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1、电阻应变片的选择与应用康凡南京信息工程大学电子工程系 南京 210044摘要：本文主要从电阻应变片的形式、尺寸、阻值、温度、蠕变等几个方面，谈了选用电阻应变片的方法和原则，还介绍了电阻应变片在一些新技术中的应用，以及电阻应变片未来的发展。对电阻应变片的选择要点与应用注意事项做了简要的论述。关键词：电阻应变片；传感器；栅长；频率；蠕变；电阻应变测试技术。1 引言：电阻应变片是一种电阻式的敏感元件，它一般由基底、敏感栅、覆盖层和引线四部分组成。把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应变片。现在使用的称重传感器、力传感器，绝大部分都是电阻应变式传感器。随着传感器在科学技术领域、
2、工农业生产以及日常生活中发挥着越来越重要的作用，对传感器技术的要求也越来越高。以下讨论的是传感器生产选用电阻应变片应着重考虑的因素及传感器在生产方面的应用。2 电阻应变片的工作原理2.1 金属的电阻应变效应当金属丝在外力作用下发生机械型变时，其电阻值将发生变化，这种现象称为电阻的应变效应。2.2 应变片的基本结构及量原理各种电阻应变片的结构大体相同，一般以合金电阻丝绕成形如栅栏的敏感栅，敏感栅粘贴在绝缘的基底上，电阻丝的两端焊接引出线，敏感栅上面粘贴有保护用的覆盖层。用应变片测量受力应变时，将应变片粘贴于被测对象的表面。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形时，应变片敏感栅也随同变形，其电
3、阻值发生相应变化。通过转换电路转换为相应的电压或电流变化。其存在如下关系式:=kR式中: 为电阻变化率;k 为灵敏系数; 为应变值。 R图 1 电阻应变片结构图2.3 金属应变片的主要特性（1）灵敏系数灵敏系数是指应变片安装于试件表面，在其轴线方向的单项应力作用下，应变片的阻值相对变化与试件表面上安装应变片区域的轴相应变之比。实验表明，电阻应变片的灵敏系数 k 恒小于电阻丝的灵敏度 k。,其原因除了粘结层传递变形失真外，还存在有横向效应。（2）横向效应粘贴在受单向拉伸力试件上的应变片，其敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成。这时，各直线段上的金属丝只感受沿轴向拉应变，电阻值将增加，但在圆弧段上，沿
4、各微断轴向的应变却并非和直线段上的一样，因此与直线段上同样长度的微段所产生的电阻变化就不相同按松泊关系，在垂直方向上产生负的应压度，因此该段的电阻时减小的。由此可见，将直的电阻丝绕成敏感栅之后，虽然长度相同，但应变状态不同，其灵敏系数降低了。这种现象称横向效应。（3）机械滞后应变片安装在试件上以后，在一定温度下，其（ ） 的加载特性与卸载特性R不重合，在同一机械应变值 下，其对应的 值不一致。加载特性曲线与卸载特性曲线的最大差值 称应变片的滞后。产生机械滞后的原因，主要是敏感栅、基底和黏合剂在承受机械应变后所留下的残余形变所造成的，为了减少滞后，除选用合适的黏合剂外，最好在新安装应变片后，做三
5、次以上的加卸载循环后再正式测量。（4）零漂和蠕变粘贴再试件上的应变片，在温度保持恒定、不承受机械应变时，其电阻值随时间而变化的特性，称为应变片的零漂。如果在一定的温度下，使其承受恒定的机械应变，其电阻值随时间而变化的特性，称为应变片的蠕变。一般蠕变的方向与原应变量变化的方向相反。这两项指标都是用来衡量应变片特性对时间的稳定性，在长时间测量中其意义更为突出。（5）最大工作电流和绝缘电阻最大工作电流是指允许通过应变片而不影响其工作的最大电流值。工作电流大，应变片输出信号大，灵敏度高。但过大的工作电流会使应变片本身过热，使灵敏系数变化，零漂、蠕变增加，甚至把应变片烧毁。工作电流的选取，要根据散热条件
6、而定，主要取决于敏感栅的几何形状和尺寸、截面的形状和大小、基底的材料和尺寸，粘合剂的材料和厚度以及试件的散热性能等。绝缘电阻是指应变片的引线与被测试件之间的电阻值。通常要求 50100M 左右。绝缘电阻过低，会造成应变片与试件之间漏电而产生测量误差。如果应变片受潮，绝缘电阻大大降低。应变片绝缘电阻取决与粘合剂及基底材料的种类以及它们的固化工艺。基底与胶层愈厚，绝缘电阻愈大，但会使应变片灵敏系数减小，蠕变和滞后增加，因此基底与胶层不可太厚。 2.4 电阻应变片的优点与其他测量手段相比，电阻应变片有以下优点：（1）测量应变的灵敏度和精确度高，性能稳定、可靠，可测 12 ，误差小于1。（2）应变片尺
7、寸小、重量轻、结构简单、使用方便、响应速度快。测量时对被测件的工作状态和应力分布影响较小，既可用于静态测量，又可用于动态测量。（3）测量范围大。既可测量弹性变形，也可测量塑性变形。变形范围可从120。（4）适应性强。可在高温、超低温、高压、水下、强磁场以及核辐射等恶劣环境下使用。（5）便于多点测量、远距离测量和遥测。3 电阻应变片的选择3.1 电阻应变片应具有的基本特性1 具有适当的线性灵敏系数，并且稳定性较高；2 具有蠕变自补偿功能；3 具有小的电阻温度系数，热输出小，零点漂移小；4 横向效应系数小，机械滞后小，疲劳寿命高；5 具有较好的稳定性、重复性，并且能够在较宽的温度范围内工作；6 适
8、用于动态和静态测量。满足以上要求的电阻应变片的种类很多，具体选用时还要根据弹性体的结构、应力状态、材料、使用环境条件、以及电阻应变片的阻值、尺寸、蠕变匹配等因素，综合考虑选用合适的应变片。3.2 应变片结构形式的选择根据应变测量的目的、被测试件的材料和其应力状态以及测量精度，选择应变片的形式，对于测试点应力状态是一维应力的结构，可以选用单轴应变片，已经知道主应力方向的二维应力结构，可以使用直角应变花，并使其中一条应变栅与主应力方向一致，如主应力方向未知就必须使用三栅或四栅的应变花。对于传感器设计来说，应变片的形式主要决定于弹性体的结构，如柱式、板环、双孔平行梁等弹性体，他们采样正应力或弯曲应力
9、，所以应变片均采用单轴应变片。另外象剪切桥式、轮辐式、剪切悬臂式、三梁剪切式弹性体一般使用双轴 45 应变片。平膜片压力传感器多采用全桥圆形应变片。3.3 应变片尺寸的选择选择应变片尺寸时应考虑应力分布、动静态测量、弹性体应变区大小等因素。若材质均匀、应力剃度大，应选用栅长小的应变片，若材质不均匀而强度不等的材料（如混凝土）或应力分布变化比较缓慢的构件，应选用栅长大的应变片。对于冲击载荷或高频动荷作用下的应变测量，还要考虑应变片的响应频率，如下表所示。一般来说，应变片丝栅越小，测量精度越高，越能正确反映出被测量点的真实应变，因此，在加工精度可以保证的情况下，综合考虑各种因素影响，应变片的栅长小
10、一些比大一些好。表 1 各种栅长应变片的最高工作频率应变片栅长 L（毫米）1 2 5 10 20 25 50可测频率 F(千赫) 250 125 50 25 12.5 10 5注：表中是在钢材上正弦应变信号测得的数据，其中L= /20， =C/f式中 C 为应变波传播速度，对于钢和铝 C=5000 米/ 秒，f 为正弦应变频率3.4 电阻值的选择国家标准中电阻应变片的阻值规定为 60、120、200、350、500、1000 ，目前传感器生产中大多选用 350 的应变片，但是由于大阻值应变片具有通过电流小、自热引起的温升低、持续工作时间长、动态测量信噪比高等优点，大阻值应变片应用越来越广。并且
11、大阻值应变片在测力应用范围，特别是材料试验机用的负荷传感器，由于传感器的零飘特性，对测量精度影响极大，而高阻值（如 1000G）应变片，不仅可以减小应变焦耳热引起的零漂，提高传感器的长期稳定性，而且再要求告分辨率的电子天平重应用也是非常有利的。因此，在不考虑价格因素的前提下，使用大阻值应变片，对提高传感器精度是有益的。3.5 使用温度的选择使用环境温度对应变片的影响很大，应根据使用温度选用不同丝栅材料的应变片，国家标准中规定的常温应变片使用温度为3060C。一般康铜合金的最高使用温度为300C卡玛合金为 450C，铁镍铝合金可以达到 7001000C。常温应变片一般采用康铜制造，在应变片型号中
12、省略使用温度。如果需要高温应变片需特别说明。由于基底材料和粘接胶的限制，目前中温箔式电阻应变片一般都使用卡玛合金制作 200250C 左右的中温应变片。3.6 蠕变的选择传感器一般由弹性体、应变片、粘接剂、保护层等部分组成，弹性体金属材料本身存在的弹性后效、以及热处理工艺等原因可以造成负蠕变影响，因此传感器的蠕变指标是由各种因素中综合作用最终形成的。在上述因素中，对于某一传感器生产厂家，许多的因素都是相对固定的，一般不会由很大改变，因此应变片生产厂家都通过应变片的图形设计、工艺控制来制造出蠕变不同的系列应变片供用户选用。每一个传感器生产厂由于原材料、粘接剂、贴片。固化工艺的不同，在应变片选型时
13、，必须进行蠕变匹配试验。一般规律是同一种结构形式的传感器量程越小，传感器的蠕变越正，应该选用蠕变补偿序号更负的应变片来与之匹配。4 电阻应变片及电阻应变片式传感器在各个领域的应用电阻应变片式传感器可以测量力、压力、位移、应变、加速度等非电量参数，一般来说，电阻应变片式传感器的结构简单，性能稳定，灵敏度较高，适合动态测量。现已被广泛应用于工程测量和科学实验中。下面进行详细的描述。4.1 电阻应变测试技术在土木工程中的应用应变计电测作为一种无损检测技术在各类工程结构中得到广泛应用。但是电阻应变片的测试结果受温度、湿度、导线长短等环境因素的影响极大。如何处理好这些问题是电阻应变片在土木工程中应用的关
14、键。应变计电测使用电阻应变片可分为两种方法，一种是将应变片直接粘贴在某一受载零件表面上进行测量。这种方法简单，但不够精确。另一种方法是将应变片粘贴在弹性元件上制成传感器，受载后建立载荷与电阻变化间的函数关系，通过预先确定的载荷标定曲线获得测量的载荷值。所获的的测量结果比较准确。4.2 测定载荷各种结构物工作运行中要承受各种外力的作应，工程上将这些外力称为载荷。载荷是进行强度和刚度计算得主要依据。通常在设计时确定载荷有三种办法。即类比法、计算法和实测法。下面介绍实测法中的电阻应变法测定载荷。电阻应变法测定载荷的方法是利用由应变片、应变仪和指示记录器组成的测量系统进行载荷值的测量。先将应变片粘贴在
15、零件或传感器上，在零件受载变形后应变片中的电阻随之发生变化，经应变仪组成的测量电桥使电阻值的变化转换成电压信号并加以放大，最后经指示器或记录器显示出与载荷成比例变化的曲线，通过标定就可以得到所需数据值的大小。这种方法现已广泛应用于各种构造物的载荷测定，如船闸、桥梁以及房屋建筑等工程领域。4.3 智能健康监测大型、重要的土木工程结构，如桥梁、超高层建筑、电视塔、水坝、核电站、海洋采油平台等，其服役期长达几十年甚至上百年，在疲劳、腐蚀效应及材料老化等不利因素影响下，不可避免的产生损伤累计甚至产生突发事故。虽然一些事故发生前出现了漏洞、塌陷、开裂等征兆，但因缺乏报警监测系统，无法避免事故的发生。因此
16、，对现存的重要结构和设施进行健康检测，评价其安全状况，修复、控制损伤及在新建结构和设施中增设长期的健康检测系统已成为必须，目前，钢筋结构的应变监测普遍测用电阻应变片，将之粘贴在结构表面或受理筋上后买入砼内，对钢筋砼结构进行实时/在线的智能健康监测。4.4 存在的问题对于一些大体积砼结构而言，有体积大、受力变形相对较小的特征，往往会出现环境因素影响掩盖了结构的真实变形，使得应变片不能反映结构的真实受力状况。为了避免这种现象，在检测期间以及检测之前的准备过程中就应该采取一些措施，尽可能减小外界环境的影响，或者有效地将环境影响与结构变形区分开来，以保证检测结果的可靠性。其中较为明显的问题一般出在长导线电阻的影响和潮湿环境的影响。检测体积庞大的大型结构时，观测点数量相当多，连接应变片与应变仪之间的导线一般都很长，导线电阻的影响不容忽视。检测潮湿环境下的工程界构或桥梁水下结构部位时，应变片的防潮。防水时保证量测结果可靠性的一个关键问题。5 小结以上从大体上讨论了选用电阻应变片时应
