金属电阻应变片

金属电阻应变片

金属电阻应变片是利用金属材料的电阻应变效应，将构件表面应变转换为电阻相对变化的敏感元件。常用的结构形式有丝式和箔式，此外还有金属薄膜式。

1. 工作原理与灵敏系数

设金属丝受轴向力 $F$ 作用，其横截面上的应力为

式中 $A$ 为横截面积。金属丝产生应变 $\epsilon$ 时，其电阻相对变化由几何尺寸变化和电阻率变化两部分组成，灵敏系数 $K$ 可写为

式中 $\mu$ 为泊松比，$\rho$ 为电阻率。

对金属材料，$1+2\mu$ 项远大于 ${\displaystyle \frac{\mathrm{\Delta }\rho \mathrm{/}\rho }{\epsilon }}$ 项，后者可忽略，故

即金属电阻应变片的工作原理主要基于应变效应导致的几何尺寸变化。金属或合金的应变灵敏系数一般在 1.8 至 4.8 之间。

作为对比，半导体电阻应变片的情况相反：$1+2\mu$ 项比 ${\displaystyle \frac{\mathrm{\Delta }\rho \mathrm{/}\rho }{\epsilon }}$ 项小得多（近百分之一），可忽略，其工作原理主要基于半导体材料的压阻效应，即单晶半导体沿某一轴向受外力作用时电阻率发生变化的现象。半导体应变片的整体灵敏度远高于金属应变片。

2. 不同金属材料的 ΔR/R–ε 特性

不同金属材料的电阻相对变化 $\mathrm{\Delta }R\mathrm{/}R$ 随应变 $\epsilon$ 的变化曲线形态不同：

• 铁、冷拉铜、银、铂、10%铱-铂以及铜镍合金表现出良好的线性关系；
• 40%银-钯合金和锰铜丝呈现明显的非线性；
• 镍在应变初期出现负向变化，随后转为线性增长。

因此，选用金属应变片材料时需关注其 $\mathrm{\Delta }R\mathrm{/}R$–$\epsilon$ 曲线的线性形态。

3. 丝式与箔式结构

丝式电阻应变片用一根金属细丝按一定形状弯曲后用胶黏剂贴于衬底上，衬底用纸或有机聚合物等材料制成，电阻丝两端焊有引出线，电阻丝直径在 0.012~0.050 mm 之间。

箔式电阻应变片用光刻、腐蚀等工艺制成很薄的金属箔栅，厚度一般在 0.003~0.010 mm 之间。其优点是：

1. 表面积和截面积之比大，散热条件好，允许通过较大的电流；
2. 可做成任意形状，便于大量生产；
3. 尺寸准确，线条均匀，适应不同测量要求；
4. 与被测试件接触面积大，粘结性能好；
5. 横向效应较小，但能否忽略取决于实际栅形与标定横向灵敏度，需按实测横向灵敏度判断；
6. 蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。

鉴于这些特点，箔式应变片使用范围日益广泛，并有逐渐取代丝式应变片的趋势。

4. 金属薄膜应变片

金属薄膜应变片采用真空蒸发或真空沉积等方法，在绝缘基片上形成厚度小于 0.1 μm 的金属电阻材料薄膜敏感栅，并加上保护层，易实现工业化批量生产。其优点是应变灵敏系数大、允许电流密度大、工作范围广；缺点是难以控制电阻与温度、时间的变化关系。