电阻应变片的种类及特点分析

电阻应变片的种类繁多，分类方法各异，下面介绍几种常见的应变片及特点。

1.电阻丝应变片

此类应变片一般做成U形、V形或H形，最常用的为U形，如图2.1-2所示。根据基片材料的不同又可把应变片分为：纸基、纸浸胶基和胶基等几种类型。纸基的应变片制造简单、价格便宜、易于粘贴，但耐热性和耐潮湿性不好，一般多在短期的室内试验中使用。如在其它恶劣环境中使用，必须采取有效的防护措施，使用温度一般在70℃以下。用酚醛树脂或聚脂树脂等胶液将纸进行渗透、硬化等处理后，纸基的应变片的特性得到很大改善，使用温度可达到180℃，抗潮湿性能也较好，并且可长期使用。应变片的基片也可以用环氧树脂、酚醛树脂和聚脂树脂等有机聚合物的薄片直接制成，其性能基本上与纸浸胶基的应变片相同。表2.1-1给出了制造电阻丝应变片的几种电阻丝材料性能。

图2.1-2　几种常见的金属丝应变片

表2.1-1　制造电阻丝应变片的几种电阻丝材料性能

表2.1-1所列材料中，康铜用得最多，因为这种材料的应变灵敏系数比较稳定，并能在弹性范围和塑性范围内保持不变。另外，康铜的电阻温度系数小且稳定，因而测量时温度误差小。由于电阻丝很细，所以允许流过的安全电流一般为10mA（直径为0.02mm时）到40mA（直径为0.04mm时）之间。

2.金属箔式应变片

金属箔式应变片工作原理和电阻丝式应变片相同，其结构如图2.1-3所示。它是用很薄的金属箔片，通过光刻技术、腐蚀等工序制成的金属箔栅，金属箔的厚度一般在0.003～0.01mm之间，基片和覆盖片多为胶质膜基片，其厚度多在0.03～0.05mm之间。与电阻丝式应变片比较，箔式应变片的特点是：

1）金属箔栅很薄，当箔材和丝材具有同样的截面积时，箔材与粘接层的接触面积要比丝材大，使它能很好地和弹性体共同工作。其次，箔材的端部较宽，横向电阻应变效应相应较小，因而提高了应变测量精度。

2）箔材表面积大，散热条件好，允许通过较大的电流，因而可输出较强的信号，提高了测量精度。

3）采用光刻技术，可做成任何精确的形状，便于成批生产，特别是为制造应变花和小标准应变片提供了可能，从而扩大了应变片的使用范围。

4）由于是用薄箔片制成，柔性好，可贴于各种形状的试件上。

其缺点是生产工序较复杂，引出线的焊点采用锡焊，不适于高温下测量。此外，价格较贵。

几种常用的国产应变片的技术数据列于表2.1-2中。

图2.1-3　金属箔式应变片结构示意图

表2.1-2　几种常用的国产应变片的技术数据

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图2.1-4　半导体应变片结构示意图

3.半导体应变片

图2.1-4为半导体应变片的结构示意图。半导体应变片主要用硅半导体材料的压阻效应制作而成。如果在半导体晶体上施加作用力，晶体除产生应变外，其电阻率会发生变化。这种由外力引起半导体材料电阻率变化的现象称为半导体的压阻效应。不同类型的半导体，施加不同的载荷方向，压阻效应也不一样。压阻效应大小一般用压阻系数表示。对于简单的拉伸与压缩，当半导体应变片只沿纵向受到力的作用时，电阻率的相对变化与作用力的关系为

式中 πl——纵向压阻系数；

σ——应力；

E——半导体材料的弹性模量；

ε——沿半导体小条纵向的应变。

如果半导体应变片是具有一定尺寸的电阻率为ρ的棒状物，则在应力作用下的电阻相对变化与金属材料的应变效应相同，即可用下式表示

将式（2.1-7）代入式（2.1-8）得

式（2.1-9）右边括号中的第一、第二项是由材料几何尺寸变化引起的，第三项为压阻效应的影响，其值远大于前两项之和，故可略去前两项。因此半导体的灵敏系数K可表示为

半导体应变片的灵敏系数不是一个常数，在其它条件不变的情况下，它也会随应变片所承受的应变大小和方向不同而有所变化，如图2.1-5所示。在600με以下时，灵敏度的线性很好，在600με以上时，其非线性很明显，而且在拉应变方向上上翘，在压应变方向上下跌。

图2.1-5　ΔR/R—με曲线

图2.1-6　R—t曲线

半导体应变片的阻值较大，可达5～50kΩ，灵敏系数K高达100以上，可测微小应变；此外它的机械滞后小，响应速度快，响应时间可在10－11s数量级，常用于制作高频率传感器。它的主要缺点，一是温度稳定性差，其电阻值随温度的变化如图2.1-6所示；二是灵敏度的非线性大，所以在使用时，必须采用温度补偿和非线性补偿措施。在实际测量中是否选用半导体应变片，要根据测量内容、精度要求、试验环境等因素，并结合半导体应变片的特点而定。