第4章电阻应变计

第4章电阻应变计4.1电阻应变计的工作原理电阻应变计，简称应变计或应变片，是一种用途广泛的力学量传感元件。在自然界中，除超导体外的所有物质都有电阻，不同的物质电阻也不同。物质电阻的大小与所构成物体的材料性能和几何形状有关，电阻应变计正是利用了导体电阻的这一特点。用电阻应变计进行测量时，一般将应变计粘贴于构件表面，当构件受力变形时，应变计亦随之变形。机械应变的变化导致应变计电阻值发生变化，这种现象称为电阻应变效应。用电路测量出应变计阻值变化，并转换成相对应的应变数值，即实现了机械应变的电量测量，这种方法称为应变电测方法。电阻应变计的最主要组成部分是敏感栅。敏感栅可以看成为一根电阻丝，其材料性能和几何形状的改变会引起栅丝的阻值变化。设一根金属电阻丝，其材料的电阻率为ρ，长度为L，直径为D，面积为A，电阻值为R，由物理学知，金属电阻丝的电阻值R与长度L成正比，与截面面积A成反比。ALR（4-1）受轴向拉伸后，伸长△L，而直径缩小为d，如图4-1所示。显然，其电阻值也会变化。电阻丝的横截面原面积为42DA，其相对变化为LdLDdDAdA22(4-2)式中，μ为金属丝材料的泊松比；LdL为金属导线长度的相对变化，即轴向应变LdL(2-3)在电阻丝伸长的过程中，所产生的电阻值的相对变化为)21(dAdALdLdRdR(4-4)此式中，前一项是由金属丝变形后电阻率发生变化所引起的；后一项是由金属丝变形后几何尺寸发生变化所引起的。根据高压下金属丝性能研究，发现有VdVCd式中，C为金属材料的常数，例如，康铜丝C≈1，V为金属丝的初始体积，V=AL。体积相对变化VdV与图4-1金属电阻丝拉伸轴向应变ε之间有)(LdLAdAVdV21故)(CVdVCd21将上述代入式（4-4），得sK)]()(C[)()(CRdR21212121(4-5)式中，sK为金属丝的灵敏系数)21(1dKs（4-6）式（4-5）表示金属丝的电阻变化率与它的轴向应变成线性关系。根据这一规律，采用在变形过程中能够较好地产生电阻变化的材料，就可制造将应变信号转换为电信号的电阻应变计。4.2电阻应变计的结构电阻应变计主要由敏感栅、基底、覆盖层及引线所组成，敏感栅用粘结剂粘在基底和覆盖层之间。一种丝绕式应变计的典型结构如图4-2所示。4.2.1敏感栅敏感栅是用合金丝或合金箔制成的栅。它能将被测构件表面的应变转换为电阻相对变化。由于它非常灵敏，故称为敏感栅。敏感栅由纵栅与横栅两部分组成。纵栅的中心线称为应变计的轴线。敏感栅的尺寸用栅长l〈横栅为圆弧形时，是指两端圆弧内侧之间的距离；横栅为直线形时，则指两端横栅内侧之间的距离）和栅宽b(指在与纵轴垂直的方向上敏感栅外侧之间的距离）表示，栅长尺寸一般为0.2~100mm。敏感栅是电阻应变计的核心组成部分，它的特性对于电阻应变计的性能有决定性的影响。为了改善电阻应变计的性能，人们探索了多种材料的应变-电阻特性，从而发展了敏感栅材料，包括金属、半导体和金属氧化物等。目前常用的金属敏感栅材料主要有铜镍合金、镍铬合金、镍钼合金、铁基合金、铂基合金、钯基合金等。以金属材料为敏感栅的电阻应变计的灵敏系数大都在2.0-4.0之间。硅、锗等半导体材料由于具有压阻效应，所以也被人们用做敏感栅的材料，以半导体材料为敏感栅的电阻应变计的灵敏系数大都在150左右，远高于以金属材料为敏感栅的电阻应变计。通常对制造应变计敏感栅的材料的要求主要是：1）灵敏系数Ks高，而且在较大的应变范围内保持为常数。康铜丝在弹性状态和塑性状态下，Ks值基本上是常数。2）敏感栅材料的弹性极限要高于被测构件材料的弹性极限，以免在测试中因敏感栅先出现塑性变形而影响测试精度。3）电阻率ρ高，分散度小，随时间变化小。4）电阻温度系数小，在较宽的温度范围内保持不变；分散度小，对温度循环有完全的重复性；有足够的稳定性，以减小由温度变化而引起的测量误差。5）伸长率高，耐腐蚀性好，疲劳强度高。图4-2电阻应变计的结构6）焊接性能好，易熔焊和电焊；对引线的热电势小。7）加工性能好，以便制成细丝或箔片。应变计常用金属材料的物理性能见表4-1。表中的电阻温度系数为20℃以下、温度升高1°时材料的电阻变化率。4.2.2基底基底是电阻应变计的一个组成部分。其作用是在应变计被安装到试件上之前，将敏感栅永久地或临时地安置于其上，同时还要使得敏感栅和粘贴应变计的试件之间相互绝缘。对电阻应变计的基底材料，一般有下列一些要求：柔软并具有一定的机械强度，粘结性能和绝缘性能好，蠕变和滞后现象小，不吸潮，能在不同的温度下工作等。常用的基底材料介绍如下：1）纸用纸作为应变计基底的优点是柔软并易于粘贴，应变极限大和价格低廉；缺点是耐湿性和耐久性差。通常有厚纸基底和薄纸基底两种。2）胶膜环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂和聚酰亚胺等有机类粘结剂均可制成薄膜，用做应变计的基底。它们的特点是柔软、耐湿性和耐久性均比纸好。3）玻璃纤维布无碱玻璃纤维布的耐湿性、机械强度和电绝缘性能都很好，并且耐化学药品、耐高温（400~450℃),多用做中温或高温应变计的基底，由它制成的应变计的刚度比胶膜基底要大。表4-1应变计常用金属材料的物理性能4）金属薄片不锈钢及耐高温合金等金属薄片或金属网可作为焊接式应变计的基底。焊接式应变计安装后不需要经过一般应变计粘贴时所需要的加温固化处理，但若要获得高的测量精度，在将应变计基底焊到试件上后需要进行热处理以消除由于焊接时在金属基底和试件上产生的应力。金属薄片作基底的应变计刚度较大，会对试件产生增强效应；而金属网状基底的应变计增强效应则相对较小。临时基底型应变计可用金属薄片或合成纤维（如涤纶）制作框架作为临时基底，也可以用乙烯基胶带作为临时基底。4.2.3引线电阻应变计的引线是从敏感栅引出的丝状或带状金属导线。通常，在制造应变计时就将引线和敏感栅连接好，使其成为应变计的一部分，但也有某些箔式应变计在出厂时不带引线。引线应具有低的和稳定的电阻率以及小的电阻温度系数。常温应变计的引线材料多用纯铜，为了便于焊接，可在纯铜引线的表面镀锡。中温应变计、高温应变计的引线可以在纯铜引线的表面镀银、镀镍、镀不锈钢，或者采用银、镍铬(或改良型〉、镍、铁铬铝、铂或铂钨等作引线。高疲劳寿命的应变计可采用铍青铜作引线。4.2.4覆盖层电阻应变计的覆盖层是用来保护敏感栅使其避免受到机械损伤或防止高温下氧化。常用制作基底的胶膜或浸含有机胶液（例如环氧树脂、酚醛树脂等）的玻璃纤维布作为覆盖层，也可以在敏感栅上涂敷制片时所用粘结剂作为保护层。覆盖层的材料包括纸、胶膜及玻璃纤维布等。4.3电阻应变计的分类电阻应变计的种类很多，分类的方法也很多。根据许用的工作温度范围可分为常温、中温、高温及低温应变计。1)高温应变计：许用工作温度在350℃以上。2)中温应变计：许用工作温度在60~350℃之间。3)常温应变计：许用工作温度在-30~60℃之间。4)低温应变计：许用工作温度在-30℃以下。根据基底材料可分为：纸基、胶膜基底（缩醛胶基、酚醛基、环氧基、聚酯基、聚烯亚胺基等）、玻璃纤维增强基底、金属基底及临时基底等。根据安装方式可分为粘贴式、焊接式和喷涂式三类。根据敏感栅材料可分为金属、半导体及金属或金属氧化物浆料等三类。1）金属应变计包括丝式（丝绕式、短接式）应变计、箔式应变计和薄膜应变计。2）半导体应变计包括体型半导体应变计、扩散型半导体应变计和薄膜半导体应变计。3）金属或金属氧化物浆料应变计主要是厚膜应变计。下面介绍几种常用的电阻应变计。4.3.1金属丝式应变计金属丝式应变计的敏感栅一般是用直径0.01~0.05mm的铜镍合金或镍铬合金的金属丝制成，可分为丝绕式和短接式两种。丝绕式应变计是用一根金属丝绕制而成（图4-3）。短接式应变计是用数根金属丝按一定间距平行拉紧，然后按栅长大小在横向焊以较粗的镀银铜导线，再将铜导线相间地切割开来而成（图4-4）图4-3丝绕式应变计图4-4短接式应变计1.丝绕式应变计丝绕式应变计的疲劳寿命和应变极限较高，可作为动态测试用传感器的应变转换元件。丝绕式应变计多用纸基底和纸盖层，其造价低，容易安装。但由于这种应变计敏感栅的横向部分是圆弧形，其横向效应较大，测量精度较差，而且其端部圆弧部分制造困难，形状不易保证相同，使应变计性能分散，故在常温应变测量中正逐步被其他片种代替。2.短接式应变计短接式应变计也有纸基和胶基等种类。短接式应变计由于在横向用粗铜导线短接，因而横向效应系数很小（0.1%)，这是短接式应变计的最大优点。另外，在制造过程中敏感栅的形状较易保证，故测量精度高。但由于它的焊点多，焊点处截面变化剧烈，因而这种应变计疲劳寿命短。4.3.2金属箔式应变计箔式应变计的敏感栅是用厚度为0.002~0.005mm的铜镍合金或镍铬合金的金属箔，采用刻图、制版、光刻及腐蚀等工艺过程而制成（图4-5）。基底是在箔的另一面涂上树脂胶，经过加温聚合而成，基底的厚度一般为0.03~0.05mm。图4-5金属箔式应变计a）单轴应变计b）测扭矩应变计c）多轴应变计（应变花）与丝绕式应变计相比，箔式应变计的优点是：1）敏感栅很薄，且箔材与粘合层的接触面积要比丝材的大，粘贴牢固，有利于变形传递，因而它所感受的应变状态与试件表面的应变状态更为接近，测量精度高。2）敏感栅薄而宽，在相同的横截面积条件下，箔栅的表面积比丝栅的要大，散热性好，故允许通过较大的电流，因而可以输出较强的信号，以提高测量灵敏度。3）敏感栅的横向端部为较宽的栅条，故横向效应较小。4）箔式片能保证尺寸准确，线条均匀，故灵敏系数分散性小。5)箔式应变计的蠕变小、疲劳寿命长。6)加工性能好，能制成为各种形状和尺寸的应变计，尤其可以制造栅长很小的或敏感栅图案特殊C)的应变计。7)制造工艺自动化，可成批生产，生产效率高。由于箔式应变计具有以上诸多优点，故在各个测量领域中得到广泛的应用。在常温的应变测量中已逐渐取代丝绕式应变计。金属电阻应变计还可以按敏感栅的结构形状分为下述几类。1)单轴应变计单轴应变计一般是指具有一个敏感栅的应变计（图4-3、图4-4、图4-5a)。这种应变计可用来测量单向应变。2)单轴多栅应变计把几个单轴敏感栅粘贴在同一个基底上，可构成平行轴多栅和同轴多栅，如图4-6所示。这种应变计可方便地测量构件表面的应变梯度。3)应变花(多轴应变计)具有两个或两个以上轴线相交成一定角度的敏感栅制成的应变计称为多轴应变计，也称为应变花，如图4-5c、图4-7所示。其敏感栅可由金属丝或金属箔制成。采用应变花可方便地测定平面应变状态下构件上某一点处的应变分量。4.3.3薄膜应变计薄膜应变计的薄膜不是指用机械压延法所得到的薄膜，而是用诸如真空蒸发、溅射、等离子化学气相淀积等薄膜技术得到的薄膜。它是通过物理方法或化学电化学反应，以原子、分子或离子颗粒形式受控地凝结于一个固态支撑物（即基底）上所形成的薄膜固体材料。其厚度约在数十埃（Å）至数微米（μm)之间。薄膜若按其厚度可分为非连续金属膜、半连续膜和连续膜。薄膜应变计的制造主要是成膜工艺，如溅射、蒸发、光刻、腐蚀等。其工艺环节少，工艺周期较短，成品率高，因而获得广泛的应用。4.3.4半导体应变计半导体应变计的敏感栅是利用硅、锗、锑化钢、磷化镓等半导体材料制成的。当半导体材料沿晶轴方向受到机械应力作用时，其电阻率发生变化，这种性质称为压阻效应。电阻率的相对变化为L(4-7)式中，L为压阻系数；为机械应力。若以σ=Eε（E为晶体材料的弹性模量，ε为应变）代入式（4-6)得灵敏系数Ks=1+2μ+πLE（4-8）由于压阻效应πLE远大于几何尺寸改变（1+2μ）的影响，故半导体应变计的灵敏系数可简化为Ks=πLE（4-9）Ks值取决于半导体材料的类型、杂质浓度、晶轴方向和温度等。同一种材料其灵敏系数随掺入的单轴多栅应变计a)平行轴多栅b)同轴多栅图4-7应变花a）二轴90ºb）三轴45ºc）三