2.1.1 金属电阻应变片工作原理

电阻应变片的工作原理是基于金属的应变效应。金属丝的电阻值随着它所受的机械形变（拉伸或压缩）的大小而发生相应变化的现象称为金属的电阻应变效应。

1.金属电阻应变效应

长为 l 、截面积为 A 、电阻率为 ρ 的金属或半导体丝电阻， R ＝ ，如图2－1。若导电丝在轴向受到应力的作用，其阻值将发生变化。假设其长度变化Δ l ，截面积变化Δ A ，电阻率变化Δ ρ ，而引起电阻变化Δ R ，对 R ＝ 作全微分，则

设电阻丝为圆形截面，直径为 d ，则

式中：

k ₀ 为单根导电丝的灵敏系数，表示当发生应变时，其电阻变化率与其应变的比值。 k ₀ 的大小由两个因素引起：一个是由于导电丝的几何尺寸的改变所引起，由（1＋2 μ ）项表示；另一个是导电丝受力后，材料的电阻率ρ发生变化而引起，由（Δ ρ ／ ρ ）／（Δ l ／ l ）项表示。

引用 ＝ π T ，其中应力 T＝E ε ＝ ， π 表示压阻系数， ε ＝Δ l ／ l 为应变，则有

对金属来说， π E 很小，可忽略不计， μ ＝0.25～0.5，故 k ₀ ＝1＋2 μ ≈1.5～2。对半导体而言， π E 比1＋2 μ 大得多，压阻系数 π ＝（40～50）×10－ ¹¹ m ² ／N，杨氏模量 E ＝1.67×10 ¹¹ Pa，则 π E ≈50～100，故（1＋2 μ ）可以忽略不计。可见，半导体灵敏度要比金属大50～100倍。

2.应变计的结构与分类

电阻应变片种类繁多，但基本构造大体相同，如图2－2所示，图中 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。

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。常用金属应变片的敏感栅有丝式、箔式、薄膜式等。

（1）丝式应变计

丝式应变计是最早应用的品种。金属丝弯曲部分可做成圆弧、锐角或直角，如图2－3所示。弯曲部分做成圆弧（U）型是最早常用的一种形式，制作简单但横向效应较大。直角（H）型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。

（2）箔式应变计

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）。图2－4画出了几种箔式应变计。

（3）薄膜式应变计

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℃，也可用于核辐射等特殊情况下。

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。 9e9HyojsGlxSlHT/WI/89/dAAKlAER9NqLnx0FcnsNTVbXiEj3F99fyi9B012Q0i