电阻应变片的种类与结构.
电阻应变片构造及工作原理
§4-1 电阻应变片的构造及工作原理
一、金属丝的灵敏系数 1、实验结果
实验表明：绝大多数金属丝受到拉伸时，电阻值会增大，缩短时电阻值会 减少，这种电阻值随变形发生变化的现象，叫做电阻应变效应。
金属丝材的电阻应变效应曲线
金属丝材在一定的变形范围内，电阻值的相对变化（电阻 变化率）与其长度的相对变化（应变. ）之间保持线性关系。
2、缺点：
（1）点测（若分析应力在平面上的分布情况，需要大量的应变片）； （2）用于宏观测量（最小的应变片长约为0.2mm）。
电阻应变测量系统
电阻应变片——将构件的应变转换为电阻变化。 电阻应变仪——将此电阻变化转换为电压（或电流）
的变化，并进行放大。
记录器——记录器把电压记录下来，并换算成应变。
.
感栅的电阻变化率。
设在应变测量时，构件表面处于二向应变状态，且主应变 1 、 2
主应变方向分别取为 ox、oy 方向。
一枚丝绕式应变片与x轴的夹角为α，
沿其栅长与栅宽方向的应变记为 L
和
。敏感栅电阻变化可按直线部分
B
和弯头部分分别考虑。
.
R R
K0
直线部分电阻变化为：
R L R0K L nK L 0L
梁自由端的挠度：
f
Ml 2 2 EI
在纯弯区域内，梁轴线变形后的曲率： 1 M
EI
梁跨度中间截面上、下表面处的应变：
（4）RR值的测定；
x
ym ax h/2Mh f h
2EI l2
将安装在梁上的应变片作为工作片和另外一个补偿片接入电
阻应变仪中，把应变仪上的灵敏系数刻度盘转到 K仪 上，2
应变仪可测出 ，仪则可得：
一般应变片的灵敏系数由制造厂家实验测量，称为应变片的标定。 厂家采用抽样方法，在每一批相同条件下生产的应变片中抽出1%样 品进行实验，取其平均值作为这一批应变片的灵敏系数。
应变片常用形式
应变片常用形式应变片是一种用于测量物体变形的传感器，常用于工程领域中的应变测量。
应变片的常用形式有：电阻应变片、电容应变片、纤维光栅应变片和光纤布拉格光栅应变片等。
本文将对这些常用形式进行介绍和比较。
电阻应变片是最常见的一种应变片形式。
它通过利用电阻材料的电阻值随应变变化而发生改变的特性，来测量物体的应变。
电阻应变片通常由两层金属箔片和介电层构成，其中一层金属箔片粘贴在被测物体上，另一层金属箔片作为参考电阻。
当物体发生应变时，受力引起的变形将导致电阻值的改变，通过测量电阻值的变化来计算应变量。
电容应变片是另一种常见的应变片形式。
它利用电容器的电容值随应变变化而发生改变的原理来测量物体的应变。
电容应变片通常由两层金属箔片和介电层构成，其中一层金属箔片粘贴在被测物体上，另一层金属箔片作为参考电容。
当物体发生应变时，受力引起的变形将导致电容值的改变，通过测量电容值的变化来计算应变量。
纤维光栅应变片是一种基于光纤传感技术的应变测量装置。
它利用光纤中的光栅结构来测量应变。
纤维光栅应变片通常由光纤和光栅传感区组成，其中光栅传感区被粘贴在被测物体上。
当物体发生应变时，光栅结构会发生形变，从而改变光纤中光的传播特性，通过测量光信号的变化来计算应变量。
光纤布拉格光栅应变片是一种利用布拉格光栅原理测量应变的装置。
它通过在光纤中形成布拉格光栅结构来测量应变。
光纤布拉格光栅应变片通常由光纤和布拉格光栅传感区组成，其中布拉格光栅传感区被粘贴在被测物体上。
当物体发生应变时，光栅结构会发生形变，从而改变光纤中的衍射波长，通过测量衍射波长的变化来计算应变量。
对于这些常用形式的应变片，它们各自具有不同的特点和适用范围。
电阻应变片具有测量范围广、精度高的优点，适用于静态和动态应变测量；电容应变片具有灵敏度高、抗干扰能力强的优点，适用于小应变测量和高频应变测量；纤维光栅应变片具有体积小、抗干扰能力强的优点，适用于复杂环境下的应变测量；光纤布拉格光栅应变片具有高精度、长测距的优点，适用于大范围应变测量和结构健康监测。
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
《工程测试技术》第五章电阻应变片
U0
R R
UI
1 4
U I S ( 1 2 3 4 )
Uo
R0 R0
UI
传感器与测试技术
第5章 电阻应变式传感器
电桥的工作特性:
1）不同的接桥方式具有不同的电桥灵敏度，尽量采 用半桥双臂或全桥方式。
①提高灵敏度——半桥双臂或全桥联接 相对桥臂：同极性 相邻桥臂：反极性 ②实现温度补偿——全桥自动补偿 半桥双臂：邻臂(同一温度场) ③消除非测量载荷的干扰影响
传感器与测试技术
第5章 电阻应变式传感器
测量用应变片
1 1 p 1M ; 3 3 p 3M ;
2 0; 4 0;
传感器与测试技术
第5章 电阻应变式传感器
电阻应变片
传感器与测试技术
第5章 电阻应变式传感器
电阻应变片的选择、粘贴技术 1）目测电阻应变片有无折痕、断丝 等缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。 2）用数字万用表测量应变片电阻值大小。同一电桥 中各应变片之间阻值相差不得大于0.5欧姆。
3）试件表面处理：贴片处用细纱纸打磨干净，用 酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。
又 1M 3 M ; 总 1 p 3 p 2
U 0 1 4 U IS 总 1 2
p
U IS p
补偿用应变片
测量P消除M的影响
传感器与测试技术
第5章 电阻应变式传感器
2、温度误差及补偿
温度误差——附加应变 1)电阻温度效应
R R t
对半导体材料，压阻效应为主：
dR R
被测量
金属电阻应变片的种类、材料及粘贴
1．金属电阻应变片的种类金属电阻应变片种类繁多，形式多样，但常见的基本结构有金属丝式应变片、金属箔式应变片和薄膜式应变片。
其中金属丝式应变片使用最早、最多，因其制作简单、性能稳定、价格低廉、易于粘贴而被广泛使用。
2．电阻应变片的结构金属丝式电阻应变片由敏感栅、基底、盖层、黏合层和引线等组成。
图2-2为金属丝式应变片的典型结构图。
其中敏感栅是应变片内实现应变——．电阻转换的最重要的传感元件，一般采用的栅丝直径为0. 015～0.05 mm。
敏感栅的纵向轴线称为应变片轴线，L为栅长，n为基宽。
根据不同用途，栅长可为0.2～200 mm。
基底用以保持敏感栅及引线的几何形状和相对位置，并将被测件上的应变迅速、准确地传递到敏感栅上，因此基底做得很薄，一般为0. 02～0.4 mm。
盖层起防潮、防腐、防损的作用，用以保护敏感栅。
用专门的薄纸制成的基底和盖层称为纸基，用各种黏合剂和有机树脂薄膜制成的称为胶基，现多采月后者。
黏合剂将敏感栅、基底及盖层黏合在一起。
在使用应变片时也采用黏合剂将应变片与被测件黏牢。
引线常用直径为0.10～0.15 mm的镀锡铜线，并与敏感栅两输出端焊接。
金属箔式应变片的基本结构如图2-3所示，其敏感栅是由很薄的金属箔片制成的，厚度只有0. 01～0.10 mm，用光刻、腐蚀等技术制作。
箔式应变片的横向部分特别粗，可大大减少横向效应，且敏感栅的粘贴面积大，能更好地随同试件变形。
此外与金属丝式应变片相比，金属箔式应变片还具有散热性能好、允许电流大、灵敏度高、寿命长、可制成任意形状、易加工、生产效率高等优点，所以其使用范围日益扩大，已逐渐取代丝式应变片而占主要的地位。
但需要注意，制造箔式应变片的电阻值的分散性要比丝式的大，有的能相差几十欧姆，故需要作阻值的调整。
对金属电阻应变片敏感栅材料的基本要求如下。
①灵敏系数K。
值大，并且在较大应变范围内保持常数。
②电阻温度系数小。
③电阻率大。
④机械强度高，且易于拉丝或辗薄。
电阻应变片的种类
电阻应变片的种类电阻应变片是一种常见的传感器元件，用于测量物体的应变变化。
根据其结构和材料的不同，电阻应变片可以分为多种类型。
本文将介绍几种常见的电阻应变片。
第一种是金属电阻应变片。
金属电阻应变片由金属材料制成，常见的金属材料有铜、铝、钢等。
金属电阻应变片的特点是稳定性好、灵敏度高、温度影响小。
它们通常用于测量金属结构的应变变化，如桥梁、建筑物等。
金属电阻应变片的制作工艺相对简单，成本较低，因此被广泛应用于工程领域。
第二种是半导体电阻应变片。
半导体电阻应变片由半导体材料制成，常见的半导体材料有硅、锗等。
半导体电阻应变片的特点是灵敏度高、温度影响小、线性度好。
它们通常用于测量微小应变变化，如微机械系统、生物医学领域等。
半导体电阻应变片的制作工艺较为复杂，成本较高，因此主要应用于高精度测量领域。
第三种是薄膜电阻应变片。
薄膜电阻应变片由金属薄膜制成，常见的金属薄膜有铂、镍、铬等。
薄膜电阻应变片的特点是灵敏度高、响应速度快、适用于小尺寸测量。
它们通常用于测量微小应变变化，如电子设备、汽车工业等。
薄膜电阻应变片的制作工艺相对简单，成本适中，因此在工业领域得到广泛应用。
第四种是光纤电阻应变片。
光纤电阻应变片利用光纤传感技术，将光纤与电阻应变片相结合，实现对应变的测量。
光纤电阻应变片的特点是抗干扰能力强、测量范围广、适用于复杂环境。
它们通常用于测量大型结构的应变变化，如飞机、船舶等。
光纤电阻应变片的制作工艺较为复杂，成本较高，因此主要应用于高精度测量领域。
以上是几种常见的电阻应变片的种类。
不同的电阻应变片适用于不同的测量场景，选择合适的电阻应变片对于获得准确的测量结果至关重要。
随着科技的不断进步，电阻应变片的种类和性能也在不断提升，为各行各业的测量需求提供了更多选择。
05.03 电阻应变片的种类、参数、型号代码
三、电阻应变片的种类、参数、型号代码 电阻应变片的种类、参数
三、电阻应变片的种类、参数、型号代码
1. 电阻应变片的种类
1）丝式应变片
回线式应变片
短接式应变片
优点：制作简单，价格便宜，易安装。 缺点：横向效应大，测量精度较差，性能分散。
三、电阻应变片的种类、参数、型号代码 1. 电阻应变片的种类
2）箔式应变片
敏感栅采用的是合金的金属箔，用刻图制板、光刻及腐蚀等 工艺制作，其厚度一般在0.001~0.01mm。
三、电阻应变片的种类、参数、型号代码
1. 电阻应变片的种类
箔式应变片优点 可制成多种复杂形状、尺寸准确的敏感栅，以适应 不同的测
量要求； 横向效应小； 散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度； 蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长； 生产效率高，便于实现自动化生产。
三、电阻应变片的种类、参数、型号代码
1. 电阻应变片的种类
3）薄膜应变片 采用真空沉积或离子溅射等方法，在绝缘基片上形成厚度在
0.1µm以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅
保护膜 合金薄膜 绝缘膜 耐蚀弹性体
薄膜技术代替粘贴工艺。无蠕变；抗振，耐腐蚀。
三、电阻应变片的种类、参数、型号代码 1. 电阻应变片的种类
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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ALR 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ε来表示，即L dL =ε；AdA是截面积的相对变化。
2r A π=（r 为金属导线的半径），，rdr A dA 2= r dr是金属导线半径的相对变化，即径向应变εr 。
导线轴向伸长的同时径向缩小，所以轴向应变ε与径向应变εr 有下列关系：μεε-=r (4-1-5)μ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VdVC 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VdV与ε、εr 之间的关系。
1 23 45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 -=+-=+=+=LdLA dA V dV 由此得出εμρρ)21(-==C VdVC d 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。
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电阻应变片的种类与结构
电阻应变片（简称应变片或应变计）种类繁多，形式各样，分类方法各异。
根据敏感元件的不同，将应变计分为金属式和半导体式两大类。
根据敏感元件的形态不同，金属式应变计又可进一步分为丝式、箔式等。
1．丝式应变片
丝式应变片基本结构如图2.1所示，主要由敏感栅、基底和盖片、黏结剂、引线4部分组成。
敏感栅是实现应变与电阻转换的敏感元件，由直径为0.015-0.05mm的金属细丝绕成栅状，将其用黏结剂黏结在各种绝缘基底上，并用引线引出，再盖上既可保持敏感栅和引线形状与相对位置的、又可保护敏感栅的盖片。
电阻应变片的电阻值有60Ω、120Ω、200Ω等几种规格，其中120Ω最为常用。
图2.1 丝式应变片的基本结构
2．箔式应变片
如图2.2所示，箔式应变片的敏感栅利用照相制版或光刻腐蚀的方法，将电阻箔材制成各种形状而成，箔材厚度多为0.001-0.01mm。
箔式应变片的应用日益广泛，在常温条件下己逐步取代了线绕式应变片，它具有如下几个主要优点：
(1) 制造技术能保证敏感栅尺寸准确、线条均匀，可以制成任意形状以适应不同的测量要求。
(2) 敏感栅薄而宽，黏结情况好，传递试件应变性能好。
(3) 散热性能好，允许通过较大的工作电流，从而可增大输出信号。
(4) 敏感栅弯头横向效应可以忽略。
(5) 蠕变、机械滞后较小，疲劳寿命高。
图2.2 箔式应变片
3．薄膜应变片
薄膜应变片采用真空蒸发或真空沉积等方法，将电阻材料在基底上制成一层各种形状的敏感栅，敏感栅的厚度在0.1um以下。
薄膜应变片具有灵敏系数高，易实现工业化生产的特点，是一种很有前途的新型应变片。