电阻应变片的结构和分类

（1）电阻应变片的结构

电阻应变片种类繁多，形式多样，其中常见的丝绕式应变片是将一根高电阻率金属丝（直径为0．025mm左右，常用的材料为康铜、镍铬合金镍铬铁合金、铂及铂金等）制成的敏感栅2粘贴在用纸、胶膜和玻璃纤维布等制成的绝缘基底1上，敏感栅的两端焊接有引出低电阻率和低温度系数的引出导线4，敏感栅上面粘贴有防机械损伤、防高温氧化和防潮用的覆盖层3。

图5．32 丝式电阻应变片的几何结构

1—基底；2—敏感栅；3—覆盖层；4—引线

如图5．32所示，l称为应变片的标距或基长，它是敏感栅沿轴方向测量变形的有效长度。其宽度b指最外两敏感栅外侧之间的距离。

（2）电阻应变片的分类

电阻应变片按敏感栅的材料分类，可分为金属应变片和半导体应变片两大类。其中，金属应变片又分为丝式、箔式（体型）和薄膜式，半导体应变片又分为体型、薄膜型、扩散型、结型。按应变片的工作温度分类，可分为低温（－30℃以下）、常温（－30～60℃）、中温（60～300℃）和高温应变片（300℃以上）。

1）丝式电阻应变片

丝式电阻应变片分为回线式和短接式两种，如图5．33所示。回线式制作简单、性能稳定、价格便宜、易于粘贴；缺点在于存在较为严重的横向效应。短接式应变片将敏感栅平行安放，两端用直径比栅径直径大5～10倍的镀银丝短接而构成，可以有效地克服横向效应的影响，但由于焊点多，在冲击、振动条件下，易在焊接点处出现疲劳破坏，对制造工艺的要求高。

图5．33 丝式电阻应变片

2）箔式应变片

箔式应变片的基本结构如图5．34所示，其敏感栅是用厚度为0．003～0．01mm的金属箔经照相刻板或光刻腐蚀等工艺在绝缘基底上制成的。通常将箔式应变片制成应变花形状（图5．35），以适应各种工艺和使用场合的需求。箔式应变片的优点在于表面积大、散热性能好，能承受较大的工作电流和高电压，且横向效应、蠕变、机械滞后较小，易加工，便于大量生产，寿命长，因此已逐渐取代了丝式电阻应变片。

图5．34 箔式电阻应变片基本结构

图5．35 常见电阻应变花的形状

3）半导体应变片

许多半导体材料和金属材料一样具有电阻应变效应，且电阻应变效应也是由几何效应和压阻效应组成的，所不同的是，半导体材料的压阻效应特别显著。半导体应变片的工作原理就是基于半导体材料的压阻效应的。

半导体应变片利用锗或硅等半导体材料的体电阻制成敏感栅（体型），或在半导体材料的基片上利用集成电路工艺制成（扩散型），一般为单根状。

半导体应变片受轴向力作用时，其电阻R的相对变化为

式中 dρ／ρ——半导体应变片受轴向力作用时的电阻率相对变化，与金属电阻应变片一样，它表征了压阻效应的大小。

实验证明，半导体材料的电阻率相对变化与轴向应变成正比，即

式中 π——半导体材料的压阻系数，为一常数；

E——半导体材料的弹性模量。

由此可知，式（5．51）和式（5．47）在数学表达式上是完全一样的，所不同的是，半导体应变片受轴向力作用时的电阻率相对变化远大于金属电阻应变片。

将式（5．51）代入式（5．52）可得

实验证明，半导体材料的压阻效应（πE）远大于其几何效应（1＋2μ），因此，几何效应可忽略，故半导体应变片的灵敏度系数可写为

体型半导体应变片突出的优点是体积小，灵敏度高（半导体材料的压阻效应πE通常在50～100，而金属丝的几何效应1＋2μ只有2左右），并且频率响应范围很宽，适合于动态测量。其主要缺点是温度系数较大、存在较严重的非线性等。

4）薄膜应变片

薄膜应变片是采用真空沉积或高频溅射等方法，在绝缘基片上形成厚度在0．1mm以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅（厚度大约为箔式应变片的1／10以下）而制成的。

薄膜应变片是今后应变片发展的方向，其优点是：应变灵敏系数大，可靠性好，精度高，容易做成高阻抗的小型应变片，无迟滞和蠕变现象，具有良好的耐热性和冲击性能等。通常用化学气相淀积法制备薄膜，其成膜温度低，可靠性好，系统简单。