电阻应变计的分类

电阻应变计的分类

电阻应变计的种类很多，分类的方法也很多。
根据许用的工作温度范围可分为常温、中温、高温及低温应变计；
1) 高温应变计 350ºC以上；
2) 中温应变计 60~350ºC；
3) 常温应变计 -30~60ºC；
4) 低温应变计 -30ºC以下。
根据基底材料可分为：纸基、胶膜基底（缩醛胶基、酚醛基、环氧基、聚酯基、聚稀亚胺基等）、玻璃纤维增强基底、金属基底及临时基底等。
根据安装方式可分为粘贴式、焊接式和喷涂式三类。
根据敏感栅材料可分为金属、半导体及金属或金属氧化物浆料等三类：
1) 金属应变计 包括丝式（丝绕式、短接式）应变计、箔式应变计和薄膜应变计；
2) 半导体应变计 包括体型半导体应变计、扩散型半导体应变计和薄膜半导体应变计；
3) 金属或金属氧化物浆料主要是制作厚膜应变计。
下面介绍几种常用的电阻应变计
2.3.1金属丝式应变计
金属丝式应变计的敏感栅一般是用直径0.01~0.05毫米的铜镍合金或镍铬合金的金属丝制成。可分为丝绕式和短接式两种。丝绕式应变计是用一根金属丝绕制而成（见图2-3），短接式应变计是用数根金属丝按一定间距平行拉紧，然后按栅长大小在横向焊以较粗的镀银铜线，再将铜导线相间地切割开来而成（见图2-4）。
1. 丝绕式应变计
丝绕式应变计的疲劳寿命和应变极限较高，可作为动态测试用传感器的应变转换元件。丝绕式应变计多用纸基底和纸盖层，其造价低，容易安装。但由于这种应变计敏感栅的横向部分是圆弧形，其横向效应较大，测量精度较差，而且其端部圆弧部分制造困难，形状不易保证相同，使应变计性能分散，故在常温应变测量中正逐步被其它片种代替。

图2-3丝绕式应变计 图2-4短接式应变计
2. 短接式应变计
短接式应变计也有纸基和胶基等种类。短接式应变计由于在横向用粗铜导线短接，因而横向效应系数很小 (<0.1％)，这是短接式应变计的最大优点。另外，在制造过程中敏感栅的形状较易保证，故测量精度高。但由于它的焊点多，焊点处截面变化剧烈，因而这种应变计疲劳寿命短。
2.3.2金属箔式应变计
箔式应变计的敏感栅是用厚度为0.002～0.005毫米的铜镍合金或镍铬合金的金属箔，采用刻图、制版、光刻及腐蚀等工艺过程而制成（见图2-5）。基底是在箔的另一面涂上树脂胶，经过加温聚合而成，基底的厚度一般为0.03～0.05mm。
与丝绕式应变计相比，箔式应变计的优点是：
1. 敏感栅很薄，且箔材与粘合层的接触面积要比丝材的大，因而粘贴牢固，有利于变形传递，因而它所感受的应变状态与试件表面的应变状态更为接近，测量精度高；
2. 敏感栅薄而宽，在相同的横截面积条件下，箔栅的表面积比丝栅的要大，散热性好，故允许通过较大的电流，因而可以输出较强的信号，提高测量灵敏度；
3. 敏感栅的横向端部为较宽的栅条，故横向效应较小；
4. 箔式片能保证尺寸准确，线条均匀，故灵敏系数分散性小；
5. 箔式应变计的蠕变小、疲劳寿命长；
6. 加工性能好，能制成为各种形状和尺寸的应变计，尤其可以制造栅长很小的或敏感栅图案特殊的应变计；
7. 制造工艺自动化，可成批生产，生产效率高。
由于箔式应变计具有以上诸多优点，故在各个测量领域中得到广泛的应用。在常温的应变测量中有逐渐取代丝绕式应变计的趋势。

(a)单轴的 (b)测扭矩的 (c)多轴的(应变花)
图2-5 金属箔式应变计
金属电阻应变计还可以按敏感栅的结构形状分为下述几类：
（1）单轴应变计：单轴应变计一般是指具有一个敏感栅的应变计(见图2-3、图2-4)。这种应变计可用来测量单向应变。
（2）单轴多栅应变计：把几个单轴敏感栅粘贴在同一个基底上，可构成平行轴多栅和同轴多栅，如图2-6所示。这种应变计可方便地测量构件表面的应变梯度。

(a)平行轴多栅 (b)同轴多栅
图2-6单轴多栅应变计
（3）应变花（多轴应变计）：具有两个或两个以上轴线相交成一定角度的敏感栅制成的应变计称为多轴应变计，也称为应变花，如图2-7所示。其敏感栅可由金属丝或金属箔制成。采用应变花可方便地测定平面应变状态下构件上某一点处的应变。

（a）二轴90º （b）三轴45º （c）三轴60º （d）三轴120º
图2-7应变花
2.3.3薄膜应变计
薄膜应变计的“薄膜”不是指用机械压延法所得到的薄膜，而是用诸如真空蒸发、溅射、等离子化学气相淀积等薄膜技术得到的薄膜。它是通过物理方法或化学/电化学反应，以原子，分子或离子颗粒形式受控地凝结于一个固态支撑物（即基底）上所形成的薄膜固体材料。其厚度约在数十埃至数微米之间。薄膜若按其厚度可分为非连续金属膜、半连续膜和连续膜。
薄膜应变计的制造主要是成膜工艺，如溅射、蒸发、光刻、腐蚀等。其工艺环节少，工艺周期较短，成品率高，因而获得广泛的应用。

2.3.4半导体应变计
半导体应变计是利用硅、锗、锑化钢、磷化镓等半导体树料制成的。当半导体材料沿晶轴方向受到机械应力作用时，其电阻率发生变化，这种性质称为压阻效应。

2.3.5几种特殊的应变计
为了适应工程实际和某些力学实验的需求，还有一些特殊形状的应变计，主要有以下几种形式：
1.裂纹扩展应变计
裂纹扩展应变计的敏感栅是由平行栅条组成。用于断裂力学实验时，检测构件在载荷作用下裂纹扩展的过程及扩展的速率（如图2-9）。实验时粘贴在构件裂纹尖端处，随着裂纹的扩展，栅条依次被拉断，应变计的电阻逐级增加。根据事先作出的断裂顺序与电阻变化曲线，可推断裂纹的扩展情况。若同时记录各栅条断裂时间，即可算出裂纹的扩展速率。

2.疲劳寿命计
疲劳寿命计的敏感栅是由经过退火处理的康铜箔制成，夹在两层浸过环氧树脂的玻璃纤维布中间形成。当应变计粘贴在承受交变载荷的构件上时，应变计丝栅在交变载荷作用下发生冷作硬化，而使电阻发生变化，电阻变化值与交变应力的大小、循环次数成比例，通常可用实验方法来建立经验公式。使用时可由电阻变化来推算交变应变的大小及循环次数，从而预测构件的疲劳寿命。
3.大应变量应变计
用于量测5～20％大应变或超弹性范围应变用的，如图2-10。为避免丝栅与粗引线间的应力集中，中间采用细引线过渡。箔式应变计的引线应弯成弧形，然后再焊接，敏感栅是由经过获得大变形及退火处理的康铜制成，基底可用浸过增塑剂的纸(应变5～12％)或聚蹴亚胺(应变20％)，粘结剂可用环氧树脂，聚氨脂填加增塑剂制成。这种应变计受压时敏感栅会发生轴向屈曲，故承受的拉应变远大于压应变。因此，当用于交变应变量测时，量测范围不应超过容许的压应变界限。

4.双层应变计
在进行薄壳、薄板应变的测量时，需要在壳和板的内、外表面对称贴片。而对于体积小或密封的结构在内表面贴片几乎是无法进行的，双层应变计为解决这些问题提供了条件。在不太厚的塑料上、下表面粘贴应变计，并在应变计表面涂环氧树脂保护层。使用时将此双层应变计粘贴在被测构件的外表面，利用弯曲应变线性分布及轴向应变均匀分布特点，同时测出弯曲及轴向应变。
5.防水应变计
在潮湿环境或水下，特别在高水压作用下，应采用防水应变计。常温短期水下应变量测可在箔式应变计表面涂防护层（如水下环氧树脂）。长期量测可用热塑方法将应变计夹在两块薄塑料板中间，或采用防水、防霉、防腐蚀的特种胶材料作为应变计的基底和覆盖层制成防水应变计。
6.屏蔽式应变计
屏蔽式应变计的上、下两面均有铜箔构成屏蔽层，常用于电流变化幅度大的环境中的应变测量，如在电焊机旁或电气化机车轨道应变的量测。在强磁场中，若采用镍铬敏感材料，可减小磁致效应。