3.2 電阻應變片傳感器

電阻應變片（簡稱應變片）的作用是把導體的機械應變轉換成電阻應變，以便進一步測量。電阻應變片的典型結構如圖3-7所示。合金電阻絲以曲折形狀（柵形）用黏接劑粘貼在絕緣基片上，兩端通過引線引出；絲柵上面再粘貼一層絕緣保護膜。該合金電阻絲柵應變片長為l，寬度為b。把應變片粘貼于所需測量變形物體表面，敏感柵隨被測體表面變形而使電阻值改變，測量電阻的變化量便可得知變形的大小。由于應變片具有體積小、使用簡便、測量靈敏度高等優點，可進行動、靜態測量，精度符合要求，因此廣泛用于應力、力、壓力、力矩、位移和加速度等物理量的測量。隨著溫度材料和工藝技術的發展，超小型、高靈敏度、高精度的電阻應變片和傳感器不斷出現，測量范圍不斷擴大，已成為非電量電測技術中十分重要的手段。

3.2.1 電阻應變片工作原理

電阻應變片傳感器是利用了金屬和半導體材料的“應變效應”。金屬和半導體材料的電阻值隨它承受的機械變形大小而發生變化的現象就稱為“應變效應”。

設電阻絲長度為L，截面積為S，電阻率為ρ，則電阻值R為：

如圖3-8所示，當電阻絲受到拉力F時，其阻值發生變化。材料電阻值的變化，一是受力后材料幾何尺寸變化；二是受力后材料的電阻率也發生了變化。大量實驗表明，在電阻絲拉伸極限內，電阻的相對變化與應變成正比，而應變與應力也成正比，這就是利用應變片測量應變的基本原理。

3.2.2 電阻應變片的分類

電阻應變片主要分為金屬電阻應變片和半導體應變片兩類。其中，金屬電阻應變片又分體型和薄膜型，而屬于體型金屬電阻應變片的有絲式應變片、箔式應變片、應變花等。

絲式應變片如圖3-9（a）、（b）所示，它分為回繞式應變片（U形）和短接式應變片（H形）兩種。其優點是粘貼性能好，能保證有效地傳遞變形，性能穩定，且可制成滿足高溫、強磁場、核輻射等特殊條件使用的應變片；缺點是U形應變片的圓弧形彎曲段呈現橫向效應，H形應變片因焊點過多，可靠性下降。

箔式應變片如圖3-9（c）所示，它是用照相制版、光刻、腐蝕等工藝制成的金屬箔柵。優點是黏合情況好、散熱能力較強、輸出功率較大、靈敏度高等。箔式應變片在工藝上可按需要制成任意形狀，易于大量生產，成本低廉，在電測中獲得廣泛應用。尤其在常溫條件下，箔式應變片已逐漸取代了絲式應變片。

薄膜型金屬電阻應變片是在薄絕緣基片上蒸鍍金屬制成的。

半導體應變片是用鍺或硅等半導體材料作為敏感柵。圖3-9（d）給出了P型單晶硅半導體應變片結構示意圖。半導體應變片靈敏系數大、機械滯后小、頻率響應快、阻值范圍寬（可從幾歐到幾十千歐），易于做成小型和超小型；但其熱穩定性差，測量誤差較大。

在平面力場中，為測量某一點上主應力的大小和方向，常需測量該點上兩個或三個方向的應變。故此需要把兩個或三個應變片逐個黏結成應變花，或直接通過光刻技術制成。應變花分互成45°的直角形應變花和互成60°的等角形應變花兩種基本形式，如圖3-10所示。

除上述各種應變片外，還有一些具有特殊功能和特種用途的應變片。如大應變量應變片、溫度自補償應變片和錳銅應變片等。

3.2.3 電阻應變片的測量電路

彈性元件表面的應變傳遞給電阻應變片敏感絲柵，使其電阻發生變化。測量出電阻變化，便可知應變（被測量）大小。測量時，可直接測單個應變片阻值變化；也可將應變片通過恒流而測量其兩端的電壓變化。但由于溫度等各種原因，使得單片測量結果誤差較大。選用電橋測量，不僅可以提高檢測靈敏度，還能獲得較為理想的補償效果。基本電橋測量電路如圖3-11所示。

如圖3-11（a）、（b）所示為半橋測量電路。圖3-11（a）中，R1為測量片，R2為補償片，R3、R4為固定電阻。補償片起溫度補償的作用，當環境溫度改變時，補償片與測量片阻值同比例改變，使橋路輸出不受影響。下面分析電路工作原理。

無應變時，R1=R2=R3=R4=R，則橋路輸出電壓為：

有應變時，R1=R1+ΔR1，則：

代入R1=R2=R3=R4=R，由ΔR1/2R?1可得：

在圖3-11（b）中，R1、R2均為相同應變測量片，又互為補償片。有應變時，一片受拉，另一片受壓，此時阻值為R1+ΔR1和R2-ΔR2，按上述同樣的方法，可以計算輸出電壓為：

在圖3-11（c）中，R1、R3為相同應變測量片，有應變時，兩片同時受拉或同時受壓；R2、R4為補償片。可以計算該電路輸出電壓為：

圖3-11（d）是4個橋臂均為測量片的電路，且互為補償。有應變時，必須使相鄰兩個橋臂上的應變片一個受拉，另一個受壓。可以計算該電路輸出電壓為：