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§2.2应变片式传感器
应变片式电阻传感器是以应变片为传感元件的传感器，它具备以下优点： 1、精度高、测量范围广。 2、使用寿命长，性能稳定可靠。
3、结构简单，尺寸小，重量小，因此在测试时，对工件工作状态及应力分析影响小。 4、频率响应特性好，应变片响应时间约为10-7S
5、可在高低温、高速、高压、强烈振动、强磁场、核辐射和化学腐蚀等恶劣环境条
件下工作。
6、应变片种类繁多，价格便宜。 一、电阻应变片的工作原理
电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应，即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。
设一根电阻丝，其原始电阻值为R??下，将引起电阻变化?R，且有
dRR?d??ls?lnR?ln??lnl?lns，电阻丝在外力作用
??ssdll??dss,即
?RR??????ll。
令电阻丝的轴向应变为???l，径向应变为?r??r，由材料力学知：?r????。
lr?dss?d?r2?r2?2?rdr?r2?2drr?2?r??RR?(??2??)????。
通常把单位应变所引起的电阻相对变化称作电阻丝的灵敏系数
?Rk0???R?1?2?????，其中第三项是有材料电阻率变化引起的，很小，可忽
略。
?k0?1?2?,?RR?k0?
在电阻丝拉伸比例极限内，电阻的相对变化与应变成正比，k0一般在1.7~3.6. 二、金属电阻应变片主要特性 1、金属电阻应变片的结构及材料
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敏感栅是应变片最重要的部分，有某种金属丝绕成栅形，一般用于制造应变片的金属细丝直径为0.015~0.05mm，电阻应变片的电阻值为60?,120?,200?等各种规格，以120?最为常用。敏感栅在纵轴方向的长度称为栅长，用l表示。对敏感栅材料的基本要求是：① 灵敏度系数k0值大，并在较大应变范围内保持常数。② 电阻温度系数小。③ 电阻率大。④ 机械强度高，且易于拉丝或碾薄。⑤ 与铜丝的焊接性好，与其它金属的接触热电势小。
常用的材料有康铜、镍铬合金、镍铬铝合金、铁铬铝合金、铂、铂钨合金等。 金属箔式应变片是有很薄的金属箔片制成的。箔厚只有约0.003~0.1mm,用光刻技术制作。它与金属应变片相比有如下优点：① 可刻出各种复杂形状的敏感栅。② 横向效应小。③ 允许有较大电流通过，散热性好，可提高相匹配的电桥电压，从而提高灵敏度。④ 疲劳寿命长，蠕变小。⑤ 生产效率高。但是制造箔式应变片的电阻值的分散性要比丝式的大，有的能相差几十欧姆，需要作阻值的调整。
箔式敏感栅材料常采用康铜、镍铬合金。 2、电阻应变片的主要特性 ① 灵敏系数
应变片的应变效应与单丝不同，即电阻应变片灵敏度系数k与电阻丝灵敏系数k0是不相同的。原因为：第一、零件的变形是通过剪力传到金属丝上的。由实验知，金属丝两端的剪力最大，轴向应力为零，中间部分剪力为零，轴向应力最大，轴向应力从两端处的零值开始，然后按指数规律上升到中间部分的最大值，因此在金属丝两端的应力分布是不均匀的，相当于参加变形的栅丝长度减少了一段。金属丝制成应变片后，由于是栅状结构，端部增多，灵敏度系数下降。第二、丝沿长度方向承受应变?x时，应变片弯角部分承受应变?y，其截面积变大，则应变片
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直线部分电阻增加时，弯角部分的电阻减少，也使变化的灵敏度下降。
应变片的灵敏度系数一般有实验的方法获得。
② 横向效应
沿应变片轴向的应变?x必然会引起应变片电阻的相对变化，而沿垂直于应变片轴向的横向应变?y也会引起其电阻的相对变化，这种现象称为横向效应，敏感栅端部具有半圆形横栅的丝绕应变片其横向效应较为严重。为了减小横向效应产生的测量误差，现在一般多采用箔式应变片。 ③ 机械滞后，零漂及蠕变
应变片在安装在试件上以后，在一定的温度下，在零和某一指定应变之间，作出应变片电阻相对变化?i(?R/R)（即指示应变）与试件机械应变?R之间加载和卸载的特性曲线，如图所示：
实验发现这两条曲线并不重合，在同一机械应变下，卸载时的?i高于加载时的?i，这种现象称为应变片的机械滞后。加载和卸载曲线之间的最大差值??m称为应变片的滞后值。
已粘贴的应变片，在温度保持恒定、试件上没有应变的情况下，应变片的指示应变会随时间的增长而逐渐变化，此变化就是应变片的零点漂移，简称零漂。
已粘贴的应变片，在温度保持恒定时，承受某一恒定的机械应变长时间的作用，应变片的指示应变会随时间而变化，这种现象称为蠕变。在工作时，零漂和蠕变是同时存在的。 ④ 温度效应
粘帖在试件上的电阻应变片，除感受机械应变而产生电阻相对变化外，在环境温度变化时，也会引起电阻的相对变化，产生虚假应变，这种现象称为温度效应。温度变化对电阻应变片的影响主要体现在以下两方面：
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一、当环境温度变化?t时，由于敏感栅材料的电阻温度系数?t的存在，引起电阻相对变化：(?RR)1??t??t。
二、当环境温度变化?t时，由于敏感栅材料的膨胀系数?s和试件材料的膨胀系数
?g不同，应变片产生附加的拉长或压缩，引起电阻的相对变化：
(?RR)2?k(?g??s)??t。
因此，温度变化形成总的电阻相对变化为：
?RR?(?RR)1?(?RR)2??t??t?k(?g??s)??t
相应的虚假应变为 (温度补偿措施。
?RR)/k?(?tk)??t?(?g??s)??t，要消除此项误差，要采取
⑤ 应变极限、疲劳寿命
应变片的应变极限是指在一定温度下，应变片的指示应变?i与试件的真实应变?g的相对误差达到规定值（一般为10%）时的真实应变值?j。
对已安装的应变片，在恒定极值的交变应力作用下，可以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数N，称为应变片的疲劳寿命。
当出现下列情况之一时认为是疲劳损坏：应变片的敏感栅或引线发生断路；应变片输出指示应变的极值l变化10%；应变片输出信号波形上出现穗状尖峰。疲劳寿命反映了应变片对动态响应测量的适应性。 ⑥ 绝缘电阻、最大工作电流
应变片绝缘电阻Rm是指已粘帖的应变片的引线与被测试件之间的电阻值。通常要求Rm在50~100M?以上。应变片安装之后，其绝缘电阻下降使测量系统的灵敏度下降，使应变片的指示应变产生误差。
对已安装的应变片，允许通过敏感栅而不影响其工作特性的最大工作电流称为应变片最大工作电流Imax。显然，工作电流大，应变片输出信号也大，灵敏度高。但过大的工作电流会使应变片本身过热，是灵敏系数变化，零漂及蠕变增加，甚至烧毁应变片。 ⑦ 动态响应特性
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