電阻應變計的結構

電阻應變計主要由敏感柵、基底、覆蓋層及引出線所組成，敏感柵用粘合劑粘在基底和覆蓋層之間。一種絲繞式應變計的典型結構如圖2-1所示。
2.2.1敏感柵
敏感柵是用合金絲或合金箔制成的柵。它能將被測構件表面的應變轉換為電阻相對變化。由于它非常靈敏，故稱為敏感柵。它由縱柵與橫柵兩部分組成，縱柵的中心線稱為應變計的軸線。敏感柵的尺寸用柵長L（橫柵為圓弧形時，指兩端圓弧內側之間的距離；橫柵為直線形時，則為兩端橫柵內側之間的距離）和柵寬B（在與縱軸垂直的方向上，敏感柵外側之間的距離）表示，參見圖2-2。柵長尺寸一般為0.2~100毫米。

圖2-1 電阻應變計的結構 圖2-2 敏感柵的尺寸
敏感柵是電阻應變計的核心組成部分，它的特性對于電阻應變計的性能有決定性的影響。為了改善電阻應變計的性能，人們探索了多種材料的應變－電阻特性，從而發展了敏感柵材料，包括金屬、半導體和金屬氧化物等。目前常用的金屬敏感柵材料主要有銅鎳合金、鎳鉻合金、鎳鉬合金、鐵基合金、鉑基合金、鈀基合金等。以金屬材料為敏感柵的電阻應變計的靈敏系數大都在2.0 ～4.0間。硅、鍺等半導體材料由于具有壓阻效應，所有也被人們用作敏感柵的材料，以半導體材料為敏感柵的電阻應變計的靈敏系數大都在150左右，遠高于以金屬材料為敏感柵的電阻應變計。
通常對制造應變計敏感柵的材料的要求主要是：
1. 靈敏系數KS高，而且在較大的應變范圍內保持為常數。康銅絲在彈性狀態和塑性狀態下，KS值基本上是常數。
2. 敏感柵材料的彈性極限要高于被測構件材料的彈性極限，以免在測試中因敏感柵先出現塑性變形而影響測試精度。
3. 電阻率ρ高，分散度小，隨時間變化小。
4. 電阻溫度系數小，在寬的溫度范圍內保持不變；分散度小，對溫度循環有完全的重復性；有足夠的穩定性，以減小由溫度變化而引起的測量誤差。
5. 延伸率高，耐腐蝕性好，疲勞強度高。
6. 焊接性能好，易熔焊和電焊；對引線的熱電勢小。
7. 加工性能好，以便制成細絲或箔片。
應變計常用金屬材料的物理性能見表2-1。表中的電阻溫度系數為20?C以下、溫度升高一度時材料的電阻變化率。

表2-1應變計常用金屬材料的物理性能

2.2.2基底
基底是電阻應變計的一個組成部分。其作用是在應變計被安裝到試件上之前，將敏感柵永久地或臨時地安置于其上，同時還要使得敏感柵和粘貼應變計的試件之間相互絕緣。
對電阻應變計的基底材料，一般有下列一些要求：柔軟并具有一定的機械強度，粘結性能和絕緣性能好，蠕變和滯后現象小，不吸潮，能在不同的溫度下工作等。
常用的基底材料介紹如下：
1．紙 用紙作為應變計基底的優點是柔軟并易于粘貼，應變極限大和價格低廉。缺點是耐濕性和耐久性差。通常有厚紙基底和薄紙基底兩種。
2．膠膜 環氧樹脂、酚醛樹脂、聚酯樹脂和聚酰亞胺等有機類粘結劑均可制成薄膜，用作應變計的基底。它們的特點是柔軟，耐濕性和耐久性均比紙好。
3．玻璃纖維布 無堿玻璃纖維布的耐濕性、機械強度和電絕緣性能都很好，并且耐化學藥品、耐高溫（400~450oC），多用作中溫或高溫應變計的基底。由它制成的應變計的剛度比膠膜基底要大。
4．金屬薄片 不銹鋼及耐高溫合金等薄片或金屬網可作為焊接式應變計的基底。焊接式應變計安裝后不需要經過一般應變計粘貼時所需要的加溫固化處理，但若要獲得高的測量精度，在將應變計基底焊到試件上后需要進行熱處理以消除由于焊接時在金屬基底和試件上產生的應力。金屬薄片作基底的應變計剛度較大，會對試件產生增強效應，而金屬網狀基底的應變計增強效應則相對較小。
臨時基底型應變計可用金屬薄片或合成纖維（如滌綸）制作框架作為臨時基底，也可以用乙烯基膠帶作為臨時基底。
2.2.3引線
電阻應變計的引線是從敏感柵引出的絲狀或帶狀金屬導線。通常引線是在制造應變計時就和敏感柵連接好而成為應變計的一部分，也有某些箔式應變計在出廠時不帶引線的。
引線應具有低和穩定的電阻率以及小的電阻溫度系數。常溫應變計的引線材料多用紫銅，為了便于焊接，可在紫銅引線的表面鍍錫。中溫應變計、高溫應變計的引線可以在紫銅引線的表面鍍銀、鍍鎳、鍍不銹鋼，或者采用銀、鎳鉻（或改良型）、鎳、鐵鉻鋁、鉑或鉑鎢等。高疲勞壽命的應變計可采用鈹青銅作引線。
四、蓋層
電阻應變計的蓋層是用來保護敏感柵使其避免受到機械損傷或防止高溫下氧化。常用的是以制作基底的膠膜或浸含有機膠液（例如環氧樹脂、酚醛樹脂等）的玻璃纖維布作為蓋層，也可以在敏感柵上涂敷制片時所用粘結劑作為保護層。蓋層的材料包括紙、膠膜及玻璃纖維布等。

電阻應變計的原理及使用