電阻應(yīng)變計的分類

電阻應(yīng)變計的分類

電阻應(yīng)變計的種類很多，分類的方法也很多。
根據(jù)許用的工作溫度范圍可分為常溫、中溫、高溫及低溫應(yīng)變計；
1) 高溫應(yīng)變計 350oC以上；
2) 中溫應(yīng)變計 60~350oC；
3) 常溫應(yīng)變計 -30~60oC；
4) 低溫應(yīng)變計 -30oC以下。
根據(jù)基底材料可分為：紙基、膠膜基底（縮醛膠基、酚醛基、環(huán)氧基、聚酯基、聚稀亞胺基等）、玻璃纖維增強基底、金屬基底及臨時基底等。
根據(jù)安裝方式可分為粘貼式、焊接式和噴涂式三類。
根據(jù)敏感柵材料可分為金屬、半導(dǎo)體及金屬或金屬氧化物漿料等三類：
1) 金屬應(yīng)變計 包括絲式（絲繞式、短接式）應(yīng)變計、箔式應(yīng)變計和薄膜應(yīng)變計；
2) 半導(dǎo)體應(yīng)變計 包括體型半導(dǎo)體應(yīng)變計、擴散型半導(dǎo)體應(yīng)變計和薄膜半導(dǎo)體應(yīng)變計；
3) 金屬或金屬氧化物漿料主要是制作厚膜應(yīng)變計。
下面介紹幾種常用的電阻應(yīng)變計
2.3.1金屬絲式應(yīng)變計
金屬絲式應(yīng)變計的敏感柵一般是用直徑0.01~0.05毫米的銅鎳合金或鎳鉻合金的金屬絲制成?？煞譃榻z繞式和短接式兩種。絲繞式應(yīng)變計是用一根金屬絲繞制而成（見圖2-3），短接式應(yīng)變計是用數(shù)根金屬絲按一定間距平行拉緊，然后按柵長大小在橫向焊以較粗的鍍銀銅線，再將銅導(dǎo)線相間地切割開來而成（見圖2-4）。
1. 絲繞式應(yīng)變計
絲繞式應(yīng)變計的疲勞壽命和應(yīng)變極限較高，可作為動態(tài)測試用傳感器的應(yīng)變轉(zhuǎn)換元件。絲繞式應(yīng)變計多用紙基底和紙蓋層，其造價低，容易安裝。但由于這種應(yīng)變計敏感柵的橫向部分是圓弧形，其橫向效應(yīng)較大，測量精度較差，而且其端部圓弧部分制造困難，形狀不易保證相同，使應(yīng)變計性能分散，故在常溫應(yīng)變測量中正逐步被其它片種代替。

圖2-3絲繞式應(yīng)變計 圖2-4短接式應(yīng)變計
2. 短接式應(yīng)變計
短接式應(yīng)變計也有紙基和膠基等種類。短接式應(yīng)變計由于在橫向用粗銅導(dǎo)線短接，因而橫向效應(yīng)系數(shù)很小 (<0.1％)，這是短接式應(yīng)變計的最大優(yōu)點。另外，在制造過程中敏感柵的形狀較易保證，故測量精度高。但由于它的焊點多，焊點處截面變化劇烈，因而這種應(yīng)變計疲勞壽命短。
2.3.2金屬箔式應(yīng)變計
箔式應(yīng)變計的敏感柵是用厚度為0.002～0.005毫米的銅鎳合金或鎳鉻合金的金屬箔，采用刻圖、制版、光刻及腐蝕等工藝過程而制成（見圖2-5）?；资窃诓牧硪幻嫱可蠘渲z，經(jīng)過加溫聚合而成，基底的厚度一般為0.03～0.05mm。
與絲繞式應(yīng)變計相比，箔式應(yīng)變計的優(yōu)點是：
1. 敏感柵很薄，且箔材與粘合層的接觸面積要比絲材的大，因而粘貼牢固，有利于變形傳遞，因而它所感受的應(yīng)變狀態(tài)與試件表面的應(yīng)變狀態(tài)更為接近，測量精度高；
2. 敏感柵薄而寬，在相同的橫截面積條件下，箔柵的表面積比絲柵的要大，散熱性好，故允許通過較大的電流，因而可以輸出較強的信號，提高測量靈敏度；
3. 敏感柵的橫向端部為較寬的柵條，故橫向效應(yīng)較??；
4. 箔式片能保證尺寸準確，線條均勻，故靈敏系數(shù)分散性??；
5. 箔式應(yīng)變計的蠕變小、疲勞壽命長；
6. 加工性能好，能制成為各種形狀和尺寸的應(yīng)變計，尤其可以制造柵長很小的或敏感柵圖案特殊的應(yīng)變計；
7. 制造工藝自動化，可成批生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高。
由于箔式應(yīng)變計具有以上諸多優(yōu)點，故在各個測量領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。在常溫的應(yīng)變測量中有逐漸取代絲繞式應(yīng)變計的趨勢。

(a)單軸的 (b)測扭矩的 (c)多軸的(應(yīng)變花)
圖2-5 金屬箔式應(yīng)變計
金屬電阻應(yīng)變計還可以按敏感柵的結(jié)構(gòu)形狀分為下述幾類：
（1）單軸應(yīng)變計：單軸應(yīng)變計一般是指具有一個敏感柵的應(yīng)變計(見圖2-3、圖2-4)。這種應(yīng)變計可用來測量單向應(yīng)變。
（2）單軸多柵應(yīng)變計：把幾個單軸敏感柵粘貼在同一個基底上，可構(gòu)成平行軸多柵和同軸多柵，如圖2-6所示。這種應(yīng)變計可方便地測量構(gòu)件表面的應(yīng)變梯度。

(a)平行軸多柵 (b)同軸多柵
圖2-6單軸多柵應(yīng)變計
（3）應(yīng)變花（多軸應(yīng)變計）：具有兩個或兩個以上軸線相交成一定角度的敏感柵制成的應(yīng)變計稱為多軸應(yīng)變計，也稱為應(yīng)變花，如圖2-7所示。其敏感柵可由金屬絲或金屬箔制成。采用應(yīng)變花可方便地測定平面應(yīng)變狀態(tài)下構(gòu)件上某一點處的應(yīng)變。

（a）二軸90o （b）三軸45o （c）三軸60o （d）三軸120o
圖2-7應(yīng)變花
2.3.3薄膜應(yīng)變計
薄膜應(yīng)變計的“薄膜”不是指用機械壓延法所得到的薄膜，而是用諸如真空蒸發(fā)、濺射、等離子化學(xué)氣相淀積等薄膜技術(shù)得到的薄膜。它是通過物理方法或化學(xué)/電化學(xué)反應(yīng)，以原子，分子或離子顆粒形式受控地凝結(jié)于一個固態(tài)支撐物（即基底）上所形成的薄膜固體材料。其厚度約在數(shù)十埃至數(shù)微米之間。薄膜若按其厚度可分為非連續(xù)金屬膜、半連續(xù)膜和連續(xù)膜。
薄膜應(yīng)變計的制造主要是成膜工藝，如濺射、蒸發(fā)、光刻、腐蝕等。其工藝環(huán)節(jié)少，工藝周期較短，成品率高，因而獲得廣泛的應(yīng)用。

2.3.4半導(dǎo)體應(yīng)變計
半導(dǎo)體應(yīng)變計是利用硅、鍺、銻化鋼、磷化鎵等半導(dǎo)體樹料制成的。當半導(dǎo)體材料沿晶軸方向受到機械應(yīng)力作用時，其電阻率發(fā)生變化，這種性質(zhì)稱為壓阻效應(yīng)。

2.3.5幾種特殊的應(yīng)變計
為了適應(yīng)工程實際和某些力學(xué)實驗的需求，還有一些特殊形狀的應(yīng)變計，主要有以下幾種形式：
1.裂紋擴展應(yīng)變計
裂紋擴展應(yīng)變計的敏感柵是由平行柵條組成。用于斷裂力學(xué)實驗時，檢測構(gòu)件在載荷作用下裂紋擴展的過程及擴展的速率（如圖2-9）。實驗時粘貼在構(gòu)件裂紋尖端處，隨著裂紋的擴展，柵條依次被拉斷，應(yīng)變計的電阻逐級增加。根據(jù)事先作出的斷裂順序與電阻變化曲線，可推斷裂紋的擴展情況。若同時記錄各柵條斷裂時間，即可算出裂紋的擴展速率。

2.疲勞壽命計
疲勞壽命計的敏感柵是由經(jīng)過退火處理的康銅箔制成，夾在兩層浸過環(huán)氧樹脂的玻璃纖維布中間形成。當應(yīng)變計粘貼在承受交變載荷的構(gòu)件上時，應(yīng)變計絲柵在交變載荷作用下發(fā)生冷作硬化，而使電阻發(fā)生變化，電阻變化值與交變應(yīng)力的大小、循環(huán)次數(shù)成比例，通?？捎脤嶒灧椒▉斫⒔?jīng)驗公式。使用時可由電阻變化來推算交變應(yīng)變的大小及循環(huán)次數(shù)，從而預(yù)測構(gòu)件的疲勞壽命。
3.大應(yīng)變量應(yīng)變計
用于量測5～20％大應(yīng)變或超彈性范圍應(yīng)變用的，如圖2-10。為避免絲柵與粗引線間的應(yīng)力集中，中間采用細引線過渡。箔式應(yīng)變計的引線應(yīng)彎成弧形，然后再焊接，敏感柵是由經(jīng)過獲得大變形及退火處理的康銅制成，基底可用浸過增塑劑的紙(應(yīng)變5～12％)或聚蹴亞胺(應(yīng)變20％)，粘結(jié)劑可用環(huán)氧樹脂，聚氨脂填加增塑劑制成。這種應(yīng)變計受壓時敏感柵會發(fā)生軸向屈曲，故承受的拉應(yīng)變遠大于壓應(yīng)變。因此，當用于交變應(yīng)變量測時，量測范圍不應(yīng)超過容許的壓應(yīng)變界限。

4.雙層應(yīng)變計
在進行薄殼、薄板應(yīng)變的測量時，需要在殼和板的內(nèi)、外表面對稱貼片。而對于體積小或密封的結(jié)構(gòu)在內(nèi)表面貼片幾乎是無法進行的，雙層應(yīng)變計為解決這些問題提供了條件。在不太厚的塑料上、下表面粘貼應(yīng)變計，并在應(yīng)變計表面涂環(huán)氧樹脂保護層。使用時將此雙層應(yīng)變計粘貼在被測構(gòu)件的外表面，利用彎曲應(yīng)變線性分布及軸向應(yīng)變均勻分布特點，同時測出彎曲及軸向應(yīng)變。
5.防水應(yīng)變計
在潮濕環(huán)境或水下，特別在高水壓作用下，應(yīng)采用防水應(yīng)變計。常溫短期水下應(yīng)變量測可在箔式應(yīng)變計表面涂防護層（如水下環(huán)氧樹脂）。長期量測可用熱塑方法將應(yīng)變計夾在兩塊薄塑料板中間，或采用防水、防霉、防腐蝕的特種膠材料作為應(yīng)變計的基底和覆蓋層制成防水應(yīng)變計。
6.屏蔽式應(yīng)變計
屏蔽式應(yīng)變計的上、下兩面均有銅箔構(gòu)成屏蔽層，常用于電流變化幅度大的環(huán)境中的應(yīng)變測量，如在電焊機旁或電氣化機車軌道應(yīng)變的量測。在強磁場中，若采用鎳鉻敏感材料，可減小磁致效應(yīng)。