电阻应变片的结构与特性简介

1.电阻应变片的结构

电阻应变片品种繁多，形式多样。但常用的应变片可分为两类：金属电阻应变片和半导体电阻应变片。半导体应变片由单晶半导体经切型、切条、光刻腐蚀成形，然后粘贴在薄的绝缘基片上，最后再加上保护层。但半导体应变片重复性、温度及时间稳定性差。

金属应变片由敏感栅、基片、引线、覆盖层和粘结剂等部分组成，如图2-2所示。

图2-2　金属电阻应变片的结构

（1）敏感栅

敏感栅是应变片的核心部分，是实现应变-电阻转换的敏感元件，通常由直径为0.015～0.05mm的金属丝绕成栅状，或用金属箔腐蚀成栅状。它粘贴在绝缘基片上，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有丝式、箔式和薄膜式三种。

①金属丝式应变片。有回线式和短接式两种。回线式最为常用，其制作简单、性能稳定、成本低、易粘贴，但横向效应较大。

②金属箔式应变片。利用照相制版或光刻技术可将厚0.003～0.01mm的金属箔片制成所需图形的敏感栅，也称为应变花。其优点是散热条件好，允许通过的电流较大，可制成各种所需的形状，便于批量生产。

③金属薄膜式应变片。采用真空蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝缘基片上形成0.1μm以下的金属电阻薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。它的优点是应变的灵敏度系数大，允许电流密度大，工作范围广。

（2）基片

为了保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置，通常用粘结剂将其固结在纸质或胶质的基片上。基片必须很薄，一般为0.02～0.04mm。

（3）引线

引线起着敏感栅与测量电路之间的过渡连接和引导作用。通常取直径为0.1～0.15mm的低阻镀锡铜线，并用钎焊与敏感栅连接。

（4）覆盖层

用纸、胶作成覆盖在敏感栅上的保护层，起着防潮、防蚀、防损等作用。

（5）粘结剂

制造应变片时，用它分别把覆盖层和敏感栅固结于基底；使用应变片时，用它把应变片的基片粘贴在试件表面的被测部位。因此它也起着传递应变的作用。

2.电阻应变片的主要特性

（1）灵敏度系数

金属丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系，用灵敏度系数K0表示。当金属丝做成应变片后，其电阻-应变特性与金属丝情况不同。因此，须用实验方法对应变片的电阻-应变特性重新测定。实验表明，金属应变片的电阻相对变化与应变ε在很宽的范围内均为线性关系，即

式中，K为金属应变片的灵敏系数。

提　醒

K是在试件受一维应力作用，应变片的轴向与主应力方向一致，且试件材料的泊松比为0.285的钢材时测得的。测量结果表明，应变片的灵敏系数K恒小于线材的灵敏系数K0。因为胶层传递变形失真，横向效应也是一个不可忽视的因素。

（2）横向效应及横向效应因数

金属应变片由于敏感栅的两端为半圆弧形的横栅，测量应变时，构件的轴向应变ε使敏感栅电阻发生变化，其横向应变εr也将使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化，应变片的这种既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。

若敏感栅有n根纵栅，每根长为l，半径为r，在轴向应变ε作用下，全部纵栅的变形量视为ΔL1

半圆弧横栅同时受到ε和εr的作用，在任意一微小段长度dl＝rdθ上的应变εθ可由材料力学公式求得

每个圆弧形横栅的变形量Δl为

纵栅为n根的应变片共有n－1个半圆弧横栅，全部横栅的变形量为

应变片敏感栅的总变形为

敏感栅栅丝的总长为L，敏感栅的灵敏系数为KS，则电阻的相对变化为

令

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则

可见，敏感栅电阻的相对变化分别是ε和εr作用的结果。

当εr＝0时，可得轴向灵敏系数

当ε＝0时，可得横向灵敏系数

横向灵敏系数与轴向灵敏系数的比值，称为横向效应因数H。

可见，r愈小，l愈大，则H愈小。即敏感栅越窄、基长越长的应变片，其横向效应引起的误差越小。

（3）机械滞后

应变片粘贴在试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸载特性不重合，称为机械滞后。

产生原因：应变片在承受机械应变后，其内部会产生残余变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变化；在制造或粘贴应变片时，敏感栅受到不适当的变形或者粘结剂固化不充分，都会产生机械滞后。

机械滞后值还与应变片所承受的应变量有关。加载时的机械应变越大，卸载时的滞后也越大，如图2-3所示。因此，通常在实验之前应将试件预先加载、卸载若干次，以减少因机械滞后所产生的实验误差。

图2-3　应变片的机械滞后

（4）零点漂移和蠕变

对于粘贴好的应变片，当温度恒定且不承受应变时，其电阻值随时间增加而变化的特性称为应变片的零点漂移。零点漂移的产生原因是敏感栅通电后的温度效应，应变片的内应力逐渐变化，粘结剂固化不充分等。

如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变。一般蠕变的方向与原应变量的方向相反。蠕变的产生原因是由于胶层之间发生“滑动”，使力传到敏感栅的应变量逐渐减少。

这是两项衡量应变片特性对时间稳定性的指标，在长时间测量中其意义更为突出。实际上，蠕变中包含零点漂移，它是一个特例。

（5）应变极限

应变极限是指在一定温度下，应变片的指示应变对测试值的真实应变的相对误差不超过规定范围（一般为10％）时的最大真实应变值。如图2-4所示为应变片的应变极限。图中，真实应变的产生原因是工作温度变化或承受机械载荷，在试件内产生应力（包括机械应力和热应力）时所引起的表面应变。

影响应变极限的主要因素有：粘结剂和基底材料传递变形的性能及应变片的安装质量。制造与安装应变片时应选用抗剪强度较高的粘结剂和基底材料。基底材料和粘结剂的厚度不宜过大，并应经过适当的固化处理，才能获得较高的应变极限。

图2-4　应变片的应变极限

（6）动态特性

应变片的动态特性关系到所能测量的动态应变的频率。当测量频率很高的应变时，需考虑应变片的动态特性。因应变片基底和粘贴胶层很薄，构件的应变波传到应变片的时间很短（估计约0.2μs），故只需考虑应变波沿应变片栅长方向传播时的动态响应。

设一频率为f的正弦应变波在构件中以速度v沿应变片栅长方向传播，在t时刻，应变量沿构件分布如图2-5所示。

图2-5　应变片对应变波的动态响应

设应变波波长为λ，即有λ＝v/f。应变片栅长为L，则t时刻应变波沿构件的分布为

应变片中点的应变为

xt为t时刻应变片中点的坐标。由应变片测得的应变为栅长l范围内的平均应变εm，其数值等于l范围内应变波曲线下的面积除以l，即

平均应变εm与中点应变εt的相对误差δ为

当时，将级数展开，略去高阶项，可得

可见，相对误差δ的大小只决定于的比值。