2.3　电阻应变片的基本参数及性能指标

要正确选用电阻应变片，必须了解影响其工作的性能指标及其含义。

2.3.1　应变片的基本参数

1. 应变片的电阻值R0

R0是指应变片在未安装和不受外力的情况下且在室温条件下测定的电阻值，也称为原始阻值。相关国家标准中应变片的电阻值有60Ω、120Ω、350Ω、500Ω、1000Ω等几种规格。电阻值越大的应变片，其允许的工作电压就越大，传感器的输出电压也相应增大，灵敏度高。相应地，应变片的尺寸也要增大，在条件许可的情况下，应尽量选用高阻值应变片。

2. 应变片的灵敏系数K

应变片的灵敏系数K指应变片粘贴于试件表面在单向轴向应力作用下，应变片阻值的相对变化与应变片所受轴向应变的比值，即

应变片的灵敏系数是通过实验测定的，并且应变片的灵敏系数K比金属丝的灵敏系数Ks小。测定时必须按规定的实验条件，对一批产品抽样检测5%，取其平均值及允许公差值作为该批产品的灵敏系数，这种情况下测定的灵敏系数又称“标称灵敏系数”。

3. 应变片尺寸规格

应变片尺寸参数有基长l（敏感栅长度）和基宽b，使用面积l×b（mm2），还有基底长和基底宽。目前，应变片最小敏感栅长度仅为0.2mm。

4. 应变片允许工作电流

应变片允许工作电流指应变片不因电流产生热量而影响测量精度的情况下所允许通过的最大电流，它与应变片自身材料、试件、胶黏剂和环境等有关，要根据应变片的阻值和尺寸来计算。为保证测量精度，在静态测量时，允许工作电流一般为25mA；动态测量时，允许工作电流可以达75～100mA，金属箔式电阻应变片的允许工作电流较大些。

5. 应变极限

应变极限是指在温度一定的条件下，应变片的应变指示值和真实应变值的相对误差不超过规定值（一般为10%）时的最大真实应变值。一般应变片的测量范围为几千微应变，目前最大已可达2×105με。

2.3.2　应变片的精度指标

1. 机械滞后

机械滞后是指对粘贴后的应变片，在温度一定的条件下使其受到增（加载）、减（卸载）循环机械应变时，同一应变量下应变指示值的最大差值。机械滞后的主要原因是敏感栅基底和胶黏剂在承受机械应变后留下的残余变形。经历几次加/卸载循环后，机械滞后便明显减少。因此，在应变片粘贴后正式测量前可预先加/卸载若干次，以减少机械滞后对测量数据的影响。

2. 零漂和蠕变

零点漂移（简称零漂）是指已粘贴好的应变片在温度一定和不承受机械应变时，应变应变值随时间变化的特性。如果应变片在温度一定和承受恒定的机械应变时，应变值随时间变化，那么这种现象称为应变片的蠕变。

可见，零漂和蠕变这两项指标都是用来衡量应变片的时间稳定性的。实际上，无论是标定或用于测量，蠕变中已包含了零漂，因为零漂是不加载情况下就有的，蠕变是加载情况下的特例。

3. 横向效应

金属直线丝受单向力拉伸时，在任一微段上所感受的应变都是相同的，而且每段都是伸长的，因而每段电阻都将增加，金属直线丝总电阻的增加值为各微段电阻增加值的总和。但是将同样长度的金属直线丝弯曲做成应变片后，情况就不同了。若将应变片粘贴在单向力拉伸试件上，则此时各直线段上的金属丝将感受沿其轴向的拉伸主应变εx，故各微段电阻值都将增加。但在圆弧段上，沿各微段轴向（微段圆弧的切向）的应变却并非是εx，所产生的电阻变化与直线段上同长微段的电阻变化就不一样。极端情况发生在θ=90°处，该微段轴向受到的应变为εy（其值为-μεx），是压应变，因此该微段上的电阻不仅不增加，反而是减少的。在圆弧的其他各微段上，其在轴向感受的应变是由+εx变化到-εy的。因此，圆弧段部分的电阻变化显然小于其同样长度沿轴向安放的金属丝的电阻变化。由此可见，将金属直线丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但是应变状态不同，应变片敏感栅的电阻变化较金属直线丝小，灵敏系数也有所减小，这种现象称为应变片的横向效应，如图2.4所示。

采用金属箔式电阻应变片可以减小横向效应的影响。由于制作时金属箔式电阻应变片圆弧部分的尺寸比敏感栅粗得多，电阻值较小，因而电阻变化也就小得多，横向效应的影响可以忽略不计。

特别提示

应变片的横向效应提示我们：

（1）使用应变片时，为获得高的测量灵敏度，应使应变片的轴向与被测主应变方向一致。

（2）当使用应变片的实际条件与标定应变片灵敏度系数K时的条件不同时，灵敏度将变化，故应该对灵敏度重新标定，否则，会产生测量误差。

4. 动态特性

电阻应变片的动态特性指当输入的机械应变是一个随时间而变化的量时应变片对这种输入量的响应特性，通常输入正弦周期信号和阶跃信号来研究应变片输出量的响应状态。

实验表明，在动态测量时，机械应变以相同于声波速度的应变波形式在材料中传播。应变波由试件材料表面经胶黏剂、基底到敏感栅需要一定时间。由于前两者的厚度都很薄，可以忽略不计，但当应变波沿敏感栅长度方向传播时，就会有时间上的滞后，对动态（高频）应变测量就会产生误差，下面对应变片可测频率（截止频率）进行估算。

1）正弦应变波

应变片对正弦应变波的响应特性如图2.5（a）所示，该图反映的是应变片正处于应变波达到峰值时的瞬时情况。由于应变片反映的是敏感栅长度内所感受的应变量的平均值，该值小于实际应变峰值，这就造成一定的误差。显然这种误差将随应变片敏感栅长度的增大而增大。设应变波的波长为λ，应变片的敏感栅长度为l，两端点的坐标为x1=λ/4-l/2，x2=λ/4+l/2。

此时应变片在其敏感栅长度内测得的平均应变εP最大值为

应变波测量相对误差为

由式（2-9）可知，测量误差与应变波长对敏感栅长度的相对比值n=λ/l有关，如图2.5（b）所示。λ/l值越大，误差就越小，一般取λ/l=(10～20)，其误差为1.6%～0.4%。

因为λ=v/f，又λ=nl，所以f=v/(nl)，由此可根据应变波的传播速度v、应变波长与敏感栅长度的相对比值n算出不同敏感栅长度的应变片可测的最高频率。

表2-3给出了钢材在v=5000m/s和n=20时不同应变片敏感栅长度的最高工作频率。

2）阶跃应变波

应变片对阶跃应变波的响应特性如图2.6所示。图2.6（a）为阶跃输入信号，图2.6（b）为理论输出信号，图2.6（c）为应变片的实际输出信号波形。由于应变片所反映的波形有一定的时间延迟才能达到最大值，因此以应变片输出值从10%上升到最大值的90%这段时间作为上升时间tk，则tk=0.8l/v，应变片可测频率f=0.35/tk，则f=0.35/tk=0.44v/l。

特别提示

测量应变梯度大或频率高的应变时，应选择尺寸小的应变片。但应注意，应变片尺寸越小，制造越困难，工作时受发热的影响，允许的工作电流越小。