电阻应变计(应变片)原理.pdf

第 2 章 电阻应变计的原理及使用 2.1 电阻应变计的工作原理 电阻应变计习惯称为电阻应变片，简称应变计或应变片。出现于第二次世界大战结束的 前后，已经有六十多年的历史。电阻应变计的应用范围十分广泛，适用的结构包括航空、航 天器、原子能反应堆、桥梁、道路、大坝以及各种机械设备、建筑物等；适用的材料包括钢 铁、铝、木材、塑料、玻璃、土石、复合材料等各种金属及非金属材料。并且，它不仅适用 于室内实验、模型实验，还可以在现场对实际结构或部件进行测量，这些特点是任何一种传 感元件或传感器所不能比拟的。另外，它在对结构和设备的安全监测方面也有广泛的应用前 景。 电阻应变计是一种用途广泛的高精度力学量传感元件，其基本任务就是把构件表面的 变形量转变为电信号，输入相关的仪器仪表进行分析。在自然界中，除超导外的所有物体都 有电阻，不同的物体导电能力不同。物体电阻的大小与物体的材料性能和几何形状有关，电 阻应变计正是利用了导体电阻的这一特点。 电阻应变计的最主要组成部分是敏感栅。敏感栅可以看成为一根电阻丝，其材料性能 和几何形状的改变会引起栅丝的阻值变化。 设一根金属电阻丝，其材料的电阻率为ρ，原始长度为L 。不失一般性，假设其横截面 是直径为D 的圆形，面积为A ，初始时该电阻丝的电阻值为R ： L R ρ （2-1 ） A 在外力作用下，电阻丝会产生变形。假设电阻丝沿轴向伸长，其横向尺寸会相应缩小， πD 2 横截面的半径减少导致横截面面积发生变化。导线的横截面原面积为 A ，其相对变 4 化为 dA dD dL 2 −2 μ （2-2 ） A D L 其中 μ为金属丝材料的泊松比。dL/L 为金属导线长度的相对变化，用应变表示，即： dL ε ( 2-3 ) L 在电阻丝伸长的过程中所产生的电阻值的变化成为： dRd dLρ dA dρ ( ) + =− + + 1 2 μ ε （2-4 ） R ρ L A ρ 在式中，前一项是由金属丝变形后电阻率发生变化所引起的；后一项是由金属丝变形后 几何尺寸发生变化所引起的。在常温下，许多金属材料在一定的应变范围内，电阻丝的相对 电阻变化与丝的轴向长度的相对变化成正比。即： dR K ε （2-5 ） R s 其中： +K s + 1 dρ1 (2 μ) （2-6 ） ε ρ 5 式中，K 为单根金属丝的灵敏系数。表