电阻式传感器（上）

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知识导图：

知识点1-电阻应变片的工作原理——电阻应变效应

电阻应变片的工作原理是电阻应变效应：金属导体若因收到外力而产生机械变形，由于它的具体形状发生改变（如被拉伸或被压短），那么它的电阻值也会随之发生变化。

对于一根长度为L，横截面积为A，电阻率ρ为的金属电阻丝，设其未发生变形前的电阻为R，则有：

假设其受轴向拉力而产生变形，它的长度L变化dL，横截面积A变化dA，电阻率ρ变化dρ，因而引起电阻R变化dR。对上式微分，则有：

为了简化公式，下面我们进一步研究电阻丝长度L与横截面积A的关系：

一般的电阻丝为圆形截面，设它的半径为r，则横截面积A=πr2，因此：

结合材料力学知识，当一根金属丝轴向被拉伸时，它的截面会同时收缩，产生径向应变，在上式中，dL/L即为轴向应变，用ε表示它，而相应的径向应变dr/r应当为ε与泊松比μ的乘积。有dr/r=-με，前加符号代表变形方向相反。

整理上式，

将等式两边同除以ε，得到金属丝的灵敏系数

灵敏系数表示单位应变所引起的电阻相对变化。

可见，金属材料的灵敏系数受两个因素的影响：一是受力后材料的几何尺寸变化；二为受力后材料的电阻率变化。后者相对于前者来说甚是微小。

大量实验表明，在电阻丝拉伸比例极限范围内，电阻的相对变化与其所受轴向应变成正比，也就是说S0是一常数。

所以

通常情况下S0=1.7~3.6。

知识点2-电阻应变片的基本结构

图示一种电阻应变片的结构。为了在节约空间的前提下获得较大的电阻值，电阻丝排列成栅状，称为敏感栅。敏感栅粘贴在绝缘的基底上，表面又粘贴有保护作用的覆盖层。敏感栅的两端焊接引线。图中的l为栅长，b为栅宽。bl的乘积为应变片的使用面积。应变片的规格由使用面积和阻值来表示。如3×20mm2，120Ω。

实验室中的电阻应变片长这个亚子。

知识点3-电阻应变片的分类

（1）按照敏感栅的工艺不同可分为丝式、箔式和膜式。

1)金属丝式应变片是由金属丝组成的敏感栅。有回线式和短接式两种。它制作简单、性能稳定、成本低且易于粘贴。但因其圆弧部分也参与变形，所以横向效应较大。短接式应变片的敏感栅平行排列，两端采用大直径的镀银丝短接，克服了横向效应。下图为常用的丝式应变片，其中图b为短接式应变片。

2)金属箔式应变片是利用光刻技术或照相排版，将金属箔片（通常是康铜或镍铬合金）制成敏感栅。较之与金属丝式应变片，它有如下优点：

①可支持形状复杂、尺寸准确的敏感栅

②横向效应好

③散热条件好，允许电流大，灵敏度高。

④蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长。

⑤生产效率高，便于自动化生产。

下图为常见的金属箔式应变片。

3)金属薄膜应变片是用真空蒸发或真空沉积的方法，在薄的绝缘基片上形成厚度0.1微米以下的金属电阻薄膜的敏感栅，最后加上保护层。它的优点是应变灵敏系数大、允许电流密度大，工作范围温度广，可达-197℃~317℃。

（2）按基底材料不同，可分为纸基和胶基。特殊情况下还有金属基底应变计。

对基底材料的性能要求：机械性能好、挠性好、易于粘贴，电绝缘性能好，热稳定性能和抗潮湿性能好，滞后和蠕变小等。

（3）按被测量应力场的不同，主要分为测量单向应力的应变片和测量平面应力的应变花。下图中，a、b、d、e为测量单向应力的应变片，f、g、h、i、j为测量平面应力的应变花。其中f为测量主应力已知的互成90°的二轴应变花。测量主应力未知的应变话一般由三个方向的电阻应变片组成，如i、j。c为测量金属裂纹断裂所使用的裂纹扩展片。

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