应变计又称为负荷囊(loadcell),在1856年由LoadKelvin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。是一种用得较多的金属应变计,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。埋入式振弦应变计特点:长期可靠性。厦门非粘贴式应变计工作温度
电阻应变计的种类很多,分类的方法也很多。根据许用的工作温度范围可分为常温、中温、高温及低温应变计。1)高温应变计350ºC以上;2)中温应变计60~350ºC;3)常温应变计-30~60ºC;4)低温应变计-30ºC以下。根据基底材料可分为:纸基、胶膜基底(缩醛胶基、酚醛基、环氧基、聚酯基、聚稀亚胺基等)、玻璃纤维增强基底、金属基底及临时基底等。根据安装方式可分为粘贴式、焊接式和喷涂式三类。根据敏感栅材料可分为金属、半导体及金属或金属氧化物浆料等三类:1)金属应变计包括丝式(丝绕式、短接式)应变计、箔式应变计和薄膜应变计;2)半导体应变计包括体型半导体应变计、扩散型半导体应变计和薄膜半导体应变计;3)金属或金属氧化物浆料主要是制作厚膜应变计。杭州应变计输出方式应变计(有时称为应变片)是电阻随作用力变化的传感器。
按敏感栅的材料,电阻应变计分为金属电阻应变计和半导体应变计两类,按工艺可分为粘贴式(又称应变片,出现较早,应用较广)、非粘贴式(又称张丝式或绕丝式)、焊接式、喷涂式等。金属电阻应变计,金属电阻应变计的种类、所使用的材料和安装方法分述如下:丝式应变计敏感栅常用的有丝绕式和短接线式两种。丝绕式的敏感栅是用直径0.015~0.05毫米的金属丝连续绕制而成,端部呈半圆形。如果安装应变计的构件表面存在两个方向的应变,此圆弧端除了感受纵向应变外,还能感受横向应变,后者称为横向效应。若对测量精度的要求较高,应考虑横向效应的影响并进行修正。短接线式的敏感栅采用较粗的横丝,将平行排列的一组直径为0.015~0.05毫米的金属纵丝交错连接而成,端部是平直的。它的横向效应很小,但耐疲劳性能不如丝绕式的。
振弦式应变计可测量钢或混凝土结构的应变,测量值用于计算结构荷载或应力。应变计可通过电弧焊接端块固定在钢结构上,在混凝土表面,则可以通过安装块(包括钢筋螺栓)安装。埋入式应变计浇铸在混凝土结构中,也可作为“喷浆混凝土”模型,带有可调的张紧环。对于混凝土的高压力,例如在深桩中,建议使用埋入式应变计进行深部应用。工作原理,张紧的钢弦在拉动时会以其共振频率振动,这个频率的平方与钢弦的应变成正比。为了利用这一原理,振弦式应变计被设计为在固定结构上的两个端块之间保持钢弦的张力,一个电磁线圈组件被用来激励钢弦,然后将频率信号返回给读数单元。结构的变形会改变两个端块之间的距离,从而改变钢弦的张力及其共振频率。返回的信号转换为微应变单位。而应变计可在距其位置1000米的范围内进行数据读取。应变计具有内置的热敏电阻,可在必要时提供温度数据以检测热效应。短接式应变计,短接式应变计也有纸基和胶基等种类。
半导体应变计,将半导体应变计安装在被测构件上,在构件承受载荷而产生应变时,其电阻将发生变化。半导体应变计就是以这种压阻效应作为理论基础的,其敏感栅由锗或硅等半导体材料制成。这种应变计可分为体型和扩散型两种。前者的敏感栅由单晶硅或锗等半导体经切片和腐蚀等方法制成,后者的敏感栅则是将杂质扩散在半导体材料中制成的。半导体应变计的优点是灵敏系数大,机械滞后和蠕变小,频率响应高;缺点是电阻温度系数大,灵敏系数随温度而有名变化,应变和电阻之间的线性关系范围小。正确选择半导体材料和改进生产工艺,这些缺点可望得到克服。半导体应变计多用于测量小的应变(10-1微应变到数百微应变),已普遍用于应变测量和制造各种类型的传感器(见电阻应变计式传感器)。电阻应变计一般由敏感栅、引线、粘结剂、基底和盖层组成。北京光纤光栅应变计公司
振弦式表面应变计用于监测应变的变化。厦门非粘贴式应变计工作温度
常用的电阻应变计——箔式应变计的优点是:1.敏感栅很薄,且箔材与粘合层的接触面积要比丝材的大,因而粘贴牢固,有利于变形传递,因而它所感受的应变状态与试件表面的应变状态更为接近,测量精度高。2.敏感栅薄而宽,在相同的横截面积条件下,箔栅的表面积比丝栅的要大,散热性好,故允许通过较大的电流,因而可以输出较强的信号,提高测量灵敏度。3.敏感栅的横向端部为较宽的栅条,故横向效应较小。4.箔式片能保证尺寸准确,线条均匀,故灵敏系数分散性小。5.箔式应变计的蠕变小、疲劳寿命长。6.加工性能好,能制成为各种形状和尺寸的应变计,尤其可以制造栅长很小的或敏感栅图案特殊的应变计。7.制造工艺自动化,可成批生产,生产效率高。厦门非粘贴式应变计工作温度
应变计敏感栅长度的选择:应变计在加载状态下的输出应变是敏感栅区域的平均应变。为了获得真实的测量值,通常应变计的栅长应不大于测量区域半径的1/5~1/10。栅长较长的应变计具有易于粘贴和接线、散热性好等优点,对应变计的性能有一定的改善作用,但应根据实际测量需要进行选择,对于应变场变化不大和一般传感器用途,我们推荐用户选用栅长3~6mm的应变计。如果对非均匀材料(如混凝土、铸铁、铸钢等)进行应变测量,应选择栅长不小于材料的不均匀颗粒尺寸的应变计,以便比较真实地反映结构内的平均应变。对于应变梯度大的应变测量,应尽量选用敏感栅长度较小的应变计。埋入式振弦应变计特点:长期可靠性。南宁表贴式应变计工作温度...