电阻应变片的工作原理及其工作特性

5.2　电阻应变片的工作原理及其工作特性

5.2.1　应变片的构造及其工作原理

5.2.1.1　应变片的构造

应变片的形式种类很多，但一般都由敏感栅、引线、基底、覆盖层及粘结剂等组成，如图5-2所示。

敏感栅是在应变片中实现将应变机械量转变成电阻变量的敏感元件，如图5-2所示，L是应变片标距，X-X为灵敏轴线(即应变片轴线)，沿灵敏轴线的应变最敏感;引线的作用是便于与导线焊接;基底是保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，并对被测构件起绝缘作用;覆盖层用于保护敏感栅，也是一绝缘层。

.敏感栅; 2.引线; 3.粘结剂; 4.覆盖层; 5.基底

图5-2箔式应变片

5.2.1.2　应变片的工作原理

应变片是利用金属丝的电阻值随其机械变形而变化的“应变电阻效应”特性做成的敏感元件。

如将应变片粘贴到标定试样上，使试样产生已知应变，测量应变片的电阻变化，就会发现在一定的应变范围内，应变片的相对电阻变化与试样的应变之间保持线性关系，即

式中:R是应变片电阻;ΔR是应变片感受应变后的电阻变化;ε是试样沿应变片灵敏轴线方向的应变;K是常数，称为应变片灵敏系数。

5.2.2　应变片分类

应变片的分类方法较多，通常根据敏感栅材料、形状、数量，应变片的标距、基底、工作温度和用途等分类，常见的有以下几种分类方法:按敏感栅所用材料可分为金属栅和半导体两大类;按敏感栅形状，可分为绕线式、箔式和短接式;按敏感栅数量可分为单轴和多轴应变片(应变花);按敏感栅标距，可分为短标距、中标距和长标距3种;按基底材料可分为胶基、纸基、金属基和其他(玻璃纤维、云母等)基底几种;按使用温度可分为常温片、中温片、高温片和低温片。此外，还有一些特殊用途的应变片，如测应力集中应变片，残余应力测量片、水下应变片、裂纹扩展片、测温片等。

图5-3至图5-5所示分别为绕线式、短接式和半导体应变片结构。其中绕线式、短接式合称为丝式应变片。图5-6所示为常用的三种箔式应变花。

图5-3　绕线式应变片

图5-4　短接式应变片

图5-5　半导体应变片

5.2.3应变片的工作特性

应变片的工作特性由实验测定，它能反映应变片性能的优劣，下面简要介绍常温应变片工作特性及其测定方法。

图5-6　箔式应变花

5.2.3.1　应变片电阻

应变片在未安装时，置于室温环境下所测得的电阻值，可准确到0.1Ω。应变片标称电阻有60Ω、120Ω、350Ω、500Ω和1000Ω几种。其中以120Ω为标准值。制造厂在出厂前对应变片电阻进行逐个测量，并按阻值分装。包装盒上注明的是同一包应变片的平均电阻值及相对于平均电阻值的最大偏差。

5.2.3.2　灵敏系数K

应变片的灵敏系数是指应变片在轴线方向的单向应力作用下，应变片电阻的相对变化()与试样应变(ε)之比，通常用K表示，如式(5-1)所示:

根据误差理论，灵敏系数K和相对标准误差δ由下式计算:

式中:n为应变片抽样数;K_i为抽样试验各片测得的灵敏系数;K为本批应变片灵敏系数的平均值;S为标准误差。

5.2.3.3　横向效应系数

应变片由于其横向变形而引起的电阻改变现象，称为横向效应。应变片横向效应大小用横向效应系数H来表征，并由实验测定。根据实验可以得到:

式中:1、2分别表示安装到产生单向应变的标定试样上的片1与片2。片1沿应变片方向，片2垂直应变片方向。

式中:K_x、K_y分别表示应变片的轴向为X、垂直基底方向为Y的轴向和横向灵敏系数。

式中:ε₁、ε₂分别表示应变片1和片2的应变测试值;μ₀为标定试样的泊松比。

应变片的横向效应系数与敏感栅的形状和标距长度有关，标距越小，栅条数越多，H值越大。横向效应系数也是抽样实验测定的，但不是每批都测量，仅在改变了敏感栅的材料、形状和尺寸时，应重新测量。H值一般不在包装盒上注明。

5.2.3.4　应变极限

在室温条件下，给安装有应变片的试样施加的应变逐渐增加，当应变片的指示应变与试样实际应变相差达10%时，此时试样的应变称为应变片的应变极限。

5.2.3.5　疲劳极限

安装在试样上的应变片，在一定幅值的交变应力作用下，应变片不损坏，且指示应变与试样应变之差不超过规定值时的应变循环次数，称之为应变片的疲劳寿命。

5.2.3.6　机械滞后

对安装有应变片的试样进行加载和卸载，当试样应变达到同一水平时，计算应变片在加、卸载过程中指示应变的差值，称为应变片的机械滞后。

5.2.3.7　蠕变

已安装的应变计在温度恒定条件下，承受恒定的机械应变时，在规定的时间内(较长时间)，应变片指示应变随时间的变化称为蠕变。

5.2.3.8　绝缘电阻

应变计绝缘电阻是指敏感栅及引线与被测构件之间的电阻值。

常温应变片的分级标准见表5-1。

表5-1　常温电阻应变片分级标准