种类和选用

4．1．2　种类和选用

常用的电阻应变片有三种类型：

（1）电阻丝式应变片。如图4．1所示，线材直径在0．025mm左右，为增大电阻应变片的电阻值，而又不使电阻丝太细，常将电阻应变片制成栅状，也就是敏感栅。

图4．1　电阻丝式应变片示意图

4．2　箔式应变片示意图

（2）箔式应变片。如图4．2所示，电阻敏感元件不是金属丝，而是用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅，箔栅厚一般在0．003～0．01mm之间，箔材表面积大，散热条件好，允许通过的电流大。应变箔片感受的应力状态与试件表面应力状态更为接近，同时端部较宽，横向效应较小，这就提高了应变的测量精度。

（3）半导体式应变片。是应用单晶硅半导体的压阻效应，即对单晶硅某一轴向施加一定载荷产生应力时，其电阻率会发生一定的变化。它与上述金属应变原理不同。半导体式应变片的灵敏度比金属电阻式应变片约高50倍，但其电阻温度系数大，且灵敏系数非线性严重。

应变片的主要工作特性分为静态特性和动态特性两种。静态特性是指应变片感受试件不随时间变化或变化很缓慢的应变时的输出特性。表征应变片静态特性的主要指标有灵敏系数、机械滞后、应变极限、蠕变等。动态特性是指当输入的机械应变是一个随时间而变化的量时，应变片对这种输入量的响应特性。另外，应变片的阻值会受到环境温度的影响，原因之一是应变片的电阻丝具有一定的温度系数，原因之二是电阻丝材料与被测试件材料的膨胀系数不同。有时因温度变化引起电阻的变化与试件由应变引起电阻的变化有同一数量级，而导致无法正常工作，应予以注意。

电阻应变式传感器是目前应用最广泛的传感器之一，将电阻应变片粘贴到各种弹性敏感元件上，可制成测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数的电阻应变式传感器。在不同应用情况下如何正确选用合适的应变片是一个很重要的问题。

为了正确选用电阻应变片，应了解影响其工作特性的主要参数：

（1）应变片电阻值R₀。是指未安装的应变片在不受外力、室温条件下测定的电阻值，也称原始阻值，单位为Ω。电阻值R₀越大，应变片能承受的电压越高，因而输出信号越大。应变片电阻值已趋于标准化，有60Ω、120Ω、350Ω、600Ω、1 000Ω等阻值，其中120Ω的使用较多。

（2）绝缘电阻。是指敏感栅与基底间的电阻值，一般应大于10¹⁰Ω。

（3）灵敏系数k。是指应变片安装于试件表面，在其轴线方向的单向应力作用下，应变片的阻值相对变化与试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比。k值的准确性将直接影响测量准确度，其误差大小是衡量应变片质量优劣的主要标志。同时，要求k值尽量大且稳定。

（4）允许工作电流。是指不因电流产生热量影响测量准确度，所允许通过的最大工作电流。它与应变片本身、试件、黏合剂和环境等因素有关，应根据应变片的阻值并结合电路具体情况计算。为了保证测量准确度，静态测量时允许电流一般为25mA；动态测量时允许电流可达75～100mA。箔式应变片允许电流较大。

（5）应变极限。是指当温度一定时，指示应变值与真实应变值的相对差值不超过一定数值时的最大真实应变数值，一般差值规定为10%。当指示应变值大于真实应变值的10%时，真实应变值称为应变片的极限应变。

（6）机械滞后。是指对粘贴的应变片当温度一定时，增加和减少机械应变过程中同一机械应变量下指示应变的最大差值。

（7）零点漂移。是指已粘贴好的应变片，在一定的温度条件下且无机械应变时，指示应变随时间的变化。

（8）蠕变。是指已经粘贴好的应变片，当温度一定并承受一定的机械应变时，指示应变值随时间的变化。

选用应变片时，应注意以下几点：

（1）应变片适用于电阻值变化小的场合，它的准确度、分辨率都较高，误差可小于1%，分辨率可达1～2微应变（1微应变为1×10^－6 mm／mm）的微小应变。当电阻值变化较大时，一般不用应变片，而选用电位器式电阻传感器。

（2）在可能的条件下，要选择k大的应变片。k越大，表示单位应变所产生的电阻变化越大，即对应变越敏感。同时，要选择k在测量范围内保持常数，这样才能保证应变片的应变和电阻变化率有线性关系。

（3）在可能条件下，要选择电阻系数ρ大、温度系数小的应变片。ρ大，意味着对于一定的电阻值及同样线径条件下所需电阻丝的长度短。

（4）电阻应变片可测静态应变，也可测快速交变应力。因此，在动态测量时也可选用适当的应变片。

（5）电阻应变片尺寸小，重量轻，能抗恶劣环境。在一些特殊场合下，得到广泛应用。

表4．1给出了常用的金属电阻应变片材料的一些性能数据。

表4．1　电阻应变片常用金属材料

在表4．1所示材料中，康铜是应用最广泛的应变片材料，它稳定性好，测量范围大，温度系数小，易加工，易焊接，是室温条件下理想的应变敏感材料。此外，镍铬合金也是广泛应用的应变敏感材料。