--电阻应变效应.ppt

2.1电阻应变效应电阻丝较细,一般在0.015~0.06mm,其两端焊有较粗的低阻镀锡铜丝（0.1~0.2mm）4作为引线,以便与测量电路连接。图2.1中,L称为应变计的标距,也称（基）栅长,a称为（基）栅宽,L×a称为应变计的使用面积。

图2.1电阻应变计构造简图2.1.2应变计的分类
应变计有很多品种系列:从尺寸上讲,长的有几百mm,短的仅0.2mm;由结构形式上看,有单片、双片、应变花和各种特殊形状的图案;就使用环境上说,有高温、低温、水、核辐射、高压、磁场等;而安装形式,有粘贴、非粘贴、焊接、火焰喷涂等。
金属应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成,如图3-2所示。
敏感栅是应变片的核心部分,它粘贴在绝缘的基片上,其上再粘贴起保护作用的覆盖层,两端焊接引出导线。金属电阻应变片的敏感栅有丝式、箔式和薄膜式三种。
主要的分类方法是根据敏感元件材料的不同,将应变计分为金属式和半导体式两大类。从敏感元件的形态又可进一步分类如下:应变计半导体式体型薄膜型、扩散型、外延型、PN结及其他形式金属电阻应变计常见的形式有丝式、箔式、薄膜式等。丝式应变计是最早应用的品种。
金属丝弯曲部分可作成圆弧、锐角或直角,如图2.2所示。弯曲部分作成圆弧（U）形是最早常用的一种形式,制作简单但横向效应较大。直角（H）形两端用较粗的镀银铜线焊接,横向效应相对较小,但制作工艺复杂,将逐渐被横向效应小、其他方面性能更优越的箔式应变计所代替。
图2.2箔式应变计的线栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成很薄的金属薄栅（厚度一般在0.003～0.01mm）。与丝式应变计相比有如下优点:
(1)工艺上能保证线栅的尺寸正确、线条均匀,大批量生产时,阻值离散程度小。
(2)可根据需要制成任意形状的箔式应变计和微型小基长（如基长为0.1mm）的应变计。(3)敏感栅截面积为矩形,表面积大,散热好,在相同截面情况下能通过较大电流。
(4)厚度薄,因此具有较好的可挠性,它的扁平状箔栅有利于形变的传递。
(5)蠕变小,疲劳寿命高。
(6)横向效应小。
(7)便于批量生产,生产效率高。
图2.3画出了几种箔式应变计。
图2.3几种箔式应变计薄膜式应变计是采用真空溅射或真空沉积技术,在薄的绝缘基片上蒸镀金属电阻薄膜（厚度在零点几纳米到几百纳米）,再加上保护层制成。其优点是灵敏度高,允许通过的电流密度大,工作温度范围广,可工作于-197～317°C,也可用于核辐射等特殊情况下。
制作应变计敏感元件的金属材料应有如下要求:
(1)k0大,并在尽可能大的范围内保持常数。
(2)电阻率ρ大。这样,在一定电阻值要求下,同样线径,所需电阻丝长度短。
(3)电阻温度系数小。高温使用时,还要求耐高温氧化性能好。
(4)具有良好的加工焊接性能。
常用的敏感元件材料是康铜（铜镍合金）、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金等。常温下使用的应变计多由康铜制成。半导体应变计应用较普遍的有体型、薄膜型、扩散型、外延型等。体型半导体应变计是将晶片按一定取向切片、研磨、再切割成细条,粘贴于基片上制作而成。几种体型半导体应变计示意图如图2.4所示。
图2.4体型半导体应变计示意图薄膜型半导体应变计是利用真空沉积技术将半导体材料沉积于绝缘体或蓝宝石基片上制成的。
扩散型半导体应变计是将P型杂质扩散到高阻的N型硅基片上,形成一层极薄的敏感层制成的。
外延型半导体应变计是在多晶硅或蓝宝石基片上外延一层单晶硅制成的。
半导体应变计有如下优点:
(1)灵敏度高。比金属应变计的灵敏度约大50~100倍。工作时,可不必用放大器就可用电压表或示波器等简单仪器记录测量结果。
(2)体积小,耗电省。
(3)由于具有正、负两种符号的应力效应（即在拉伸时P型硅应变计的灵敏度系数为正值;而N型硅应变计的灵敏度系数为负值。
(4)机械滞后小,可测量静态应变、低频应变等。工作原理当电阻丝受到拉力F作用时,将伸长ΔL,横截面积相应减小ΔS,电阻率将因晶格发生变形等因素而改变Δρ,故引起电阻值相对变化量为由材料力学可知,在弹性范围内,金属丝受拉力时,沿轴向伸长,沿径向缩短,那么轴向应变和径向应变的关系可表示为通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏度系数。其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量,其表达式为
用应变片测量应变或应力时,根据上述特点,在外力作用下,被测对象产生微小机械变形,应变片随着发生相同的变化,同时应变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量ΔR时,便可得到被测对象的应变值。根据应力与应变的关系,得到应力值σ为
σ=E·ε（3-9）
式中:σ——试件的应力;
ε——试件的应变;
E——试件材料的弹性模量。
由此可知,应力值σ正比于应变ε,而试件