应变片工作原理.doc

电阻应变片工作原理与
灵敏度系数

学 校： 闽江学院
专 业： 12电子信息工程（1）班
姓 名： 李0
学 号： 120081003157

完成日期： 2012.12.8

电阻应变计的工作原理

关键字： 电阻应变片 灵敏系数 金属丝
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；

R = ΡL/A （2-1）
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，
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，其相对变
化为
（2-2）
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：
( 2-3 )
在电阻丝伸长的过程中所产生的电阻值的变化成为：

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：

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式中，Ks为单根金属丝的灵敏系数。表示金属丝的电阻变化率与它的轴向应变成线性关
系。根据这一规律，采用能够较好地在变形过程中产生电阻变化的材料，制造将应变信号转
换为电信号的电阻应变计。

2.2 电阻应变计的结构

电阻应变计主要由敏感栅、基底、覆盖层及引出线所组成，敏感栅用粘合剂粘在基底和
覆盖层之间。一种丝绕式应变计的典型结构如图 2-1 所示。
2.2.1 敏感栅
敏感栅是用合金丝或合金箔制成的栅。它能将被测构件表面的应变转换为电阻相对变
化。由于它非常灵敏，故称为敏感栅。它由纵栅与横栅两部分组成，纵栅的中心线称为应变
计的轴线。敏感栅的尺寸用栅长 L（横栅为圆弧形时，指两端圆弧内侧之间的距离；横栅为
直线形时，则为两端横栅内侧之间的距离）和栅宽 B（在与纵轴垂直的方向上，敏感栅外侧
之间的距离）表示，参见图 2-2。栅长尺寸一般为 0.2~100 毫米。

敏感栅是电阻应变计的核心组成部分，它的特性对于电阻应变计的性能有决定性的影
响。为了改善电阻应变计的性能，人们探索了多种材料的应变－电阻特性，从而发展了敏感
栅材料，包括金属、半导体和金属氧化物等。目前常用的金属敏感栅材料主要有铜镍合金、
镍铬合金、镍钼合金、铁基合金、铂基合金、钯基合金等。以金属材料为敏感栅的电阻应变
计的灵敏系数大都在 2.0 ～4.0 间。硅、锗等半导体材料由于具有压阻效应，所有也被人们
用作敏感栅的材料，以半导体材料为敏感栅的电阻应变计的灵敏系数大都在 150 左右，远高
于以金属材料为敏感栅的电阻应变计。

应变计的灵敏系数
应变计的灵敏系数是指：当应变计粘贴在处于单向应力状态的试件表面上，且其纵向(敏

感栅纵线方向)与应力方向平行时，应变计的电阻变化率与试件表面贴片处沿应力方向的应
变(即沿应变计纵向的应变) 的比值，即

式中，K 为应变计的灵敏系数；ε 为试件表面测点处与应变计敏感栅纵线方向平行的应变；
Δ RR 为由ε 所引起的应变计电阻的相对变化。
应变计的灵敏系数主要取决于敏感栅材料的灵敏系数，但两者又不相等，这主要有两个
原因：以丝式应变计为例，由于横栅的存在，使制成敏感栅之后的灵敏系数小于丝材的灵敏
系数，差别的大小与敏感栅的结构型式和几何尺寸有关；试件表面的变形是通过基底和粘结
剂传递给敏感栅，由于端部过渡区的影响又使应变计的灵敏系数小于敏感栅的灵敏系数，此
差数不仅与基底和粘结剂的种类及其厚度有关，还受粘结剂的固化程度以及应变计安装质量
的影响。因此，应变计的灵敏系数是受多种因素影响的综合性指标，它不能通过理论计算得
到，而是由生产厂家经抽样在专门的设备上进行标定试验来确定的。并于包装上注明其平均
名义值和标准误差。常用的应变计灵敏系数为 2.0~2.4。

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