4．1．2　種類和選用

常用的電阻應(yīng)變片有三種類型：

（1）電阻絲式應(yīng)變片。如圖4．1所示，線材直徑在0．025mm左右，為增大電阻應(yīng)變片的電阻值，而又不使電阻絲太細(xì)，常將電阻應(yīng)變片制成柵狀，也就是敏感柵。

圖4．1　電阻絲式應(yīng)變片示意圖

4．2　箔式應(yīng)變片示意圖

（2）箔式應(yīng)變片。如圖4．2所示，電阻敏感元件不是金屬絲，而是用光刻、腐蝕等工藝制成的一種很薄的金屬箔柵，箔柵厚一般在0．003～0．01mm之間，箔材表面積大，散熱條件好，允許通過的電流大。應(yīng)變箔片感受的應(yīng)力狀態(tài)與試件表面應(yīng)力狀態(tài)更為接近，同時(shí)端部較寬，橫向效應(yīng)較小，這就提高了應(yīng)變的測量精度。

（3）半導(dǎo)體式應(yīng)變片。是應(yīng)用單晶硅半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)，即對單晶硅某一軸向施加一定載荷產(chǎn)生應(yīng)力時(shí)，其電阻率會(huì)發(fā)生一定的變化。它與上述金屬應(yīng)變原理不同。半導(dǎo)體式應(yīng)變片的靈敏度比金屬電阻式應(yīng)變片約高50倍，但其電阻溫度系數(shù)大，且靈敏系數(shù)非線性嚴(yán)重。

應(yīng)變片的主要工作特性分為靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性兩種。靜態(tài)特性是指應(yīng)變片感受試件不隨時(shí)間變化或變化很緩慢的應(yīng)變時(shí)的輸出特性。表征應(yīng)變片靜態(tài)特性的主要指標(biāo)有靈敏系數(shù)、機(jī)械滯后、應(yīng)變極限、蠕變等。動(dòng)態(tài)特性是指當(dāng)輸入的機(jī)械應(yīng)變是一個(gè)隨時(shí)間而變化的量時(shí)，應(yīng)變片對這種輸入量的響應(yīng)特性。另外，應(yīng)變片的阻值會(huì)受到環(huán)境溫度的影響，原因之一是應(yīng)變片的電阻絲具有一定的溫度系數(shù)，原因之二是電阻絲材料與被測試件材料的膨脹系數(shù)不同。有時(shí)因溫度變化引起電阻的變化與試件由應(yīng)變引起電阻的變化有同一數(shù)量級，而導(dǎo)致無法正常工作，應(yīng)予以注意。

電阻應(yīng)變式傳感器是目前應(yīng)用最廣泛的傳感器之一，將電阻應(yīng)變片粘貼到各種彈性敏感元件上，可制成測量位移、加速度、力、力矩、壓力等各種參數(shù)的電阻應(yīng)變式傳感器。在不同應(yīng)用情況下如何正確選用合適的應(yīng)變片是一個(gè)很重要的問題。

為了正確選用電阻應(yīng)變片，應(yīng)了解影響其工作特性的主要參數(shù)：

（1）應(yīng)變片電阻值R₀。是指未安裝的應(yīng)變片在不受外力、室溫條件下測定的電阻值，也稱原始阻值，單位為Ω。電阻值R₀越大，應(yīng)變片能承受的電壓越高，因而輸出信號越大。應(yīng)變片電阻值已趨于標(biāo)準(zhǔn)化，有60Ω、120Ω、350Ω、600Ω、1 000Ω等阻值，其中120Ω的使用較多。

（2）絕緣電阻。是指敏感柵與基底間的電阻值，一般應(yīng)大于10¹⁰Ω。

（3）靈敏系數(shù)k。是指應(yīng)變片安裝于試件表面，在其軸線方向的單向應(yīng)力作用下，應(yīng)變片的阻值相對變化與試件表面上安裝應(yīng)變片區(qū)域的軸向應(yīng)變之比。k值的準(zhǔn)確性將直接影響測量準(zhǔn)確度，其誤差大小是衡量應(yīng)變片質(zhì)量優(yōu)劣的主要標(biāo)志。同時(shí)，要求k值盡量大且穩(wěn)定。

（4）允許工作電流。是指不因電流產(chǎn)生熱量影響測量準(zhǔn)確度，所允許通過的最大工作電流。它與應(yīng)變片本身、試件、黏合劑和環(huán)境等因素有關(guān)，應(yīng)根據(jù)應(yīng)變片的阻值并結(jié)合電路具體情況計(jì)算。為了保證測量準(zhǔn)確度，靜態(tài)測量時(shí)允許電流一般為25mA；動(dòng)態(tài)測量時(shí)允許電流可達(dá)75～100mA。箔式應(yīng)變片允許電流較大。

（5）應(yīng)變極限。是指當(dāng)溫度一定時(shí)，指示應(yīng)變值與真實(shí)應(yīng)變值的相對差值不超過一定數(shù)值時(shí)的最大真實(shí)應(yīng)變數(shù)值，一般差值規(guī)定為10%。當(dāng)指示應(yīng)變值大于真實(shí)應(yīng)變值的10%時(shí)，真實(shí)應(yīng)變值稱為應(yīng)變片的極限應(yīng)變。

（6）機(jī)械滯后。是指對粘貼的應(yīng)變片當(dāng)溫度一定時(shí)，增加和減少機(jī)械應(yīng)變過程中同一機(jī)械應(yīng)變量下指示應(yīng)變的最大差值。

（7）零點(diǎn)漂移。是指已粘貼好的應(yīng)變片，在一定的溫度條件下且無機(jī)械應(yīng)變時(shí)，指示應(yīng)變隨時(shí)間的變化。

（8）蠕變。是指已經(jīng)粘貼好的應(yīng)變片，當(dāng)溫度一定并承受一定的機(jī)械應(yīng)變時(shí)，指示應(yīng)變值隨時(shí)間的變化。

選用應(yīng)變片時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）應(yīng)變片適用于電阻值變化小的場合，它的準(zhǔn)確度、分辨率都較高，誤差可小于1%，分辨率可達(dá)1～2微應(yīng)變（1微應(yīng)變?yōu)?×10^－6 mm／mm）的微小應(yīng)變。當(dāng)電阻值變化較大時(shí)，一般不用應(yīng)變片，而選用電位器式電阻傳感器。

（2）在可能的條件下，要選擇k大的應(yīng)變片。k越大，表示單位應(yīng)變所產(chǎn)生的電阻變化越大，即對應(yīng)變越敏感。同時(shí)，要選擇k在測量范圍內(nèi)保持常數(shù)，這樣才能保證應(yīng)變片的應(yīng)變和電阻變化率有線性關(guān)系。

（3）在可能條件下，要選擇電阻系數(shù)ρ大、溫度系數(shù)小的應(yīng)變片。ρ大，意味著對于一定的電阻值及同樣線徑條件下所需電阻絲的長度短。

（4）電阻應(yīng)變片可測靜態(tài)應(yīng)變，也可測快速交變應(yīng)力。因此，在動(dòng)態(tài)測量時(shí)也可選用適當(dāng)?shù)膽?yīng)變片。

（5）電阻應(yīng)變片尺寸小，重量輕，能抗惡劣環(huán)境。在一些特殊場合下，得到廣泛應(yīng)用。

表4．1給出了常用的金屬電阻應(yīng)變片材料的一些性能數(shù)據(jù)。

表4．1　電阻應(yīng)變片常用金屬材料

在表4．1所示材料中，康銅是應(yīng)用最廣泛的應(yīng)變片材料，它穩(wěn)定性好，測量范圍大，溫度系數(shù)小，易加工，易焊接，是室溫條件下理想的應(yīng)變敏感材料。此外，鎳鉻合金也是廣泛應(yīng)用的應(yīng)變敏感材料。