電阻應變計的工作原理

電阻應變計習慣稱為電阻應變片，簡稱應變計或應變片。出現(xiàn)于第二次世界大戰(zhàn)結(jié)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(jié)構(gòu)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(shè)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(nèi)實驗、模型實驗，還可以在現(xiàn)場對實際結(jié)構(gòu)或部件進行測量，這些特點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(jié)構(gòu)和設(shè)備的安全監(jiān)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量傳感元件，其基本任務就是把構(gòu)件表面的變形量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，輸入相關(guān)的儀器儀表進行分析。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。
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引起柵絲的阻值變化。
設(shè)一根金屬電阻絲，其材料的電阻率為ρ，原始長度為L。不失一般性，假設(shè)其橫截面是直徑為D的圓形，面積為A，初始時該電阻絲的電阻值為R：
在外力作用下，電阻絲會產(chǎn)生變形。假設(shè)電阻絲沿軸向伸長，其橫向尺寸會相應縮小，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為金屬導線長度的相對變化，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(nèi)，電阻絲的相對電阻變化與絲的軸向長度的相對變化成正比。即：

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