電阻應(yīng)變計(jì)基本簡(jiǎn)介

將電阻應(yīng)變計(jì)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(zhǎng)或縮短)，會(huì)使應(yīng)變計(jì)的敏感柵隨之變形,應(yīng)變計(jì)的電阻就發(fā)生變化,其變化率和安裝應(yīng)變計(jì)處構(gòu)件的應(yīng)變 ε成比例。測(cè)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(zhǎng)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(cè)量范圍為幾微應(yīng)變至數(shù)萬(wàn)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(jì)分為金屬電阻應(yīng)變計(jì)和半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)兩類。

金屬電阻應(yīng)變計(jì)的種類、所使用的材料和安裝方法分述如下:

這種應(yīng)變計(jì)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(jì)的構(gòu)件表面存在兩個(gè)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(duì)測(cè)量精度的要求較高，應(yīng)考慮橫向效應(yīng)的影響并進(jìn)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(cuò)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(jì)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(jì)(圖3)。箔柵有如下優(yōu)點(diǎn):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(cè)量精度較高;③便于大量生產(chǎn);④能制成柵長(zhǎng)很短的應(yīng)變計(jì)。因此，箔式應(yīng)變計(jì)得到廣泛應(yīng)用。

制造時(shí)將用紫銅等材料制成的敏感柵粘在作為臨時(shí)基底的框架上，使用時(shí)用粘結(jié)劑將敏感柵固定在構(gòu)件上，然后將臨時(shí)基底去掉。這種應(yīng)變計(jì)多用于測(cè)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(jī)粘結(jié)劑和無(wú)機(jī)粘結(jié)劑兩類。在一般情況下，前者用在溫度低于400℃時(shí),后者則用于高溫條件下。有機(jī)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(jī)硅樹脂、聚酰亞胺等。除前兩種之外，使用時(shí)一般都要加溫加壓使其固化。常用的無(wú)機(jī)粘結(jié)劑有磷酸鹽和噴涂用的金屬氧化物。前者在使用時(shí)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(jì)，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(jì)，用點(diǎn)焊或滾焊固定在金屬構(gòu)件上;對(duì)于臨時(shí)基底型應(yīng)變計(jì),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(gè)敏感柵的應(yīng)變計(jì)，適用于測(cè)量單向應(yīng)變。測(cè)量平面應(yīng)力場(chǎng)的應(yīng)變時(shí)，可采用應(yīng)變花。

將半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)安裝在被測(cè)構(gòu)件上，在構(gòu)件承受載荷而產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，其電阻率將發(fā)生變化。半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)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(jì)可分為體型(圖5)和擴(kuò)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(kuò)散在半導(dǎo)體材料中制成的。半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是靈敏系數(shù)大，機(jī)械滯后和蠕變小，頻率響應(yīng)高;缺點(diǎn)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(jìn)生產(chǎn)工藝，這些缺點(diǎn)可望得到克服。半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)多用于測(cè)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(cè)量和制造各種類型的傳感器(見電阻應(yīng)變計(jì)式傳感器)。

半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)中用薄膜作敏感柵的稱為薄膜應(yīng)變計(jì)。它是將金屬、合金或半導(dǎo)體材料，用真空鍍膜、沉積或?yàn)R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(wàn)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(jì)和壓電場(chǎng)效應(yīng)應(yīng)變計(jì)。 這種應(yīng)變計(jì)是通過(guò)規(guī)定的掩板在表面有絕緣層的金屬材料或玻璃等無(wú)機(jī)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(dá)到更佳的效果。

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(jì)的敏感部分;②襯底和保護(hù)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(hù)層起保護(hù)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(cè)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(jì)分為紙襯式、膠襯式、金屬襯底式和臨時(shí)襯底式等。敏感柵又有多種結(jié)構(gòu)形式，可分為測(cè)量單方向應(yīng)變的單軸式和測(cè)量?jī)蓚€(gè)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(jì),又稱非粘貼式應(yīng)變計(jì)。一種測(cè)量微小壓力的張絲式應(yīng)變計(jì)是將金屬電阻線繞在固定于彈簧片上的數(shù)個(gè)柱子上制成的(圖2)。當(dāng)壓力通過(guò)連桿加到彈簧片上時(shí)，彈簧片的變形使柱子移動(dòng)，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(jì)的原理還可制成扭矩傳感器和加速度計(jì)。