應變式傳感器

利用電阻應變片將應變轉換為電阻變化的傳感器

測量力、力矩、壓力、加速度、重量等

電阻應變片的基本構造如圖1，它一般由敏感柵、基底、引線、蓋片等組成。敏感柵由直徑為0.01-0.05mm、高電阻係數的細絲彎曲而成柵狀，它實際上是一個電阻元件，是電阻應變片感受構件應變的敏感部分。敏感柵用粘合劑將其固定在基底上。基底的作用應保證將構件上應變準確地傳遞到敏感柵上去。因此它必須作得很薄，一般為0.03-0.06mm，使它能與試件及敏感柵牢固地粘結在一起。另外它還應有良好的絕緣性能、抗潮性能和耐熱性能。基底材料有紙、膠膜、玻璃纖維布等。紙具有柔軟、易於粘貼、應變極限大和價格低廉等優點，但耐温耐濕性差，一般工作温度低於70℃下采用。為了提高耐濕耐久性和使用温度，可浸以酚醛樹脂類粘合劑使用温度可提高至180℃，且時間穩定性好，適用於測力等傳感器使用。膠膜基底是由環氧樹脂、酚醛樹脂、聚脂樹脂和聚酰亞胺等有機粘合劑製成的薄膜，膠膜基底具有比紙更好的柔性、耐濕性和耐久性，且使用温度可達100-300℃。玻璃纖維布能耐400-450℃高温，多用做中温或高温應變片基底。引出線的作用是將敏感柵電阻元件與測量電路相連接，一般由0.1-0.2mm低阻鍍錫銅絲製成，並與敏感柵兩輸出端相焊接。

在測試時，將應變片用粘合劑牢固地粘貼在被測試件的表面上，隨着試件受力變形，應變片的敏感柵也獲得同樣的變形，從而使其電阻隨之發生變化，而此電阻變化是與試件應變成比例的，因此如果通過一定測量線路將這種電阻變化轉換為電壓或電流變化，然後再用顯示記錄儀表將其顯示記錄下來，就能知道被測試件應變量的大小。

種類：常見的有絲式電阻應變片和箔式電阻應變片兩種。

幾個概念——變形、彈性變形、彈性元件

基本特性——剛度、靈敏度

剛度——彈性元件受外力作用下變形大小的量度。

靈敏度——單位力作用下彈性元件產生變形的大小。剛度的倒數。

定義K=(ΔR/R)/εt為應變片的靈敏係數。它表示安裝在被測試件上的應變在其軸向受到單向應力時，引起的電阻相對變化(ΔR/R)與其單向應力引起的試件表面軸嚮應變(εt)之比。

注：應變片的靈敏係數並不等於其敏感柵整長應變絲的靈敏係數，這是因為在單向應力產生應變時，應變片的靈敏係數除受到敏感柵結構形狀、成型工藝、粘結劑和基底性能的影響外，尤其受到柵端圓弧部分橫向效應的影響。

結果：應變片的靈敏度比電阻絲的靈敏度要小

解決辦法：多采用箔式應變片

絕緣電阻——已粘貼的應變片的引線與被測件之間的電阻值Rm。絕緣電阻越大越好。

最大工作電流——已安裝的應變片允許通過敏感柵而不影響其工作特性的最大電流Imax。工作電流大，敏感度高，但也會使應變片過熱，應視材料選取不同的電流。 ^[1] 

應變片的温度誤差——由於測量現場環境温度的改變而給測量帶來的附加誤差。

電阻應變片的温度補償方法：

（1）線路補償法

初始狀態　Uo=A（R1 R4- RB R3）=0

温度變化後　Uo=A[（R1+ΔR1t）R4-(RB+ΔRBt)R3]=0

承受應變後　Uo=A[（R1+ΔR1t+ΔR1）R4-(RB+ΔRBt)R3]=AΔR1R4= AR1R4Kε

（2）應變片的自補償法 ^[1] 

電阻應變片的測量電路

1.

2.

應變式傳感器具有很多優點：

1、分辨力高，能測出極微小的應變，如1-2微應變；

2、誤差較小，一般小於1%；

3、尺寸小、重量輕。

4、測量範圍大，從彈性變形一直可測至塑性變形（1-2%），最大可達20%；

5、既可測靜態，也可測快速交變應力；

6、具有電氣測量的一切優點，如測量結果便於傳送、記錄和處理；

7、能在各種嚴酷環境中工作。如從宇宙真空至數千個大氣壓；從接近絕對零度低温至近1000℃高温；離心加速度可達數十萬個“g”；在振動、磁場、放射性、化學腐蝕等條件下，只要採取適當措施，亦能可靠地工作；

8、價格低廉、品種多樣，便於選擇和大量使用。

2023年，莫斯科電子技術大學與莫斯科國立謝切諾夫第一醫科大學科研人員合作，開發了兩組應變式傳感器：觸覺傳感器和可拉伸傳感器。這種傳感器可用於製造“電子皮膚” 。 ^[2]