電阻應變計的工作原理

電阻應變計習慣稱(chēng)為電阻應變片，簡(jiǎn)稱(chēng)應變計或應變片。出現于第二次世界大戰結束的前后，已經(jīng)有六十多年的歷史。電阻應變計的應用范圍十分廣泛，適用的結構包括航空、航天器、原子能反應堆、橋梁、道路、大壩以及各種機械設備、建筑物等；適用的材料包括鋼鐵、鋁、木材、塑料、玻璃、土石、復合材料等各種金屬及非金屬材料。并且，它不僅適用于室內實(shí)驗、模型實(shí)驗，還可以在現場(chǎng)對實(shí)際結構或部件進(jìn)行測量，這些特點(diǎn)是任何一種傳感元件或傳感器所不能比擬的。另外，它在對結構和設備的安全監測方面也有廣泛的應用前景。
電阻應變計是一種用途廣泛的高精度力學(xué)量傳感元件，其基本任務(wù)就是把構件表面的變形量轉變?yōu)殡娦盘?，輸入相關(guān)的儀器儀表進(jìn)行分析。在自然界中，除超導外的所有物體都有電阻，不同的物體導電能力不同。物體電阻的大小與物體的材料性能和幾何形狀有關(guān)，電阻應變計正是利用了導體電阻的這一特點(diǎn)。
電阻應變計的最主要組成部分是敏感柵。敏感柵可以看成為一根電阻絲，其材料性能和幾何形狀的改變會(huì )引起柵絲的阻值變化。
設一根金屬電阻絲，其材料的電阻率為ρ，原始長(cháng)度為L(cháng)。不失一般性，假設其橫截面是直徑為D的圓形，面積為A，初始時(shí)該電阻絲的電阻值為R：
在外力作用下，電阻絲會(huì )產(chǎn)生變形。假設電阻絲沿軸向伸長(cháng)，其橫向尺寸會(huì )相應縮小，橫截面的半徑減少導致橫截面面積發(fā)生變化。導線(xiàn)的橫截面原面積為其相對變化為其中μ為金屬絲材料的泊松比。dL/L為金屬導線(xiàn)長(cháng)度的相對變化，用應變表示，即：

在式中，前一項是由金屬絲變形后電阻率發(fā)生變化所引起的；后一項是由金屬絲變形后幾何尺寸發(fā)生變化所引起的。在常溫下，許多金屬材料在一定的應變范圍內，電阻絲的相對電阻變化與絲的軸向長(cháng)度的相對變化成正比。即：

式中，Ks為單根金屬絲的靈敏系數。表示金屬絲的電阻變化率與它的軸向應變成線(xiàn)性關(guān)系。根據這一規律，采用能夠較好地在變形過(guò)程中產(chǎn)生電阻變化的材料，制造將應變信號轉換為電信號的電阻應變計。