應(yīng)變片的由來(lái)與原理

一、應(yīng)變片的由來(lái)

1. 科學(xué)發(fā)現(xiàn)：電阻應(yīng)變效應(yīng)（1856年）

應(yīng)變片的誕生源于一項(xiàng)關(guān)鍵物理現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。1856年，英國(guó)物理學(xué)家威廉·湯姆森（William Thomson，即開(kāi)爾文勛爵）在研究金屬導(dǎo)線時(shí)，首次觀察到金屬材料在受力變形時(shí)電阻值會(huì)發(fā)生變化，這一現(xiàn)象被稱(chēng)為電阻應(yīng)變效應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)為應(yīng)變片的設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)，但受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，尚未實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用。

2. 原型誕生：金屬絲應(yīng)變片（1930年代）

20世紀(jì)30年代，美國(guó)工程師**愛(ài)德華·E·西蒙斯（Edward E. Simmons）和阿瑟·C·魯格（Arthur C. Ruge）**獨(dú)立研發(fā)出首款實(shí)用化應(yīng)變片。他們使用直徑約0.025mm的康銅（銅鎳合金）絲繞制成柵狀結(jié)構(gòu)，并用膠水固定在紙基上，形成了最早的金屬絲應(yīng)變片。這種設(shè)計(jì)首次實(shí)現(xiàn)了將機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電阻變化，并迅速應(yīng)用于橋梁和飛機(jī)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力測(cè)試。

3. 技術(shù)突破：箔式應(yīng)變片的發(fā)明（1952年）

金屬絲應(yīng)變片存在靈敏度低、易斷裂等缺陷。1952年，美國(guó)BLH公司通過(guò)光刻蝕刻技術(shù)，在聚酰亞胺薄膜上制作出超薄金屬箔敏感柵，研發(fā)出金屬箔式應(yīng)變片。這種新型應(yīng)變片具有更薄的厚度（3-5μm）、更高的靈敏系數(shù)（K=2.1K=2.1），并可通過(guò)圖案設(shè)計(jì)優(yōu)化應(yīng)變傳遞效率，成為現(xiàn)代應(yīng)變片的標(biāo)志性形態(tài)。

4. 材料革新：半導(dǎo)體與特殊場(chǎng)景應(yīng)變片（1960年代后）

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展：

半導(dǎo)體應(yīng)變片（1960年代）：利用硅、鍺等材料的壓阻效應(yīng)，靈敏系數(shù)（K=100～150K=100～150）遠(yuǎn)超金屬應(yīng)變片，但需解決溫度漂移問(wèn)題。

高溫應(yīng)變片（1970年代）：采用卡瑪合金（Karma）或陶瓷基底，耐受溫度可達(dá)800°C，用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件監(jiān)測(cè)。

光纖應(yīng)變片（21世紀(jì)）：基于光纖布拉格光柵（FBG）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)抗電磁干擾、長(zhǎng)距離分布式測(cè)量。

二、應(yīng)變片的工作原理

1. 核心原理：電阻應(yīng)變效應(yīng)

應(yīng)變片基于電阻應(yīng)變效應(yīng)，即導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在機(jī)械變形時(shí)電阻值發(fā)生改變。其數(shù)學(xué)表達(dá)為：

（1）金屬應(yīng)變片

幾何形變主導(dǎo)：金屬材料的電阻變化主要由長(zhǎng)度（LL）和橫截面積（AA）的變化引起。根據(jù)公式 R=ρLAR=ρAL?，拉伸時(shí) LL 增加、AA 減小，導(dǎo)致電阻增大。

應(yīng)變系數(shù)：金屬的 KK 值通常為2.0左右，由幾何形變和泊松效應(yīng)共同決定。

（2）半導(dǎo)體應(yīng)變片

壓阻效應(yīng)主導(dǎo)：半導(dǎo)體材料的電阻變化主要源于晶格變形引起的電阻率（ρρ）變化，其 KK 值可達(dá)100以上，靈敏度顯著高于金屬應(yīng)變片。

2. 測(cè)量系統(tǒng)與信號(hào)處理

應(yīng)變片通常接入惠斯通電橋電路，將電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)：

電橋配置：1/4橋、半橋或全橋接法，全橋接法可提高靈敏度和抗干擾能力。

信號(hào)調(diào)理：通過(guò)放大器、濾波器消除噪聲，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換輸出應(yīng)變值。

3. 溫度補(bǔ)償技術(shù)

應(yīng)變片對(duì)溫度敏感，需采用補(bǔ)償措施：

補(bǔ)償片法：將同批次應(yīng)變片粘貼于無(wú)應(yīng)力試塊，與工作片組成差動(dòng)電橋，抵消溫度影響。

自補(bǔ)償應(yīng)變片：選用與待測(cè)材料熱膨脹系數(shù)匹配的敏感柵材料（如Karma合金），直接減少溫度誤差。

4. 特殊類(lèi)型應(yīng)變片

應(yīng)變花：由多個(gè)敏感柵按不同方向排列（如0°-45°-90°），用于測(cè)量復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的主應(yīng)變。

薄膜應(yīng)變片：采用濺射工藝在基底上沉積金屬或半導(dǎo)體薄膜，適用于微型化、高頻響應(yīng)場(chǎng)景。

三、總結(jié)

應(yīng)變片的發(fā)展史是材料科學(xué)與測(cè)量技術(shù)結(jié)合的典范。從早期金屬絲到現(xiàn)代半導(dǎo)體和光學(xué)應(yīng)變片，其靈敏度和適用場(chǎng)景不斷拓展。工作原理上，金屬與半導(dǎo)體應(yīng)變片分別通過(guò)幾何形變和壓阻效應(yīng)實(shí)現(xiàn)應(yīng)變-電信號(hào)轉(zhuǎn)換，輔以溫度補(bǔ)償技術(shù)提升精度。未來(lái)，隨著MEMS技術(shù)和智能傳感器的進(jìn)步，應(yīng)變片將在物聯(lián)網(wǎng)、智能結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)中發(fā)揮更大作用。

廣州市向和科技有限公司致力于工業(yè)領(lǐng)域、測(cè)試測(cè)量，專(zhuān)注于高端的信號(hào)處理和數(shù)據(jù)采集，精密儀器的自主研發(fā)和創(chuàng)新，提供高端的應(yīng)變應(yīng)力測(cè)試儀、信號(hào)處理、系統(tǒng)集成等一系列產(chǎn)品和解決方案。經(jīng)過(guò)多年的努力，向和團(tuán)隊(duì)人員幫助全球眾多客戶(hù)解決各種難題，通過(guò)我們開(kāi)放式的產(chǎn)品平臺(tái)，為客戶(hù)提高效率，降低成本。在向和公司的支持下，系統(tǒng)集成商和合作伙伴實(shí)現(xiàn)了更好的增值服務(wù)，并在向和公司的產(chǎn)品基礎(chǔ)上不斷衍生出各種最新的應(yīng)用。

審核編輯 黃宇