金属电阻应变效应与应变式传感器原理详解

本资源主要介绍了电阻的灵敏系数在应变式传感器中的关键作用以及金属应变片的工作原理。首先，电阻应变效应是核心概念，当金属丝在外部力的作用下发生机械形变时，其电阻值会发生变化，这一变化可以通过公式 \( R = \rho \frac{L}{A} \) 来表达，其中 \( R \) 为电阻，\( \rho \) 为电阻率，\( L \) 为长度，\( A \) 为横截面积。半径为 \( r \) 的圆导体，其横截面积 \( A = \pi r^2 \)，因此应变引起的变化为 \( \Delta A / A = 2\Delta r / r \)。 在弹性范围内，应变 \( \epsilon \) 是导体纵向应变的度量，数值通常很小，用微应变表示。材料力学参数如泊松比 \( \mu \)（金属通常取值0.3~0.5）、压阻系数 \( \lambda \)（取决于材质）和弹性模量 \( E \) 在这些关系中也起着重要作用。金属电阻的灵敏系数 \( k \) 可以用 \( k_0 = 1 + 2\mu \) 进行估算，对于金属材料，其值通常在1.7~3.6之间，而半导体材料的 \( k_0 \) 主要是由电阻率的相对变化决定。 应变片是应变式传感器的核心组成部分，常见的类型包括金属丝式、金属箔式和金属薄膜式等。金属丝式应变片是最基本的形式，由基片、电阻丝、覆盖层和引出线组成。金属丝式应变片的电阻率变化虽然小，但通过设计敏感栅的几何尺寸和材料选择，可以实现较高的灵敏度。应变片的敏感栅通常是直径约0.025mm的合金电阻丝，当受到外力作用时，其表面会产生微小的机械变形，从而导致电阻值相应变化，这种变化可用于测量位移、力、力矩、加速度和压力等物理量。 本资源详细讲解了应变式传感器利用电阻的灵敏系数来感知和转换机械应变的过程，包括理论分析和实际应用中的设计考虑，为理解和应用应变式传感器提供了坚实的基础。