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应变式传感器的基本结构

1.应变计的结构

电阻丝应变片是用直径为0.025mm具有高电阻率的电阻丝制成的。为了获得高的阻值，将电阻丝排列成栅网状，称为敏感栅，并粘贴在绝缘的基片上，电阻丝的两端焊接引线。敏感栅上面粘贴有保护用的覆盖层。如图：

图2.2 典型应变计的结构及组成?
(a)丝式 (b)箔式 (c)半导体?1—敏感栅 2—基底 3—引线 4—盖层 5—粘结剂 6—电极
 
应变计的结构型式很多，但其主要组成部分基本相同。图2.2示出了丝式、箔式和半导体三种典型应变计的结构型式及其组成。?

(1)敏感栅——应变计中实现应变-电阻转换的敏感元件。它通常由直径为0.015～0.05mm的金属丝绕成栅状，或用金属箔腐蚀成栅状。图中l表示栅长，b表示栅宽。其电阻值一般在100Ω以上。?

(2)基底——为保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置，通常用粘结剂将其固结在纸质或胶质的基底上。应变计工作时，基底起着把试件应变准确地传递给敏感栅的作用。为此，基底必须很薄，一般为0.02～0.04mm。?有用专门的薄纸制成的基片称为纸基。有用粘结剂和有机树脂薄膜制成的胶基。  

(3)引线——它起着敏感栅与测量电路之间的过渡连接和引导作用。通常取直径约0.1～0.15mm的低阻镀锡铜线，并用钎焊与敏感栅端连接。?

(4)盖层——用纸、胶作成覆盖在敏感栅上的保护层；起着防潮、防蚀、防损等作用。?

(5)粘结剂——在制造应变计时，用它分别把盖层和敏感栅固结于基底；在使用应变计时，用它把应变计基底再粘贴在试件表面的被测部位。因此它也起着传递应变的作用。
 
2.测量原理

用应变片测量时，将其粘贴在被测对象表面上。当被测对象受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化，从而实现应变的测量。

通过弹性敏感元件，将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，则可用应变片测量上述各量，做成各种应变式传感器。

应变片有如下的优点：①.测量应变的灵敏度和精度高，性能稳定、可靠，可测1～2με，误差小于1％。②.应变片尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便、测量速度快。测量时对被测件的工作状态和应力分布基本上无影响。既可用于静态测量，又可用于动态测量③.测量范围大。既可测量弹性变形，也可测量塑性变形。变形范围可从1％～2％。④.适应性强。可在高温、超低温、高压、水下、强磁场以及核辐射等恶劣环境下使用。⑤.便于多点测量、远距离测量和遥测。⑥.价格便宜，品种多，工艺较成熟，便于选择和使用，可以测量各种物理量。
 
应变片的类型、材料及粘贴

（一）应变片的类型和材料

1.金属丝式应变片

金属丝式应变片有回线式和短接式二种，如图2.3所示。但回线式最为常用，制作简单，性能稳定，成本低，易粘贴，但其应变横向效应较大。

短接式应变片两端用直径比栅线直径大5～10倍的镀银丝短接。优点是克服了横向效应，但制造工艺复杂。

图2.3 应变片 a、c回线式 b、d短接式

常用材料：康铜、镍铬铝合金、铁铬铝合金以及铂、铂乌合金等。  
 
2.金属箔式应变片

它是利用照相制版或光刻技术将厚约0.003～0.01mm的金属箔片制成所需图形的敏感栅，也称为应变花。如图2.4。

优点：

①.可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅，其栅长l可做到0.2mm，以适应不同的测量要求；

②.与被测件粘贴结面积大；
 
      ③.散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度； 

④.横向效应小。

⑤.蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长。

图2.4 金属箔式应变片

缺点：电阻值的分散性比金属丝的大，有的相差几十欧姆，需做阻值调整。在常温下，金属箔式应变片已逐步取代了金属丝式应变片。
 
3.金属薄膜应变片 
它是薄膜技术发展的产物。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以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。

优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，可达－197～317℃

缺点：难于控制电阻与温度和时间的变化关系。
 
（二）应变片的粘贴

应变片是用粘结剂粘贴到被测件上的。粘结剂形成的胶层必须迅速地将被测件的应变传递到敏感栅上。粘结剂的性能及粘贴工艺的质量直接影响着应变片的工作特性，如零漂、蠕变、滞后、灵敏系数等。可见选择粘结剂和正确的粘结工艺与应变片的测量精度有着极其重要的关系。

1.粘结剂的选择?

粘结剂的主要功能是要在切向准确传递试件的应变。因此，它应具备：?

   (1)与试件表面有很高的粘结强度，一般抗剪强度应大于9.8×106Pa；?

   (2)弹性模量大，蠕变、滞后小，温度和力学性能参数要尽量与试件匹配；

   (3)抗腐蚀，涂刷性好，固化工艺简单，变形小，使用简便，可长期贮存；

     (4)电绝缘性能、耐老化与耐温耐湿性能均良好。?

一般情况下，粘贴与制作应变计的粘结剂是可以通用的。但是，粘贴应变计时受到现场加温、加压条件的限制。通常在室温工作的应变计多采用常温、指压固化条件的粘结剂；非金属基应变计若用在高温工作时，可将其先粘贴在金属基底上，然后再焊接在试件上。?

2.应变计的粘贴?

 (1)准备：①试件——在粘贴部位的表面，用砂布在与轴向成45°的方向交叉打磨至Ra为6.3μm→清洗净打磨面→划线，确定贴片坐标线→均匀涂一薄层粘结剂作底；②应变计——外表和阻值检查→刻划轴向标记→清洗。

 (2)涂胶：在准备好的试件表面和应变计基底上均匀涂一薄层粘结剂。?

 (3)贴片：将涂好胶的应变计与试件，按坐标线对准贴上→用手指顺轴向滚压，去除气泡和多余胶液→按固化条件固化处理。?

 (4)复查：①贴片偏差应在许可范围内；②阻值变化应在测量仪器预调平范围内；③引线和试件间的绝缘电阻应大于200MΩ。?

 (5)接线：根据工作条件选择好导线，然后通过中介接线片(柱)把应变计引线和导线焊接，并加以固定。?

 (6)防护：在安装好的应变计和引线上涂以中性凡士林油、石蜡(短期防潮)；或石蜡—松香—黄油的混合剂(长期防潮)；或环氧树脂、氯丁橡胶、清漆等(防机械划伤)作防护用，以保证应变计工作性能稳定可靠。

常用的粘结剂类型：硝化纤维素型、氰基丙稀酸型、聚酯树脂型、环氧树脂类和酚醛树脂类等。粘贴工艺：被测件粘贴表面处理，贴片位置的确定、贴片、干燥固化、贴片质量检查、引线的焊接与固定，以及防护与屏蔽等