电阻应变计

应变计又称为负荷囊(load cell)，在1856年由Load Kelvin所发现，由金属材料加压变形后，金属阻抗产生变化所做成的。当金属材料受到拉力或张力时，金属材料变细，电气阻抗增加。反之，受到压缩时，则金属阻抗变小。应用这种方法做成的被称为应变计。此类感测装置可以将物理现象中的压力变换成电气信号输出，因此常被用在荷重、张力、压力转换的场合之中。
  
  应变计的种类有很多种。就材质而言，有金属和半导体，就构造而言则有箔状、线状、堆栈、扩散等多项。图1是一种用得最多的金属应变计，以金属箔制作而成。此应变计是把金属箔黏贴在厚约3~10μm的聚合绝缘基板上，依电阻值大小以光蚀刻成所要的形状、图案，再覆盖上一层保护层。
  
  图3 金属箔应变计之构造
  此种形状的应变计，以贴付在待测物上使用，主要作为待测物之应力测定。应变计之使用一般非个别使用，通常四枚或两枚为一组，各种动作模式所产生的作用力由各个应变计分别承担，依压力模式应变计之黏贴位置必须有所选择。图4 是另一种动作模式，两枚应变计依垂直方向固定在一基板上，为一复合应变计的例子。使用此种应变计，在组件配置、黏贴、接线等之工作时皆可简化。
  
  图4 复合应变计之构造
  黏贴式应变计它主要由4部分组成。由电阻丝制成的敏感栅﹕是应变计的敏感部分﹔ 衬底和保护层﹕敏感栅黏贴在衬底上﹐衬底是将传感器弹性组件表面的应变传递到电阻丝栅上的中间介质﹐起绝缘作用﹔保护层起保护电阻丝的作用﹔ 黏合剂﹕它将电阻丝与衬底黏贴在一起﹔引出线﹕它起连接测量导线的作用。按衬底材料和安装方法的不同﹐可把黏贴式应变计分为纸衬式﹑胶衬式﹑金属衬底式和临时衬底式等。敏感栅又有多种结构形式﹐可分为测量单方向应变的单轴式和测量两个方向以上应变的多轴式(又称应变花)两类。
   
  
   图5黏贴式应变计
  下图是一个标准典型的应变规。一个只有几微米厚度金属阻抗薄片固着在一片电子绝缘材料上使用一特定的接着剂。为适合所需的外形，在照相蚀刻过程中已将不需要的部份去除掉，如此输出阻抗改变值的导线就可以固定了。应变计阻抗一般皆设为120Ω、 350Ω 。
  
  图1
  应变在测量金属线（或金箔）上由于应变而改变电子阻抗，现在我们就来研究当金属线产生应变时，电子阻抗改变的情况。
  
   图2
  金属样本的电阻，可由下式定出
  
  式中R0＝样本的电阻(Ω)
  ρ ＝样本电阻系数(resistivity)(Ω-m)
  l0＝样本长度(m)
  A0＝截面积(m2)
  V＝l0A0＝（l0＋△l）（A0－△A）
  
  电阻的变化
  例：
  有一电阻值为120Ω的金属线，试求1000μm/m应变所造成的电阻变化。
  解：
  
  应变计的一般特性
  1.非线性。
  2.应变计电流。
  3.感应频率。
  4.破坏
  非线性
  虽然应变计会由于型式、外形、尺寸及构造的差异而使线性有所差别，但应变在3000到4000 * 10-6所测得的应变值，大约近似1%的非线性。
在应变6000到8000 * 10-6时会有3到5%的改变。假若应变继续增加，应变计会剥离或不与测试体接触。一般而言，应变计大致会在应变10000到30000 * 10-6时剥离。
  应变计所使用电流的上限为20mA，虽然会因为应变计的尺寸和测试体的热当量（此因素会影响热能的消散）而有差异产生。所以，应变计适用的最大电压为：桥式应变规120Ω电压5V，350Ω应变规电压14V。
  响应频率
  在使用应变计测量动态现象时，应变是经由基座及黏胶而传送到电阻感应器上。此传送过程非常的迅速。例如震动现象，应变计上的应力分布并不是均匀的，因为会受到测试体内部结构组件所传送弹性应力波的影响。从实验获得，在应变计长10mm及3mm时各别的传送节点大约近似1.6μs及0.47μs（至少频率为170KHZ及360KHZ）。因此除了特例外，机件或结构组件的快速应变行为可仅仅使用应变计量测。
  破坏
  假若施于应变计上的应变非常多且大，就可能导致阻抗增加，导线及抗阻器无法接续，且由于扬起的导线而使接着的基座剥离，这些因素会导致应变计无法继续使用，称之应变计”破坏”。应变计破坏的耐久性和应变所施于及循环有关，且和型式、外形、尺寸都有关。生命周期的设定是用高于100*10-6的应变变化的周期应变和示波器上±1500*10-6反复应变的长钉形波形作比较而得。一般应变计的生命周期为105次循环。