3.2 电阻应变片传感器

电阻应变片（简称应变片）的作用是把导体的机械应变转换成电阻应变，以便进一步测量。电阻应变片的典型结构如图3-7所示。合金电阻丝以曲折形状（栅形）用黏接剂粘贴在绝缘基片上，两端通过引线引出；丝栅上面再粘贴一层绝缘保护膜。该合金电阻丝栅应变片长为l，宽度为b。把应变片粘贴于所需测量变形物体表面，敏感栅随被测体表面变形而使电阻值改变，测量电阻的变化量便可得知变形的大小。由于应变片具有体积小、使用简便、测量灵敏度高等优点，可进行动、静态测量，精度符合要求，因此广泛用于应力、力、压力、力矩、位移和加速度等物理量的测量。随着温度材料和工艺技术的发展，超小型、高灵敏度、高精度的电阻应变片和传感器不断出现，测量范围不断扩大，已成为非电量电测技术中十分重要的手段。

3.2.1 电阻应变片工作原理

电阻应变片传感器是利用了金属和半导体材料的“应变效应”。金属和半导体材料的电阻值随它承受的机械变形大小而发生变化的现象就称为“应变效应”。

设电阻丝长度为L，截面积为S，电阻率为ρ，则电阻值R为：

如图3-8所示，当电阻丝受到拉力F时，其阻值发生变化。材料电阻值的变化，一是受力后材料几何尺寸变化；二是受力后材料的电阻率也发生了变化。大量实验表明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正比，而应变与应力也成正比，这就是利用应变片测量应变的基本原理。

3.2.2 电阻应变片的分类

电阻应变片主要分为金属电阻应变片和半导体应变片两类。其中，金属电阻应变片又分体型和薄膜型，而属于体型金属电阻应变片的有丝式应变片、箔式应变片、应变花等。

丝式应变片如图3-9（a）、（b）所示，它分为回绕式应变片（U形）和短接式应变片（H形）两种。其优点是粘贴性能好，能保证有效地传递变形，性能稳定，且可制成满足高温、强磁场、核辐射等特殊条件使用的应变片；缺点是U形应变片的圆弧形弯曲段呈现横向效应，H形应变片因焊点过多，可靠性下降。

箔式应变片如图3-9（c）所示，它是用照相制版、光刻、腐蚀等工艺制成的金属箔栅。优点是黏合情况好、散热能力较强、输出功率较大、灵敏度高等。箔式应变片在工艺上可按需要制成任意形状，易于大量生产，成本低廉，在电测中获得广泛应用。尤其在常温条件下，箔式应变片已逐渐取代了丝式应变片。

薄膜型金属电阻应变片是在薄绝缘基片上蒸镀金属制成的。

半导体应变片是用锗或硅等半导体材料作为敏感栅。图3-9（d）给出了P型单晶硅半导体应变片结构示意图。半导体应变片灵敏系数大、机械滞后小、频率响应快、阻值范围宽（可从几欧到几十千欧），易于做成小型和超小型；但其热稳定性差，测量误差较大。

在平面力场中，为测量某一点上主应力的大小和方向，常需测量该点上两个或三个方向的应变。故此需要把两个或三个应变片逐个黏结成应变花，或直接通过光刻技术制成。应变花分互成45°的直角形应变花和互成60°的等角形应变花两种基本形式，如图3-10所示。

除上述各种应变片外，还有一些具有特殊功能和特种用途的应变片。如大应变量应变片、温度自补偿应变片和锰铜应变片等。

3.2.3 电阻应变片的测量电路

弹性元件表面的应变传递给电阻应变片敏感丝栅，使其电阻发生变化。测量出电阻变化，便可知应变（被测量）大小。测量时，可直接测单个应变片阻值变化；也可将应变片通过恒流而测量其两端的电压变化。但由于温度等各种原因，使得单片测量结果误差较大。选用电桥测量，不仅可以提高检测灵敏度，还能获得较为理想的补偿效果。基本电桥测量电路如图3-11所示。

如图3-11（a）、（b）所示为半桥测量电路。图3-11（a）中，R1为测量片，R2为补偿片，R3、R4为固定电阻。补偿片起温度补偿的作用，当环境温度改变时，补偿片与测量片阻值同比例改变，使桥路输出不受影响。下面分析电路工作原理。

无应变时，R1=R2=R3=R4=R，则桥路输出电压为：

有应变时，R1=R1+ΔR1，则：

代入R1=R2=R3=R4=R，由ΔR1/2R≪1可得：

在图3-11（b）中，R1、R2均为相同应变测量片，又互为补偿片。有应变时，一片受拉，另一片受压，此时阻值为R1+ΔR1和R2-ΔR2，按上述同样的方法，可以计算输出电压为：

在图3-11（c）中，R1、R3为相同应变测量片，有应变时，两片同时受拉或同时受压；R2、R4为补偿片。可以计算该电路输出电压为：

图3-11（d）是4个桥臂均为测量片的电路，且互为补偿。有应变时，必须使相邻两个桥臂上的应变片一个受拉，另一个受压。可以计算该电路输出电压为：