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1、2.1电阻应变效应2.2应变计的主要特性2.3应变计的粘贴2.4电桥原理及常见的电阻应变计桥路2.5温度误差及其补偿2.6电阻应变仪2.7应变式传感器2.8几种新型的微应变式传感器复习题第2章应变式传感器（属于电阻传感器）2.1电阻应变效应应变式传感器是利用电阻应变效应做成的传感器,是常用的传感器之一。应变式传感器的核心元件是电阻应变计,本章将先以较大篇幅对其加以介绍,然后再介绍应变式传感器。电阻应变计,也称应变计或应变片,是一种能将机械构件上的应变的变化转换为电阻变化的传感元件。图2.1为其构造简图。排列成网状的高阻金属丝、栅状金属箔或半导体片构成的敏感栅1,用粘
2、合剂贴在绝缘的基片2上。敏感栅上贴有盖片（即保护片）3。与测量电路连接的引线4.图2.1电阻应变计构造简图电阻丝较细,一般在0.015~0.06mm,其两端焊有较粗的低阻镀锡铜丝（0.1~0.2mm）4作为引线,以便与测量电路连接。图2.1中,l称为应变计的标距,也称（基）栅长,a称为（基）栅宽,l×a称为应变计的使用面积。图2.1电阻应变计构造简图栅长栅宽2.1.1电阻应变效应长为l、截面积为A、电阻率为ρ的金属或半导体丝,电阻若导电丝在轴向受到应力的作用,其长度变化Δl,截面积变化ΔA,电阻率变化Δρ,而引起电阻变化ΔR,则设电阻丝为圆形截面,直径为d,因则有式中k0为
3、单根导电丝的灵敏系数,表示当发生应变时,其电阻变化率与其应变的比值。k0的大小由两个因素引起,一项是由于导电丝的几何尺寸的改变所引起,由（1+2μ）项表示,另一项是导电丝受力后,材料的电阻率ρ发生变化而引起,由项表示。引用式中,应力其中,ε=Δl/l为轴向应变。则有对金属来说,πE很小,可忽略不计,μ=0.25～0.5,故k0=1+2μ≈1.5～2。对半导体而言,πE比1+2μ大得多,压阻系数π=(40-50)×10-11m2/N,杨氏模量E=1.67×1011Pa,则πE≈50～100,故（1+2μ）可以忽略不计。可见,半导体灵敏度要比金属大50~100倍。
4、2.1.2应变计的分类应变计有很多品种系列:从尺寸上讲,长的有几百mm,短的仅0.2mm;由结构形式上看,有单片、双片、应变花和各种特殊形状的图案;就使用环境上说,有高温、低温、水、核辐射、高压、磁场等;而安装形式,有粘贴、非粘贴、焊接、火焰喷涂等。主要的分类方法是根据敏感元件材料的不同,将应变计分为金属式和半导体式两大类。从敏感元件的形态又可进一步分类如下:应变计金属属性半导体式①体型②薄膜型丝式箔式纸基胶基体型薄模型扩散型外延型PN结及其它形式①体形金属应变计中，丝式应变计是最早应用的品种。金属丝弯曲部分可作成圆弧、锐角或直角,如图2.2所示。弯曲部分作成a圆弧（U）
5、形是最早常用的一种形式,制作简单但横向效应较大。c直角（H）形两端用较粗的镀银铜线焊接,横向效应相对较小,但制作工艺复杂,将逐渐被横向效应小、其他方面性能更优越的箔式应变计所代替。图2.2金属丝式应变计常见形势一、金属应变计箔式应变计（实验中用的）的线栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成很薄的金属薄栅（厚度一般在0.003～0.01mm）。与丝式应变计相比有如下优点:(1)工艺上能保证线栅的尺寸正确、线条均匀,大批量生产时,阻值离散程度小。(2)可根据需要制成任意形状的箔式应变计和微型小基长（如基长为0.1mm）的应变计。(3)敏感栅截面积为矩形,表面积大,散热好,在相同截面
6、情况下能通过较大电流。(4)厚度薄,因此具有较好的可挠性,它的扁平状箔栅有利于形变的传递。(5)蠕变小,疲劳寿命高。(6)横向效应小。(7)便于批量生产,生产效率高。图2.3画出了几种箔式应变计。图2.3几种箔式应变计②薄膜式应变计是采用真空溅射或真空沉积技术,在薄的绝缘基片上蒸镀金属电阻薄膜（厚度在零点几纳米到几百纳米）,再加上保护层制成。其优点是灵敏度高,允许通过的电流密度大,工作温度范围广,可工作于-197～317°C,也可用于核辐射等特殊情况下。制作应变计敏感元件的金属材料应有如下要求:(1)应变灵敏系数k0大,并在所测应变范围内保持常数。(2)电阻率
7、ρ大而稳定。这样,在一定电阻值要求下,同样线径,所需电阻丝长度短。便于制造小栅长的应变片。(3)电阻温度系数小。高温使用时,还要求耐高温氧化性能好。(4)具有良好的加工焊接性能。常用的敏感元件材料是康铜（铜镍合金）、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金等。常温下使用的应变计多由康铜制成。图2.4体型半导体应变计示意图半导体应变计应用较普遍的有体型、薄膜型、扩散型、外延型等。体型半导体应变计是将晶片按一定取向切片、研磨、再切割成细条,粘贴于基片上制作而成。几种体型半导体应变计示意图如图2.4所示。二、半导
