电阻应变计(应变片)原理

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1、第2章电阻应变计的原理及使用2.1电阻应变计的工作原理电阻应变计习惯称为电阻应变片，简称应变计或应变片。出现于第二次世界大战结束的前后，已经有六十多年的历史。电阻应变计的应用范围十分广泛，适用的结构包括航空、航天器、原子能反应堆、桥梁、道路、大坝以及各种机械设备、建筑物等；适用的材料包括钢铁、铝、木材、塑料、玻璃、土石、复合材料等各种金属及非金属材料。并且，它不仅适用于室内实验、模型实验，还可以在现场对实际结构或部件进行测量，这些特点是任何一种传感元件或传感器所不能比拟的。另外，它在对结构和设备的安全监测方面也有广泛的应用前景。电阻应变计是一种用途广泛的高精度力学量传感元件，其基本任务

2、就是把构件表面的变形量转变为电信号，输入相关的仪器仪表进行分析。在自然界中，除超导外的所有物体都有电阻，不同的物体导电能力不同。物体电阻的大小与物体的材料性能和几何形状有关，电阻应变计正是利用了导体电阻的这一特点。电阻应变计的最主要组成部分是敏感栅。敏感栅可以看成为一根电阻丝，其材料性能和几何形状的改变会引起栅丝的阻值变化。设一根金属电阻丝，其材料的电阻率为ρ，原始长度为L。不失一般性，假设其横截面是直径为D的圆形，面积为A，初始时该电阻丝的电阻值为R：LR=ρ（2-1）A在外力作用下，电阻丝会产生变形。假设电阻丝沿轴向伸长，其横向尺寸会相应缩小，2πD横截面的半径减少导致横截面面积发

3、生变化。导线的横截面原面积为A=，其相对变4化为dAdDdL=2=−2μ（2-2）ADL其中μ为金属丝材料的泊松比。dL/L为金属导线长度的相对变化，用应变表示，即：dLε=(2-3)L在电阻丝伸长的过程中所产生的电阻值的变化成为：dRdρdLdAdρ=+−=+(1+2μ)ε（2-4）RρLAρ在式中，前一项是由金属丝变形后电阻率发生变化所引起的；后一项是由金属丝变形后几何尺寸发生变化所引起的。在常温下，许多金属材料在一定的应变范围内，电阻丝的相对电阻变化与丝的轴向长度的相对变化成正比。即：dR=Kε（2-5）sR1dρ其中：K=+(1+2μ)（2-6）sερ5式中，Ks为单根金属丝的

4、灵敏系数。表示金属丝的电阻变化率与它的轴向应变成线性关系。根据这一规律，采用能够较好地在变形过程中产生电阻变化的材料，制造将应变信号转换为电信号的电阻应变计。2.2电阻应变计的结构电阻应变计主要由敏感栅、基底、覆盖层及引出线所组成，敏感栅用粘合剂粘在基底和覆盖层之间。一种丝绕式应变计的典型结构如图2-1所示。2.2.1敏感栅敏感栅是用合金丝或合金箔制成的栅。它能将被测构件表面的应变转换为电阻相对变化。由于它非常灵敏，故称为敏感栅。它由纵栅与横栅两部分组成，纵栅的中心线称为应变计的轴线。敏感栅的尺寸用栅长L（横栅为圆弧形时，指两端圆弧内侧之间的距离；横栅为直线形时，则为两端横栅内侧之间的

5、距离）和栅宽B（在与纵轴垂直的方向上，敏感栅外侧之间的距离）表示，参见图2-2。栅长尺寸一般为0.2~100毫米。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

6、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。通常对制造应变计敏感栅的材料的要求主要是：1.灵敏系数KS高，而且在较大的应变范围内保持为常数。康铜丝在弹性状态和塑性状态下，KS值基本上是常数。2.敏感栅材料的弹性极限要高于被测构件材料的弹性极限，以免在测试中因敏感栅先出现塑性变形而影响测试精度。3.电阻率ρ高，分散度小，随时间变化小。4.电阻温度系数小，在宽的温度范围内保持不变；分散度小，对温度循环有完全的重复性；有足够的稳定性，以减小由温度变化而引起的测量误差。5.延伸率高，耐腐蚀性好，疲劳强度高。6.焊接性能好，易熔焊和电焊；对引线的热电势小。7.

7、加工性能好，以便制成细丝或箔片。应变计常用金属材料的物理性能见表2-1。表中的电阻温度系数为20ْC以下、温度升高一度时材料的电阻变化率。6表2-1应变计常用金属材料的物理性能牌号或成分灵敏系数电阻率ρ电阻温度系材料名称2-6名称元素%KS（Ωmm/m）数(10/ºC)Cu55铜镍合金康铜1.9~2.10.45~0.52+20Ni45Fe55.5Ni36铁镍铬合金3.60.84300Cr8Mo0.5Ni802.1~2.31.0~1.1110~1