應變計傳感器：構造、工作和常見用途
2026-01-05 4588

應變計是廣泛使用的傳感器，可檢測由施加的力引起的材料形狀的微小變化。這些傳感器將物理變形轉換為電信號，從而可以精確測量無法直接觀察到的應變。本文探討了應變計的工作原理、構造方式、信號測量方式以及工程和工業應用中的常用場合。

目錄

應變計基礎知識

一個 應變計 是一個用於測量的傳感器 應變，這是 材料變形 當 外力 被應用。該力可能由張力、壓縮、彎曲、壓力或扭矩產生。當一個 負載 作用於材料時，會產生稱為內阻 壓力 並引起形狀的微小變化。

應變片直接粘合到材料的表面，因此它會與結構一起變形。作為材料 伸展 或 壓縮，應變計的電阻與變形成比例變化。這種可預測且可重複的行為使得測量肉眼無法看到的極小應變成為可能。

應變與壓力

圖 2. 材料中的應變和應力行為

應變	壓力
應變是相對的 由於施加的應力而導致材料變形。	應力是每單位時間內的內力 由外部載荷引起的材料內的單位面積。
按長度變化計算 除以原始長度 (ε = ΔL / L)。	計算公式為力除以 橫截面積（σ = F / A）。
表示材料的多少 變形。	表明內部的強度 力在材料內作用。
無量綱量，通常 以微應變（με）表示。	以帕斯卡 (Pa) 為單位測量。
用於研究材料行為 並間接計算應力。	用於評估材料 強度和安全極限。
使用應變間接測量 儀表。	無法直接測量。

應變計元件

圖 3. 粘合到測試樣本的應變計的標記圖

承運人：載體是支撐應變片的薄背襯材料。它將傳感網格固定到位，並使儀表牢固地粘合到測試樣本的表面。

金屬網格圖案：這是應變計的傳感元件。它由呈蛇形圖案排列的薄金屬箔製成，以提高靈敏度。當樣本變形時，該網格會拉伸或壓縮，從而導致電阻發生變化。

潛在客戶：引線將應變計連接到外部測量設備。它們將電阻變化從傳感網格傳輸到橋接電路或信號調節器。

測試樣品：這是正在測量的材料或結構。應變計直接粘合到其表面，因此其變形速度與負載下的樣本相同。

應變計結構

圖 4. 應變計的核心結構元件

保護層壓板- 保護儀表免受濕氣、灰塵和機械損壞，同時提供電氣絕緣。

金屬傳感元件- 以網格圖案排列的薄金屬箔，以提高靈敏度。常見的材料包括康銅和卡瑪合金，因為它們具有穩定的電氣特性。

基層或載體層- 該層通常由聚酰亞胺或類似聚合物製成，支撐傳感元件並確保測試表面的應變傳遞均勻。

應變片工作原理

圖 5. 應變片工作原理

應變片通過轉換來工作 機械變形 轉變為 電阻。當粘合表面受到應力時，量規以相同的速率變形。拉伸會增加阻力，而壓縮會減少阻力。

對於 金屬箔 對於應變計，這種電阻變化主要由幾何效應決定，特別是傳感元件的長度和橫截面積的變化。材料的固有壓阻效應僅貢獻總電阻變化的一小部分。在將金屬應變計與半導體應變傳感器進行比較時，這種區別很重要。

應變計方程和應變係數

應變和電阻變化之間的關係由下式給出：

圖 6. 基本應變計方程

哪裡 ΔR 是變化 抵抗力, 右 是 原始電阻, K 是儀表 因素, 和 ε 是 應變。

對於大多數金屬箔應變計，應變係數通常範圍為 2.0至2.2， 在靈敏度和長期穩定性之間提供平衡。

使用惠斯通電橋進行信號測量

圖 7. 應變計測量

應變片產生的電阻變化非常小，使得直接測量不切實際。一個 惠斯登電橋電路 用於將這些變化轉化為可測量的 電壓信號。

惠斯通電橋由四個呈菱形排列的電阻元件組成。當所有電阻相等時，電橋平衡，輸出電壓為 零。由應變引起的任何電阻變化都會使電橋不平衡，產生與施加的應變成比例的電壓。

常見的網橋配置

• 四分之一電橋：一個有源應變計，帶有三個固定電阻器。用於簡單的單向測量。

• 半橋：兩個有源壓力表，通常佈置為一個處於拉伸狀態，另一個處於壓縮狀態。改善溫度補償和信號輸出。

• 全橋：四個有源應變片。提供最大的靈敏度、出色的溫度穩定性和強大的噪聲抑制能力。常用於稱重傳感器。

信號調節

電橋輸出信號需要 放大 和 過濾。信號調理電子設備放大信號、降低噪聲、 補償 為了 溫度影響, 和 轉換 將模擬信號轉換為數字數據以進行監控或記錄。

常見應變片類型

分類	應變 壓力表類型	工作 原理	特點	應用領域
根據工作原理	機械應變計	使用測量身體運動 刻度和指針	無電氣元件，簡單 視覺指示	建築物和建築物的裂縫監測 橋樑
	電氣應變計	拉伸時阻力發生變化 或壓縮的	準確、可靠、應用廣泛	負載測量、應力 分析、測試
	壓電應變片	當應變時產生電壓 應用	極高的靈敏度、動態 反應	振動、衝擊、衝擊 測量
基於安裝方法	粘合應變片	儀表直接粘合到表面 帶粘合劑	直接應變傳遞，高 準確度	結構測試、稱重傳感器
	無粘結應變片	電線在固定和 可移動框架	不附著在表面，穩定 設置	稱重傳感器、壓力傳感器
立足於建設	箔應變片	金屬箔網格粘合到 絕緣背襯	耐用、穩定、性價比高	工業和實驗室 測量
	半導體應變片	利用壓阻效應 矽或鍺	極高的靈敏度， 溫度敏感	小應變測量、傳感器
	光電應變儀	使用光束和光學 光柵	極高的分辨率， 精緻的	精密實驗室和研究 工作

應變計佈置

• 線性應變 當負載方向已知時，壓力表測量沿單軸的應變

• 隔膜應變 壓力表測量薄表面的變形，常見於壓力傳感器

• 蓮座株 當主應變方向未知時，應變計測量多個方向的應變

• 扭轉和剪切應變 儀表檢測旋轉軸上的扭矩

• 雙平行應變 儀表通過比較拉伸和壓縮來改進彎曲測量

• T卹玫瑰花應變 當主方向已知時，儀表測量雙軸應變

應變計的用途

- 用於載荷分佈和疲勞分析的結構和機械工程

- 稱重傳感器和扭矩傳感器中的載荷和力測量

- 使用隔膜和管道進行壓力和流量測量

- 研究和實驗應力分析

- 航空航天、汽車和能源行業的耐用性和安全性監控

- 用於預測性維護的工業狀態監測

應變計安裝挑戰

圖 8. 應變計安裝挑戰

溫度影響

應變計對溫度變化很敏感。隨著溫度的變化，應變計材料的電阻會發生變化，從而產生與實際應變無關的測量漂移。如果沒有適當的溫度補償或控制，這種效應會降低精度。選擇正確的儀表材料並使用補償技術有助於最大限度地減少熱影響。

環境暴露

環境條件會干擾應變計的性能。濕氣和濕氣會削弱粘合力，而振動和電磁干擾會引入信號噪聲。保護塗層、適當的屏蔽和受控的安裝環境有助於降低這些風險，特別是在工業或戶外應用中。

粘合質量

牢固的粘合對於準確的應變測量非常重要。應變計必須牢固連接，以便其變形與被測表面精確一致。表面處理不良、材料不均勻或粘合劑選擇不正確可能會導致信號不穩定或讀數不准確。仔細的清潔、表面處理和正確的粘合程序可確保可靠的應變傳遞。

實現可靠的測量

應對這些挑戰需要適當的安裝技術、校準和環境控制。當應變片安裝正確時，它們可以提供準確可靠的數據，支持結構分析、性能測試和長期監測應用。

應變計的優點和缺點

優點

高準確度和靈敏度

用於稱重傳感器時進行可靠的負載測量

與電子系統輕鬆集成

適合實時、長期監測

缺點

對溫度和 ariat 離子敏感

安裝需要精確度和經驗

性能受惡劣環境影響

非常小的信號需要放大

由於永久粘合和校準限制，可重複使用性有限

結論

應變計為負載、應力和結構監測提供精確可靠的應變測量。它們的準確性取決於正確的選擇、安裝和信號調節。如果應用正確，應變儀仍然是工程、研究和工業測量系統中的重要工具。