电阻应变片的种类

常按材料、工作温度范围及用途不同分类

①按应变片敏感栅的材料分类，可将应变片分成金属应变片和半导体应变片两大类。
② 按应变片的工作温度分类可分为常温应变片（20℃～60℃）、中温应变片（60℃～300℃）、高温应变片（300℃以上）和低温应变片（低于20℃）等。
③按应变片的用途分类可分为一般用途应变片和特殊用途应变片（水下、疲劳寿命、抗磁感应、裂缝扩展等）。

金属电阻应变片

结构

金属电阻应变片简称应变片，其结构大体相同，如图所示。由敏感栅、基底、覆盖层、引线和黏结剂等部分组成。

敏感栅：实现应变-电阻转换的敏感元件，阻值一般在100Ω以上
基底：粘贴、定位、绝缘，起着准确将试件应变传递到敏感栅的作用。为此，基底通常很薄，一般为0.02-0.04mm
覆盖层：用纸或透明胶纸覆盖在敏感栅上，防潮、防尘、防蚀、防损
引线：起敏感栅与测量电路间的过渡连接和引导作用
黏结剂：传递应变

分类

丝式应变片（分回线式和短接式两种）

① 回线式应变片:回线式应变片是将电阻丝绕制成栅粘在绝缘基片上制成的，如图4-2(a)
特点：制作简单、性能稳定、价格便宜
② 短接式应变片:短接式应变片是将数根等长的敏感金属丝平行放置，两端用直径比金属丝大5～10倍的镀银丝短接起来而构成的，如图4-2(b)
优点：克服了回线式应变片的横向效应
缺点：焊点多，易疲劳损坏

箔式应变片

箔式应变片是将很薄的金属片粘于基片上，经光刻、腐蚀等制成金属箔敏感栅。给箔敏感栅接上金属丝电极，再涂覆与基片同质料的覆盖层。结构如图4-3所示
优点：尺寸准确、线条均匀、可按需要做成各种形状、横向效应小、散热好、准确传递、薄、柔、寿命长、稳定性好
缺点：灵敏度较低

薄膜应变片

薄膜应变片是薄膜技术发展的产物。它是采用真空蒸发或真空沉积等方法，在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1µm下的金属电阻材料薄膜的敏感栅，最后加上保护层。
优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，温度可达197～371℃
缺点：难以控制电阻与温度和时间的变化关系

工作原理

参数

金属电阻应变片的主要参数有：
（1）应变片电阻值R
（2）灵敏系数k
（3）机械滞后Z_j
（4）横向效应及横向效应系数H
（5）零漂P和蠕变θ
（6）绝缘电阻R_m

应变片电阻值R:应变片没有粘贴及未参与变形前，室温下测定的电阻值称为初始电阻值，其中120Ω最常用，应变片电阻值的大小应与测量电阻相配合

灵敏系数k：衡量应变片质量的重要标志

机械滞后Z_j：实际应用中，由于敏感栅基底和黏结剂材料性能，或者使用过程中的过载、过热，都会使应变计产生残余形变，导致应变片输出的不重合。这种不重合用机械滞后Z_j来衡量。它是指粘贴在试件上的应变片，在恒温条件下增（加载）、减（卸载）试件应变的过程中，对应同一机械应变所指示应变量（输出）之差。通常，在室温条件下，要求机械滞后Z_j < 3-10με。实测中，可在测试前通过多次重复预加、卸载，来减小机械滞后产生的误差

横向效应及横向效应系数H
横向效应：应变片在感受被测试件的应变时，横向应变将使其电阻变化率减小，从而降低灵敏系数，称为应变片的横向效应
横向效应系数H：垂直时与平行时应变之比

零漂P和蠕变θ
零漂：温度恒定、试件初始空载时，应变片电阻值随时间变化的特性。两者之差即为零漂或稳定性误差。可用相对误差或绝对误差表示

绝缘电阻R_m:略，懒得写了

温度误差及其补偿

温度误差

温度补偿

单丝自补偿应变片

优点：结构简单，制造、使用方便
缺点：一种α_t值的应变片只能对应在一种材料上应用，局限性大

双丝自补偿应变片

电桥补偿法

半导体应变片

半导体应变片的分类和结构

按照材料类型分为P型硅应变片、N型硅应变片、PN互补型应变片
按照特性分为灵敏系数补偿型应变片和非线性补偿应变片
按照材料的化学成分分为硅、锗、锑化铟、磷化镓、磷化铟等应变片
目前应用较多的是按照结构分类，包括体型应变片、扩散型应变片和薄膜型半导体应变计

半导体应变片的工作原理

优点：尺寸、横向效应、机械滞后都很小，灵敏系数极大，因而输出也大，可以不需要放大器直接与记录仪器连接，使得测量系统简化
缺点：测量较大应变时非线性严重，灵敏系数随受拉或受压而变，且分散度大，一般为3%-5%

电阻应变片的测量电路

电阻应变片把机械应变信号转换成后，由于应变量及其应变电阻变化一般都很微小，既难以直接精确测量，又不便直接处理，因此，必须采用转换电路或仪器，把应变片的变化转换成电压或电流变化。通常，采用电桥电路实现这种转换。

直流电桥电路

直流电桥平衡条件

图4-6所示为直流电桥的基本电路，E为电桥电源电压，R1、R2、R3、R4为电桥的桥臂，RL为其负载（可以是测量仪表的内阻或其他负载）。

电压灵敏度

非线性误差及其补偿方法

提高桥臂比

提高桥臂比可减小非线性误差。但是从电压灵敏度来考虑，提高桥臂比会降低电压灵敏度。因此，为达到既减小非线性误差又不降低电压灵敏度的目的，必须适当提高电源电压E

采用差动电桥

根据被测试件的受力情况，在同一试件上分别粘贴两个应变片，一个感受拉力，另一个感受压力，两者应变符号相反，测试时，将两个应变片接入电桥的相邻臂上，如图4.7所示，称此电桥电路为半桥差动电路

优点：差动电桥无非线性误差，而且电压灵敏度为S_v=0.5E,比使用一只应变片提高了1倍，同时可以起到温度补偿的作用
给电桥的四臂接入4片应变片，使两个桥臂应变片受到拉力，两个桥臂应变片受到压力，将两个应变符号相同的接入相对桥臂上，则构成全桥差动电路。差动桥路的输出电压和电压灵敏度比单片提高了4倍，比半桥差动电路提高了1倍

采用高内阻的恒流源电桥

产生非线性的原因之一是，在工作过程中通过桥臂的电流不恒定。所以有时用恒流电源供电。如图4-9所示。一般情况下，半导体应变电桥都采用恒流供电，供电电流为 ，通过各臂的电流分别为 和 ，如果测量电路的输入阻抗较高，则I1(R1+R2)=I2(R3+R4),I0=I1+I2,解方程可求得I1和I2