電阻應變計

電阻應變計（resistancestraingage）是能將工程構件上的應變，即尺寸變化轉換成為電阻變化的變換器（又稱電阻應變片），簡稱為應變計。

基本介紹

• 中文名：電阻應變計
• 外文名：resistance strain gage

組成

一般由敏感柵、引線、粘結劑、基底和蓋層組成（圖1）。

將電阻應變計安裝在構件表面，構件在受載荷後表面產生的微小變形（伸長或縮短），會使應變計的敏感柵隨之變形，應變計的電阻就發生變化，其變化率 和安裝應變計處構件的應變 成比例。測出此電阻的變化，即可按公式算出構件表面的應變，以及相應的應力。

將電阻應變計安裝在構件表面，在應變計軸線方向的單向應力作用下，敏感柵的電阻變化率 和引起此電阻變化的構件表面在應變計軸線方向的應變 之比，稱為電阻應變計的靈敏係數K即

它表示電阻應變計輸出信號與輸入信號在數量上的關係，是電阻應變計的主要工作特性之一。

敏感柵的柵長一般為0.2～100毫米，電阻為60～1000歐（最常用的為120歐和350歐），測量範圍為幾微應變至數萬微應變（ ，1微應變=10^-6毫米/毫米）。

分類

按敏感柵的材料，電阻應變計分為金屬電阻應變計和半導體應變計兩類，按工藝可分為貼上式（又稱應變片，出現最早，套用最廣）、非貼上式（又稱張絲式或繞絲式）、焊接式、噴塗式等。

A. 金屬電阻應變計

金屬電阻應變計的種類、所使用的材料和安裝方法分述如下：

絲式應變計

這種應變計的敏感柵最常用的有絲繞式和短接線式兩種（圖2）。①絲繞式的敏感柵是用直徑0.015～0.05毫米的金屬絲連續繞制而成，端部呈半圓形。如果安裝應變計的構件表面存在兩個方向的應變，此圓弧端除了感受縱向應變外，還能感受橫向應變，後者稱為橫向效應。若對測量精度的要求較高，應考慮橫向效應的影響並進行修正。②短接線式的敏感柵採用較粗的橫絲，將平行排列的一組直徑為0.015～0.05毫米的金屬縱絲交錯連線而成，端部是平直的。它的橫向效應很小，但耐疲勞性能不如絲繞式的。

圖2 絲式應變計

箔式應變計

這種應變計的敏感柵用厚度0.002～0.005毫米的金屬箔刻蝕成形。用此法易於製成各種形狀的應變計（圖3）。箔柵有如下優點，①橫向部分可以做成比較寬的柵條，使橫向效應較小；②箔柵很薄，能較好地反映構件表面的變形，因而測量精度較高；③便於大量生產；④能製成柵長很短的應變計。因此，箔式應變計得到廣泛套用。

圖3 箔式應變計

臨時基底應變計

還有一種臨時基底型的金屬電阻應變計（圖4）。製造時將用紫銅等材料

圖4 臨時基底型應變計

製成的敏感柵粘在作為臨時基底的框架上，使用時用粘結劑將敏感柵固定在構件上，然後將臨時基底去掉。這種應變計多用於測量高溫條件下的應變。

　　

套用材料和安裝方法

製造敏感柵的常用材枓有銅鎳合金（康銅）、線鉻系含金、鐵鉻鋁含金，鎳鉻鐵合金、鉑和鉑合金等。前三種最常用。這些合金的靈敏係數為2～6。

所用的粘結劑分為有機粘結劑和無機粘結劑兩類。在一般情況下，前者用在溫度低於400℃時，後者則用於高溫條件下。有機粘結劑包括硝化纖維、氧基丙烯酸酯、環氧樹脂、酚醛樹脂、有機矽樹脂、聚醯亞胺等。除前兩種之外，使用時一般都要加溫加壓使其固化。常用的無機粘結劑有磷酸鹽和噴塗用的金屬氧化物。前者在使用時須加溫固化。用作基底的材料有紙、膠膜、玻璃纖維布，金屬薄片（或金屬網）等。

把應變計貼上在構件表面上有不同的安裝方法有：

1) 用紙、膠膜、玻璃纖維布作基底的應變計，用粘結劑貼上；

2) 用金屬薄片或金屬網作基底的應變計，用點焊或滾焊固定在金屬構件上；

3) 對於臨時基底應變計，用粘結劑或用氧炔焰或等離子焰將金屬氧化物焰化並噴塗的方法，將敏感柵固定於金屬基底或構件表面上。

測量方向性

只用一個敏感柵的應變計，適用於測量單向應變。測量平面應力場的應變時，可採用應變花。

B. 半導體應變計

將半導體應變計安裝在被測構件上，在構件承受載荷而產生應變時，其電阻將發生變化。半導體應變計就是以這種壓阻效應作為理論基礎的，其敏感柵由鍺或矽等半導體材料製成。這種應變計可分為體型（圖5）和擴散型兩種。前者的敏感柵由單晶矽或鍺等半導體經切片和腐蝕等方法製成，後者的敏感柵則是將雜質擴散在半導體材料中製成的。半導體應變計的優點是靈敏係數大，機械滯後和蠕變小，頻率回響高;缺點是電阻溫度係數大，靈敏係數隨溫度而顯著變化，應變和電阻之間的線性關係範圍小。正確選擇半導體材料和改進生產工藝，這些缺點可望得到克服。半導體應變計多用於測量小的應變（10^-1微應變到數百微應變），已廣泛用於應變測量和製造各種類型的感測器（見電阻應變計式感測器）。

圖5 體型半導體應變計

半導體應變計中用薄膜作敏感柵的稱為薄膜應變計。它是將金屬、合金或半導體材料，用真空鍍膜、沉積或濺射方法，在絕緣基底上製成一定形狀的薄膜，其厚度從幾十納米至幾萬納米不等。此外，還有靈敏係數很大的p-n結半導體應變計和壓電場效應應變計。

C. 貼上式應變計

它主要由 4部分組成。①由電阻絲製成的敏感柵：是應變計的敏感部分；②襯底和保護層：敏感柵貼上在襯底上，襯底是將感測器彈性元件表面的應變傳遞到電阻絲柵上的中間介質，起絕緣作用；保護層起保護電阻絲的作用；③粘合劑：它將電阻絲與襯底貼上在一起；④引出線：它起連線測量導線的作用。按襯底材料和安裝方法的不同，可把貼上式應變計分為紙襯式、膠襯式、金屬襯底式和臨時襯底式等。敏感柵又有多種結構形式，可分為測量單方向應變的單軸式和測量兩個方向以上應變的多軸式（又稱應變花）兩類（圖1）。

D. 張絲式應變計

它是利用一定結構使金屬電阻絲張緊並能直接受力而產生電阻-應變效應的一種應變計,又稱非貼上式應變計。一種測量微小壓力的張絲式應變計是將金屬電阻線繞在固定於彈簧片上的數個柱子上製成的（圖2）。當壓力通過連桿加到彈簧片上時，彈簧片的變形使柱子移動，從而改變電阻線圈的張力而使其電阻發生變化。線圈連線成橋式電路，於是電橋由於橋臂電阻的變化而失去平衡，產生正比於壓力的輸出電壓。利用張絲式應變計的原理還可製成扭矩感測器和加速度計。

圖1 電阻應變計結構

發展

電阻應變計的品種日益增加，套用範圍也日益擴大，除了常用的品種和規格外，還有各種不同用途的應變計，如溫度白補償應變計、大應變應變計、應力計、測量殘餘應力的應變花等。利用箔式應變計的製造技術，還能生產出可以測量溫度、壓力、疲勞壽命、裂紋擴展情況的各種片式檢測元件（包括測溫片、測壓片、疲勞壽命計、裂紋擴展計等）。