电阻应变片的选择与应用.doc

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、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: =k· 式中:为电阻变化率;k为灵敏系数; 为应变值。 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。）——的加载特性与卸载特性不重合，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50～100M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1～2，误差小于1％。 （2）应变片尺寸小、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1％～20％。 （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