2.2 电阻应变片的基本结构、种类和材料
2.2.1 电阻应变片的基本结构
金属电阻应变片分为丝式电阻应变片和箔式电阻应变片等，其基本结构大体相同，如图2.1所示。其中丝式电阻应变片基本结构如图2.1（a）所示，它由电阻丝（敏感栅）、基底、绝缘层、引出线组成。敏感栅通常用直径为0.025mm左右的高电阻率金属细丝制成，通过胶黏剂固定在基底上。基底很薄，一般厚度为0.03～0.06mm，它能保证将构件上的应变准确地传递到敏感栅上。此外，它还有良好的绝缘、抗潮和耐热性能。敏感栅上粘贴有保护用的绝缘层。敏感栅两端焊接引出线，和外接电路连接。图2.1（b）所示为电阻应变片几何尺寸参数定义，其中l为应变片的基长，b为基宽，l×b为应变片的使用面积。电阻应变片的规格以使用面积和电阻值表示，例如，（3×10）mm2，120Ω。
图2.1 电阻应变片基本结构示意及几何尺寸参数定义
2.2.2 电阻应变片的种类
电阻应变片的种类（规格）很多，现将几种常见的电阻应变片及其特点介绍如下。
1. 金属丝式电阻应变片
金属丝式电阻应变片的敏感栅是用直径为0.012～0.05mm的合金丝在专用的制栅机上制成的，常见的有绕丝式和短接式，如图2.2所示。各种温度下工作的应变片都可制成丝式，尤其是高温应变片。受绕丝设备限制，丝式应变片敏感栅长度不能小于2mm。
图2.2 金属丝式电阻应变片
绕丝式电阻应变片因弯曲部位在轴向应力作用下的变形使其横向效应较大，而短接式电阻应变片由于两端用直径比敏感栅丝直径粗5～10倍的镀银丝短接而成，故其横向效应系数较小，但由于焊点多，易在焊点处出现疲劳损坏，不适用于动态应变测量。
2. 金属箔式电阻应变片
金属箔式电阻应变片是使用最广泛的电阻应变片，其敏感栅用0.001～0.01mm厚的合金箔通过照相制版或光刻腐蚀的方法制成，敏感栅长度最小可达0.2mm，图2.3所示为4种常见的金属箔式电阻应变片外形。
图2.3 4种常见的金属箔式电阻应变片外形
金属箔式电阻应变片有以下优点：
（1）相关制造技术能保证敏感栅尺寸准确、线条均匀，并且能制成任意形状以适应不同的测量要求。
（2）敏感栅薄而宽，黏结性能好，传递试件应变性能好。
（3）散热性能好，允许通过较大的工作电流，提高了输出灵敏度。
（4）敏感栅弯头宽，横向效应可以忽略。
（5）蠕变和机械滞后较小，疲劳寿命长。
3. 金属薄膜电阻应变片
金属薄膜电阻应变片是薄膜技术发展的产物。这种应变片是采用真空蒸发或真空沉积等方法在基底上形成一层厚度在0.1μm以下的金属电阻材料薄膜敏感栅。其优点是应变灵敏系数高，敏感栅与试件之间形成无机结合层，结合强度高，无蠕变和机械滞后，稳定性好，易实现工业化批量生产，可以在-197～317℃温度下工作，是一种很有前途的新型应变片。
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1952年，英国学者杰克逊（P.Jackson）发表了以环氧为基底的金属箔式电阻应变片。1953年，埃斯莱（P.Eisler）申请了发明专利，从而使应变计技术进入了一个新时代。金属箔式电阻应变片不仅广泛用于各种工程结构试验的应力测量，而且是制作各种高精度传感器最常用的应变片。
早在1951年，罗姆伯夫就应用阴极溅射方法制成了薄膜应变片，但直到1966年这种薄膜应变片才逐步被实用化。由于应变片敏感栅之间及其与试件（或弹性体）之间没有有机物的黏结层，因而薄膜应变片的蠕变和机械滞后小到可以忽略不计的程度，而且这类应变片具有良好的温度稳定性，可用于高温条件下的应力测量和制作各种传感器。但由于薄膜应变片工艺设备价格昂贵，工艺复杂，弹性体形状及尺寸受设备限制等原因，其应用受到限制。
2.2.3 电阻应变片的材料
1. 敏感栅材料
为保证∆R/R～ε有良好而宽广的线性关系，要求敏感栅材料的应变灵敏系数Ks和电阻率ρ尽可能大且稳定；为减小温度误差的影响，要求敏感栅材料的电阻温度系数小，并且电阻与温度的线性关系和重复性好。此外，敏感栅材料的机械强度、加工性能要好。表2-1列出了常用敏感栅材料及其一般性能。
表2-1 常用敏感栅材料及其一般性能
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1954年，美国学者史密斯（C.S.Smith）发现了硅、锗半导体材料的压阻效应（半导体材料受力后电阻率产生变化的效应）。1957年，贝尔电话实验室的麦逊（Mason）等人成功研制了压阻半导体应变片，1960年该应变片作为商品销售。由于半导体应变片的应变灵敏度系数是金属应变片的25～100倍，因此它被用于测量微小应变和制作高灵敏度传感器。
随着半导体集成电路工艺的发展，直接在硅半导体基底上扩散出4个P型电阻，构成测量电桥，实现了弹性元件、变换元件、信号调理电路集成一体化，这类半导体应变式传感器称作压阻式传感器。目前，最成熟且应用最广的传感器是压阻式压力传感器，最小的压阻式压力传感器直径仅为0.8mm，用于测量血管内压、颅内压。
2. 基底材料
基底材料分纸基和胶基（有机聚合物）两大类，纸基已逐渐被性能更好的胶基取代。胶基是由环氧树脂、酚醛树脂和聚酰亚胺等制成胶膜，厚度为0.03～0.05mm。
应变片基底是电阻应变片制造和应用中的一个重要组成部分，承担着固定保持敏感栅形状、传递被测应变的任务。因此，对基底材料要求机械强度及挠性好、粘贴性能好、电绝缘、抗湿性好，无机械滞后和蠕变。
3. 胶黏剂材料
胶黏剂是连接应变片和构件表面的重要物质，胶黏剂和应变片的粘贴技术对于测量结果有直接影响，要求胶黏剂材料有一定的黏结强度，能准确传递应变；对弹性元件和应变片不产生化学腐蚀作用；蠕变和机械滞后误差小；并且有较宽的使用温度范围和良好的耐疲劳、耐老化性能。表2-2列出了一些常用胶黏剂及其性能。
表2-2 常用胶黏剂及其性能
4. 引出线材料
康铜丝敏感栅应变片的引出线常采用直径为0.15～0.18mm的银铜丝，其他类型敏感栅多采用铬镍、铁铬铝金属丝引出线。引出线与敏感栅通过点焊相连接。