应变计的使用与选用原则

1.应变计选用原则

应变计种类繁多，长的有几百毫米，短的仅有0.1mm；有单轴的、应变花的；有高温、低温、水下、高压、辐射、强磁场等不同使用环境条件。如何正确选用应变计是一个重要的问题。

电阻丝式应变计属于最基本的传统结构，在我国占比较重要的地位。箔式应变计原材料(箔材和基底胶)和工艺等较复杂，但由于箔式应变计具有敏感栅尺寸小、形状可以任意、横向效应小、疲劳寿命高、蠕变及滞后小，易于批量生产等特点，应用日益增多，有些国家箔式应变计几乎全部取代丝式应变计。

薄膜式应变计精度高，发展前景广阔。这种应变计的优点有：电阻比箔式应变计高，形状和尺寸也比箔式应变计小，测量更准确，避免了箔式应变计在制造过程中易腐蚀的缺点；薄膜式应变计结构导热性良好，较宽工作温度范围可得到较完善的补偿；薄膜式应变计用陶瓷绝缘代替了胶接，避免了复杂分选和粘贴技术，克服了胶接引入的漂移和疲劳等缺点。薄膜式应变计应用在较大应变条件下(1 000 ～3 000 με)更有优势，通常应变较小(500 ～1 000 με)的条件下，往往无法直接引用。

应变计的选用主要考虑如下因素：

(1)应变计选用一般依据试件的材质、受力状态、工作环境条件、测量精度要求等因素权衡后而定。

(2)弹性元件材质应考虑材料弹性模量、材质均匀程度。弹性模量高的均质材料可选小标距应变计；弹性模量低或试件较薄材料，由于应变计端部附近产生应力集中(即加强效应)，应考虑其对测试精度的影响；对材质不均匀材料，宜选用大标距应变计。

(3)应变计使用环境条件主要考虑温度、湿度、压力、电磁场、核辐射、腐蚀等。潮湿环境可选用聚酰亚胺、酚醛环氧、环氧等胶基应变计；核辐射环境中应选用聚酰亚胺、无机黏结剂、康铜或改性镍铬(卡玛或镍铬锰硅)合金材料应变计；强磁场条件下选用改性镍铬合金或铂钨合金材料应变计。

(4)弹性元件的应变状态主要考虑应变梯度大小、静态应变、动态应变，要使所测平均应变尽量反映测量点实际应变。应变梯度大场合应尽量选用小标距应变计，对于小标距应变计横向效应影响，要适当补偿或修正；大应变梯度垂直于应变计灵敏轴线时，应选用应变极限高的应变计或大应变应变计；微小应变宜选灵敏度高的应变计；动态应变测量场合选用频响高、小标距的应变计。

(5)选用康铜、卡玛等材料的箔式应变计，精度高为宜；价格低廉、粘贴方便情况选用纸基应变计。

(6)应力分析应用场合通常选用120 Ω 电阻值的应变计，方便与现有仪器配套使用；要求输出信号大的情况选用灵敏度系数高的应变计。

2.应变计使用：粘贴技术

粘贴是保证应变计性能和测量精度的关键因素之一。电阻式应变计安装方式有粘贴、焊接(高温场合)和喷涂(高温喷涂场合)等几种方法，下面主要介绍粘贴式应变计的粘贴技术。粘贴应变计主要步骤：

1)应变计检查与筛选

(1)外观检查：目测检查应变计敏感栅排列是否整齐，是否有锈蚀斑点；有无短路断路、折弯现象；基底与覆盖层之间是否均匀，有无气泡污点等。

(2)电阻值测量及筛选：对于电阻值每个应变计都要进行测量，保证同一批次应变计的工作片和补偿片之间电阻值的差值最好不超过±0.1 Ω。若电阻差相差超过0.5 Ω 时，将会使传感器造成较大的零偏。

2)试件贴片处表面处理

(1)为获得良好的粘贴表面，试件贴片处表面处理十分重要。贴片表面处应该除去表面污物及氧化层，增大附着力。油污可用丙酮、汽油、四氯化碳或氯利昂等溶剂清洗，表面氧化层可用砂布打磨试件表面(表面粗糙度Ra =1.25 ～2.5)，最好用中等粒度的砂布，打出的表面纹路与贴片方向呈45°。

(2)传感器弹性元件表面贴片处要求严格处理，先用四氯化碳清除弹性元件上的油污，用0 号砂布交叉打磨弹性元件上贴片处，再用溶剂清洗；表面处理也可用无油喷砂方法，选用合适的磨料、加载合适空气压力，喷砂获得质量均匀粘贴表面；喷砂后残留的砂粒可用干净的空气或氮气吹净；喷砂方法对过薄、形状过分复杂弹性元件表面不适用。

(3)粘贴效果不但与表面粗糙度有关，而且与化学键亲和力及扩散密切相关，保护粘贴面化学活性、避免氧化和各类不纯物吸附很重要。

(4)贴片表面氧化物对粘接十分有害，为避免氧化，粘贴应尽快进行，喷砂后3 min 内完成涂底胶工作。(www.xing528.com)

(5)弹性元件表面油污清除，采用丙酮、酒精、四氯化碳或其他清洗剂进行清洗，清洗干净后必须避免外界其他影响，比如手碰、呼吸等对表面的间接污染，粘贴应变计时最好在净化或无尘环境中操作。

3)底层处理

为使应变计牢固粘贴于弹性元件表面且保持较高绝缘电阻，粘贴部位先均匀涂底层胶，底胶的涂法应根据不同的应变计和黏结剂而定。

(1)用环氧、酚醛环氧胶粘贴聚酰亚胺和环氧基底应变计：在弹性元件贴片处均匀涂1 ～2 层胶(胶层尽量薄)，然后按如下工艺处理：室温升至80℃保温15 min，80℃升至130℃保温1 h，130℃升至160℃保温2 h。

(2)用缩醛胶或酚醛环氧胶粘贴缩醛基底应变计。在弹性元件贴片处均匀涂2 ～3 层胶，待胶干燥后，由室温升至140℃保温2 h，由140℃升至180℃保温2 h 后自然冷却至室温。

4)贴片

(1)处理好弹性元件表面，划好贴片定位线，经清洗和干燥后，在贴片处均匀地涂一层贴片胶，合适的时间间隔后，按给定方位将应变计准确地放在贴片部位，然后在应变计上盖上一层氟塑料薄膜并用手指或小工具朝一个方向碾压，挤出气泡和过量的黏结剂，保证胶层薄而均匀。然后在上面放一块硅橡胶并用夹具夹紧放入干燥箱进行固化处理。

(2)贴片时胶层厚度必须严加控制，基底和黏结剂胶层厚度对于减少蠕变有非常重要的影响，并也使黏结强度增高，更能准确地传递试件应变。在实际工艺过程中胶层厚度受到其他因素的限制。特别是胶层厚度不能无限制地薄，否则将降低其绝缘电阻造成传感器性能不稳定。

(3)贴片后应进行初步检查，检查基底、盖底是否有损坏，敏感栅是否变形，贴片方位是否正确；有无断路、短路，有无气泡，有无局部未贴牢；贴片后电阻值变化不能太大(一般变化不大于±0.5 Ω)等。

5)固化与后固化

(1)固化：需要加温固化的黏结剂，应严格按规范进行固化处理。固化是否完全，直接影响到胶的物理机械性能。固化关键是温度曲线与循环周期，必须按规范严格进行。环氧和聚酰亚胺基应变计用环氧或酚醛环氧胶贴片，固化温度为：室温升至80℃保温1 h，80℃升至130℃保温1 h，130℃升至160℃保温2 h。用缩醛胶粘贴缩醛基底应变计，固化温度为：由室温升至80℃保温1 h，由80℃升至149℃保温2 h，卸压后由140℃升至190℃保温3 h。

(2)后固化：固化过程中由于施加压力和固化时水蒸气逸出(酚醛胶)等原因，胶层会产生收缩而带来残余应力。残余应力释放和端部效应一样，会影响到传感器的稳定性，必须加以消除。所以固化处理后，还需进行后固化处理。后固化一方面是消除粘贴时残余应力，另一方面在短时间内模拟漫长时间内胶层的自然后固化过程，进一步巩固固化作用，这样可以使传感器的零漂、蠕变和滞后达到最小值而进入稳定状态。后固化的传感器其疲劳寿命稍有下降，但其稳定性可以大大提高。

6)粘贴质量的检查

粘贴应变计的质量检查，主要包括外观检查及应变计电阻值和绝缘电阻的测量。外观检查采用目测，检查是否有破损、气泡等。粘贴前后应变计电阻变化不大于±0.5 Ω。检查绝缘电阻通常用100 V 以下的高阻表，在常温时绝缘电阻应在1 600 MΩ，而且要求绝缘稳定。

3.外引线连接与固定

应变计与外部仪器之间导线一般采用φ0.12 mm×7 mm 或φ0.18 mm ×12 mm 等多股屏蔽导线。应变计的外引线与连接导线可采用锡焊方式连接。外部仪器导线与应变计外引线焊好并初步固定后，检查通路绝缘性能。固定方法有胶布粘贴、接线端子片胶接和打金属卡箍等。

4.应变计的防护

为防止粘贴好的应变计受水、蒸气、酸碱、油污浸蚀及机械损伤，应变计采取防护材料要求：防潮性能好，有良好黏着力，绝缘并防腐蚀，有一定强度、韧性和温度稳定性。常用防护材料有硅橡胶、PPS 三防胶以及一些合成橡胶类黏结剂。

高压环境条件的应变计防护可采用组合密封方法。一般内层采用防潮性能好、质地柔软的防潮剂，外层是质地较硬且有一定强度的密封材料。在密封材料周围再涂一层硅橡胶或凡士林。

密封充氮是一种较理想的防护方法。首先将焊好外壳的传感器壳内抽真空，然后充入干燥的氮气，再密封起来。