電阻應(yīng)變計

將半導(dǎo)體應(yīng)變計安裝在被測構(gòu)件上，在構(gòu)件承受載荷而產(chǎn)生應(yīng)變時，其電阻率將發(fā)生變化。半導(dǎo)體應(yīng)變計就是以這種壓阻效應(yīng)作為理論基礎(chǔ)的，其敏感柵由鍺或硅等半導(dǎo)體材料制成。這種應(yīng)變計可分為體型(圖5)和擴散型兩種。前者的敏感柵由單晶硅或鍺等半導(dǎo)體經(jīng)切片和腐蝕等方法制成，后者的敏感柵則是將雜質(zhì)擴散在半導(dǎo)體材料中制成的。半導(dǎo)體應(yīng)變計的優(yōu)點是靈敏系數(shù)大，機械滯后和蠕變小，頻率響應(yīng)高;缺點是電阻溫度系數(shù)大，靈敏系數(shù)隨溫度而顯著變化，應(yīng)變和電阻之間的線性關(guān)系范圍小。正確選擇半導(dǎo)體材料和改進生產(chǎn)工藝，這些缺點可望得到克服。半導(dǎo)體應(yīng)變計多用于測量小的應(yīng)變(10-1微應(yīng)變到數(shù)百微應(yīng)變),已廣泛用于應(yīng)變測量和制造各種類型的傳感器(見電阻應(yīng)變計式傳感器)。

半導(dǎo)體應(yīng)變計中用薄膜作敏感柵的稱為薄膜應(yīng)變計。它是將金屬、合金或半導(dǎo)體材料，用真空鍍膜、沉積或濺射方法，在絕緣基底上制成一定形狀的薄膜，其厚度從幾十納米至幾萬納米不等。此外，還有靈敏系數(shù)很大的p-n結(jié)半導(dǎo)體應(yīng)變計和壓電場效應(yīng)應(yīng)變計。 這種應(yīng)變計是通過規(guī)定的掩板在表面有絕緣層的金屬材料或玻璃等無機材料上濺射或沉積一層電阻材料薄膜制成的，也可采用光刻方法制造。還可直接將電阻材料沉積在傳感器的彈性敏感元件上，達到更佳的效果。

將電阻應(yīng)變計安裝在構(gòu)件表面，構(gòu)件在受載荷后表面產(chǎn)生的微小變形(伸長或縮短)，會使應(yīng)變計的敏感柵隨之變形,應(yīng)變計的電阻就發(fā)生變化,其變化率和安裝應(yīng)變計處構(gòu)件的應(yīng)變 ε成比例。測出此電阻的變化，即可按公式算出構(gòu)件表面的應(yīng)變，以及相應(yīng)的應(yīng)力。敏感柵的柵長一般為 0.2~100毫米， 電阻為60~1000歐(最常用的為120歐和350歐)，測量范圍為幾微應(yīng)變至數(shù)萬微應(yīng)變(με，1微應(yīng)變=10-6毫米/毫米)。

按敏感柵的材料，電阻應(yīng)變計分為金屬電阻應(yīng)變計和半導(dǎo)體應(yīng)變計兩類。

金屬電阻應(yīng)變計的種類、所使用的材料和安裝方法分述如下:

這種應(yīng)變計的敏感柵最常用的有絲繞式和短接線式兩種(圖2)。①絲繞式的敏感柵是用直徑 0.015~0.05毫米的金屬絲連續(xù)繞制而成，端部呈半圓形。如果安裝應(yīng)變計的構(gòu)件表面存在兩個方向的應(yīng)變，此圓弧端除了感受縱向應(yīng)變外，還能感受橫向應(yīng)變，后者稱為橫向效應(yīng)。若對測量精度的要求較高，應(yīng)考慮橫向效應(yīng)的影響并進行修正。②短接線式的敏感柵采用較粗的橫絲，將平行排列的一組直徑為 0.015~0.05毫米的金屬縱絲交錯連接而成，端部是平直的。它的橫向效應(yīng)很小，但耐疲勞性能不如絲繞式的。

這種應(yīng)變計的敏感柵用厚度 0.002~0.005毫米的金屬箔刻蝕成形。 用此法易于制成各種形狀的應(yīng)變計(圖3)。箔柵有如下優(yōu)點:①橫向部分可以做成比較寬的柵條，使橫向效應(yīng)較小;②箔柵很薄，能較好地反映構(gòu)件表面的變形，因而測量精度較高;③便于大量生產(chǎn);④能制成柵長很短的應(yīng)變計。因此，箔式應(yīng)變計得到廣泛應(yīng)用。

制造時將用紫銅等材料制成的敏感柵粘在作為臨時基底的框架上，使用時用粘結(jié)劑將敏感柵固定在構(gòu)件上，然后將臨時基底去掉。這種應(yīng)變計多用于測量高溫條件下的應(yīng)變。

制造敏感柵的常用材料有銅鎳合金(康銅)、鎳鉻系合金、鐵鉻鋁合金、鎳鉻鐵合金、鉑和鉑合金等。前三種最常用。這些合金的靈敏系數(shù)為2~6。

所用的粘結(jié)劑分為有機粘結(jié)劑和無機粘結(jié)劑兩類。在一般情況下，前者用在溫度低于400℃時,后者則用于高溫條件下。有機粘結(jié)劑包括硝化纖維、氰基丙烯酸酯、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、有機硅樹脂、聚酰亞胺等。除前兩種之外，使用時一般都要加溫加壓使其固化。常用的無機粘結(jié)劑有磷酸鹽和噴涂用的金屬氧化物。前者在使用時須加溫固化。用作基底的材料有紙、膠膜、玻璃纖維布、金屬薄片(或金屬網(wǎng))等。

用紙、膠膜、玻璃纖維布作基底的應(yīng)變計，用粘結(jié)劑粘貼;用金屬薄片或金屬網(wǎng)作基底的應(yīng)變計，用點焊或滾焊固定在金屬構(gòu)件上;對于臨時基底型應(yīng)變計,用粘結(jié)劑或用氧炔焰或等離子焰將金屬氧化物熔化并噴涂的方法，將敏感柵固定于金屬基底或構(gòu)件表面上。

只用一個敏感柵的應(yīng)變計，適用于測量單向應(yīng)變。測量平面應(yīng)力場的應(yīng)變時，可采用應(yīng)變花。

它主要由 4部分組成。①由電阻絲制成的敏感柵:是應(yīng)變計的敏感部分;②襯底和保護層:敏感柵粘貼在襯底上，襯底是將傳感器彈性元件表面的應(yīng)變傳遞到電阻絲柵上的中間介質(zhì)，起絕緣作用;保護層起保護電阻絲的作用;③粘合劑:它將電阻絲與襯底粘貼在一起;④引出線:它起連接測量導(dǎo)線的作用。按襯底材料和安裝方法的不同，可把粘貼式應(yīng)變計分為紙襯式、膠襯式、金屬襯底式和臨時襯底式等。敏感柵又有多種結(jié)構(gòu)形式，可分為測量單方向應(yīng)變的單軸式和測量兩個方向以上應(yīng)變的多軸式(又稱應(yīng)變花)兩類(圖1)。

它是利用一定結(jié)構(gòu)使金屬電阻絲張緊并能直接受力而產(chǎn)生電阻-應(yīng)變效應(yīng)的一種應(yīng)變計,又稱非粘貼式應(yīng)變計。一種測量微小壓力的張絲式應(yīng)變計是將金屬電阻線繞在固定于彈簧片上的數(shù)個柱子上制成的(圖2)。當壓力通過連桿加到彈簧片上時，彈簧片的變形使柱子移動，從而改變電阻線圈的張力而使其電阻發(fā)生變化。線圈連接成橋式電路，于是電橋由于橋臂電阻的變化而失去平衡，產(chǎn)生正比于壓力的輸出電壓。利用張絲式應(yīng)變計的原理還可制成扭矩傳感器和加速度計。