变片的常用材料
组成电桥后，应变片与测试仪器之间所用 导线应根据试验要求和使用环境加以选择。
• 测点较少而导线不超过10m的静态测量中，可
应变片测应变的基本原理
应变片测应变的基本原理静态电阻测应变实验是一个系统性工程，包括多方面因素的综合。
首先，理论基础是风向标。
只有理论正确才能头脑清晰地设计并实施实验，只有掌握正确的理论才能发现实际实验中出现的问题并能合理解释问题出现的原因和解决问题。
1. 应变片结构及原理应变片一般由下列部分组成：电阻丝栅、底基、粘结剂、引出线，如图1所示。
B ×L 为应变片的有效尺。
电阻丝栅材料一般用直径0.02-0.05毫米的镍铬丝或镍铜丝(也称康铜丝)，把它用绕丝机绕成栅状，然后再把电阻丝栅用粘结剂粘于上下两层薄纸之间，并在丝栅两端焊上引出线而制成丝绕式应变片。
图1 应变片结构原理:由《物理学》知道，单根电阻丝的电阻R 与其长度L 、载面积A 及电阻率p 有下列关系：A L R ρ=当电阻丝变形时（伸长或缩短），L 、A 、P 分别有△L 、△A 、△P 的变化，经过数学运算，可以得到:AA -L L R R ∆∆+∆=∆ρρ而ε=∆L L 为电阻丝的应变，设r 为电阻丝的半径，△r 为半径的增量，则 ()μεμ222r A A 222-=∆-=∆=∏∏-∆+∏=∆L L r r r r rμ为电阻丝材料的横向变形系数。
于是：()()ερρερρε∆++=∆=∆++=∆μμ21R RK 21R R s Ks 称为电阻丝的灵敏系数。
若Ks 值为一常数，则通过对△R/R 的侧量，即可测出ε，这样就把应变转换成电阻的变化进行测量了。
2. 测电阻的惠斯通电桥原理图2惠斯通电桥图2为惠斯通电桥，U 为供桥电压。
U 0为输出电压。
R1、R2、R3、R4为桥臂电阻，一般情况下，四臂电阻相等，均为R 。
当R1有变化量△R 时，求U 0。
因为U 0即B 、D 间的电位差U DB ，它同A 、B 间的电压降UAB 以及A 、D 间的电压降U AD 有如下关系：U R R R U U R R R U U R R R R U R R R R R U U U AD AB ADAB DB •∆+∆=⇒=•+=•∆+∆+=•+∆+∆+=-==24U 212U U 04332110当△R<<R 时分母中的△R 项可忽略，则即得出应变仪电桥输出的基本关系式。
电阻应变片的结构及工作原理
电阻应变片的结构及工作原理电阻应变片的结构如图4-1-3所示，其中，敏感栅是应变片中把应变量转换成电阻变化量的敏感部分，它是用金属丝或半导体材料制成的单丝或栅状体。
引线是从敏感栅引出电信号的丝状或带状导线。
(1)粘结剂：是具有一定电绝缘性能的粘结 材料，用它将敏感栅固定在基底上。
(2)覆盖层：用来保护敏感栅而覆盖在上面的绝缘层。
(3)基底：用以保护敏感栅，并固定引线的几何形状和相对位置。
电阻应变片能将力学量转变为电学量是利用了金属导线的应变——电阻效应。
我 们知道，金属导线的电阻R 与其长度L 成正比，与其截面积A 成反比，即 A L R ρ= (4-1-3) 式中ρ是导线的电阻率。
如果导线沿其轴线方向受力产生形变，则其电阻值也随之发生变化，这一物理现象被称为金属导线的应变——电阻效应。
为了说明产生这一效应的原因，可将式（4-1-3）取对数后进行微分得ρρd A dA L dL R dR +-= (4-1-4) 式中，L dL 为金属导线长度的相对变化，用轴向应变来表示，即L dL =ε；AdA 是截面1 2 3 4 5 图4-1-3 电阻应变片 1-敏感栅；2-引线；3-粘结剂；积的相对变化。
2r A π=（r 为金属导线的半径），，r dr A dA 2= r dr 是金属导线半径的相对变化，即径向应变r 。
导线轴向伸长的同时径向缩小，所以轴向应变与径向应变r 有下列关系：μεε-=r (4-1-5)为金属材料的泊松比。
根据实验，金属材料电阻率相对变化与其体积的相对变化之间的关系为VdV C d =ρρ，C 为金属材料的一个常数，如铜丝C =1 。
由L A V ⋅= 我们可导出V dV 与、r 之间的关系。
εμεμεεε)21(22r -=+-=+=+=LdL A dA V dV 由此得出εμρρ)21(-==C V dV Cd 代入式（4-1-4）得 []εεμμμεεεμs )21()21(2)21(K C C RdR =-++=++-= (4-1-6) K s 称为金属丝灵敏系数，其物理意义是单位应变引起的电阻相对变化。
电阻应变片工作原理
电阻应变片工作原理
电阻应变片是一种常用于测量变形和应力的传感器。
它的工作原理基于电阻的电阻值与其长度、厚度、材料的特性以及外加应变之间的关系。
电阻应变片通常由金属箔片制成，具有较高的电阻系数和较低的电阻温度系数。
当外界应变作用在电阻应变片上时，由于材料的弹性特性，电阻应变片的长度和厚度会发生微小的变化。
这种变化会导致电阻应变片的电阻值发生相应的变化。
电阻应变片的电阻值变化可以通过连接在电阻应变片上的测量电路来测量。
常用的测量电路包括电桥电路和恒流源电路。
其中，电桥电路是最常见的测量电路之一。
电桥电路中，电阻应变片与其他三个固定电阻组成一个电桥。
当电阻应变片受到应变时，会引起电桥电路中的电势差，进而通过测量电路输出相应的电信号。
根据电桥电路的输出信号可以推算出电阻应变片受到的应变值。
为了提高测量的准确性和灵敏度，电阻应变片通常会与保护层和导电胶片一起封装在一个保护壳体中，以避免外界环境对电阻应变片的影响。
总之，电阻应变片通过测量其电阻值的变化来检测物体的变形和应力。
它是一种简单有效的应变传感器，被广泛应用于工业生产、结构安全、航空航天等领域。
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电阻应变片的结构及工作原理
电阻应变片的结构如图4-1-3所示，其中，敏感栅是应变片中把应变量转换成电阻变化量的
敏感部分，它是用金属丝或半导体材料制成的单丝
或栅状体。
引线是从敏感栅引出电信号的丝状或带
状导线。
(1)粘结剂：是具有一定电绝缘性能的粘结
材料，用它将敏感栅固定在基底上。
(2)覆盖层：用来保护敏感栅而覆盖在上面的 绝缘层。
(3)基底：用以保护敏感栅，并固定引线的 几何形状和相对位置。
电阻应变片能将力学量转变为电学量是利用了金属导线的应变——电阻效应。
我 们知道，金属导线的电阻R 与其长度L 成正比，与其截面积A 成反比，即 A L R ρ= (4-1-3) 式中ρ是导线的电阻率。
如果导线沿其轴线方向受力产生形变，则其电阻值也随之发生变化，这一物理现象被称为金属导线的应变——电阻效应。
为了说明产生这一效应的原因，可将式（4-1-3）取对数后进行微分得
ρ
ρd A dA L dL R dR +-= (4-1-4) 式中，L dL 为金属导线长度的相对变化，用轴向应变来表示，即L dL =ε；A
dA 是截面积的相对变化。
2r A π=（r 为金属导线的半径），，r
dr A dA 2= r dr 是金属导线半径的相对变化，即径向应变
r 。
导线轴向伸长的同时径向缩小，所以轴向应变与径向应变r 有下列关系：
μεε-=r (4-1-5)
为金属材料的泊松比。
根据实验，金属材料电阻率相对变化与其体积的相对变化之间的关系为V
dV C d =ρρ，C 为金属材料的一个常数，如铜丝C =1 。
由L A V ⋅= 我们可导出V dV 与、r 之间的关系。
1 2 3 4 5 图4-1-3 电阻应变片 1-敏感栅；2-引线；3-粘结剂； 4-覆盖层；5-基底
εμεμεεε)21(22r -=+-=+=+=L dL A dA V dV 由此得出
εμρ
ρ)21(-==C V dV C d 代入式（4-1-4）得
[]εεμμμεεεμs )21()21(2)21(K C C R dR =-++=++-= (4-1-6) K s 称为金属丝灵敏系数，其物理意义是单位应变引起的电阻相对变化。
由式（4-1-6）可见K s 由两部分组成，前一部分由金属丝的几何尺寸变化引起，一般金属的在左右，因此6.1)21(≈+μ，后一部分为电阻率随应变而引起变化的部分，它除与金属丝几何尺寸有关外还与金属本身的特性有关。
K s 对于一种金属材料在一定应变范围内是一常数，于是得出
L
L K R R ∆=∆s (4-1-7) 为表示应变片的电阻变化与试件应变的关系，引入应变片的灵敏系数K ，定义为：试件受到一维应力的作用时，如应变片的主轴线与应力方向一致，则应变片的电阻变化率R R ∆和试件主应力方向的应变)(x L
L ∆即ε 之比称为应变片的灵敏系数，即 x
εR R
K ∆= (4-1-8) 由于粘结剂传递形变的失真与应变片的横向变形等因素的影响，应变片的灵敏系数K 总是小于金属丝的灵敏系数K s 。
K 值由生产厂家给出。
由式（4-1-8）看出，应变片的敏感栅受力后使其电阻发生变化。
将其粘贴在试件上，利用应变——电阻效应便能把试件表面的应变量直接变换为电阻的相对变化量，电阻应变片就是利用这一原理制成的传感元件。
非平衡电桥测量质量与电流、电压的关系
将电阻应变片粘贴在试件的表面，应变片的两端接入测量电路（电桥）。
随着试件受力变形，应变片的电阻丝也获得相应的形变使电阻值发生变化。
由应变片的工作原理可知，当应变沿应变片的主轴方向时，应变片的电阻变化率
R
R ∆和试件（本实验为悬臂梁）的主应变x ε成正比，即
x εK L L K R R =∆=∆ 或 RK
R K R R ∆=∆=x ε (4-1-1) 式中K 为应变片的灵敏系数（此值由应变片厂家给出）；R 是未加力时应变片阻值的初始值；R 是加力变形后应变片的电阻变化。
所以只要测出应变片阻值的相对变化，便可得出被测试件的应变。
本实验用平衡电桥测量应变片电阻的相对变化。
实验装置及测量线路如图4-1-1和图4-1-2所示，将被测试件一端夹持在稳固的基座上，其主体悬空，构成一悬臂梁。
在悬臂梁固定端A 处贴一应变片，在悬臂梁变形端B 处贴一同型号同规格的应变片，在C 端挂一砝码托盘以备加载。
将A 处的应变片作为温度补偿片R 1，B 处的应变片R x 作为传感元件测量应变，用电阻箱R 2、R a 和微调电阻箱R b 以及R 1、R x 组成一电桥，作为微小形变测量电路。
当C 处加载时，悬臂梁将向下弯曲，B 处产生变形，贴在B 处的应变片亦发生变形，其电阻值发生变化，此电阻值的变化可通过电桥测量出来，从而可测定悬臂梁B 处的形变。
应变片由金属电阻丝制成，当其内部通电流或环境温度变化时，均能引起电阻丝 的阻值变化。
温度引起的阻值变化与应变引起的阻值变化同时存在，从而导致测量误差。
测量中怎样才能使温度引起的阻值变化对测量系统无影响？A 处的应变片R 1是作为温度补偿用的，称为补偿片。
它与应变片R x 的结构和参数相同，而且贴在同一悬臂梁上，保证了两个应变片的内部条件和外部环境一致。
不同的是应变片R x 随悬臂梁的变形而变形，而补偿片R 1则不受悬臂梁形变的影响，只是当温度变化引起应变片R x 的阻值变化时，补偿片R 1亦有同样变化。
而R 1与
R x 又分别处于电桥的两个相邻臂上（电桥平衡
后，R 1与R x 流过的电流相同），如图4-1-2，当电桥平衡时有
)(11b a 21R R R R R x +== ，在同一温度变化条件下，R x 有一增量R ，则R 1亦有一相同增量
R ，则R R R R ∆+∆+x 1=b
a 211R R R += ，电桥仍然是平衡的，即测量过程中因温度变化而引起应变片A C 图4-1-1 悬臂梁示意图 接应变片 图4-1-2 微小形变测量电路 K 1 R R 1 R 2 R x R a R
b K 2 mA G E R
的阻值变化对测量（电桥的平衡状态）没有影响，此时电阻箱（R a + R b ）的读数反映的只是应变引起的阻值变化，所以达到了温度补偿的目的。
在用电桥测电阻时，电桥系统的灵敏程度反映了测量的精确程度，所以引入电桥灵敏度的概念，其定义为
x R d S ∆∆= (格) (4-1-2) 它表示电桥平衡后，R x 所引起的d 越大，电桥灵敏度S 越高，所得平衡点越精确，测量误差越小。
电桥灵敏度不仅与检流计有关，还与所加电压及各桥臂电阻值的大小和配置有关，检流计的灵敏度越高，电源电压越大，电桥的灵敏度越高。
但测量时并非灵敏度越高越好，而应选择合适的电桥灵敏度，即当电桥平衡后，改变电阻箱的最小步进值，使检流计有小于一格的明显偏转。
报 警 电 路 比较器 一级放 大 二级放 大 传感电路。