应变式传感器原理

电阻式应变式传感器具有悠久的历史。由于它具有结构简单、体积小、使用方便、性能稳定、可靠、灵敏度高、动态响应快、适合静态及动态测量、测量精度高等诸多有点，因此是目前应用最广泛的传感器之一。电阻应变式传感器由弹性元件和电阻应变片构成。当弹片元件感受被测物理量时，其表面产生应比阿尼，粘贴在弹性元件表面的电阻应变片的电阻值将随弹性元件的应变而相应变化。通过测量电阻应变化的电阻值变化，可以用来测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数。

1. 电阻的应变效应

   电阻应变片的工作原理是基于金属的应变效应。金属丝的电阻随着它所受的机械形变（拉伸或压缩）的大小而发生相应变化的现象称为金属的电阻应变效应。

   假设一根金属电阻丝，其电阻值设为R，电阻率为ρ，截面积为S，长度为l，则电阻的表达式为

   R=ρl/S

   当电阻丝受到拉力作用时将沿轴线伸长，伸长量设为Δl，横截面积相应减少ΔS，电阻率的变化率为Δρ，则电阻的相对变化量为

   

   对于半径为r的圆导体，S=πr²,ΔS/S=2Δr/r。又由材料力学可知，在弹性范围内，Δl/l=ε，Δr/r=-με,Δρ/ρ=λσ=λEε,代入可得

   

   式中，ε为导体的纵向应变，其数值一般很小，常以微应变度量；μ为电阻丝材料的泊松比，一般金属μ为0.3~0.5，λ为压阻系数，与材质有关；σ为应力值；E为材料的弹性模量。（1+2μ）ε表示由于几何尺寸变化而引起的电阻的相对变化量，λEε表示由于材料电阻率的变化而引起的电阻的相对变化量。不同属性的导体，这两项所占比例相差很大。

   通常把单位应变所引起的电阻值相对变化称为电阻丝的灵敏系数，并用K₀表示，则

   

   K₀与金属材料和电阻丝形状有关。显然，K₀越大，单位纵向应变所引起的电阻值相对变化越大，说明应变片越灵敏。大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即K₀为常数。因此，上式可表示为

   

2. 应变片的结构与种类

      金属电阻应变片分为丝式应变片，箔式应变片和薄膜应变片3种。

      金属电阻应变片的基本结构大体相同，使用最早的是电阻丝应变片，将直径约为0.025mm的高电阻率的电阻应变丝弯曲成栅状电阻体，粘贴在绝缘基片和覆盖层之间，由引线与外部电路相连。这样构成的应变片再通过黏结剂与感受被测物理量的弹性体黏结。

   对于金属电阻应变片，材料电阻率随应变的变化很小，可忽略。

   

   由此可见，应变片电阻的相对变化与应变片纵向应变成正比，并且对同一电阻材料，K₀=1+2μ是常数。一般用于制造电阻丝应变片的金属丝其灵敏系数多在1.7~3.6.

   箔式电阻应变片是利用照相制板或光刻腐蚀技术，将电阻箔材（厚为1-10μm）做在绝缘基底上，制成各种形变的应变片，它具体尺寸准确，线条均匀，适应不同的测量要求，传递试件应变性能好，横向效应小，散热性能好，允许通过的电流较大，易于批量生产等诸多优点，因此得到广泛应用，现在基本取代了金属丝电阻应变片。

      薄膜应变片是采用真空蒸镀、沉积或溅射的方法，将金属材料的绝缘基底上制成一定形状厚度在0.1μm以下的薄膜而形成敏感栅，最后再加上保护层。它的优点是灵敏度系数高，允许电流密度大，工作范围广，易实现工业化生产，是一种很有前途的新型应变片。

      电阻应变片必须被粘贴在试件或弹性元件上才能工作。黏粘剂与粘贴技术对测量结果有着直接的影响，因此，黏结剂的选择、粘贴技术、应变片的保护等必须认真做好。