金屬箔式應(yīng)變計(jì)工作原理探析
金屬箔式應(yīng)變計(jì)是現(xiàn)代測力、稱重與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中最核心的傳感元件之一。其工作原理基于壓阻效應(yīng)，通過將機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)化為可測量的電阻變化，實(shí)現(xiàn)對微小形變的高精度捕捉。這一過程涉及基底材料、敏感箔材與電路設(shè)計(jì)的精密協(xié)同。
1. 結(jié)構(gòu)組成：三層協(xié)同工作機(jī)制
金屬箔式應(yīng)變計(jì)通常由三層構(gòu)成：絕緣基底（如酚醛樹脂或聚酰亞胺薄膜）、金屬敏感柵（多為康銅、卡瑪合金等）和保護(hù)覆蓋層。敏感柵經(jīng)光刻工藝制成曲折柵格狀，以在有限面積內(nèi)最大化有效長度。當(dāng)粘貼于被測構(gòu)件表面時(shí)，構(gòu)件受力變形會(huì)帶動(dòng)應(yīng)變計(jì)同步拉伸或壓縮，引起敏感柵幾何尺寸變化。
2. 電阻變化的物理機(jī)制
根據(jù)電阻公式 $ R = \rho L / A $（其中 $ R $ 為電阻，$ \rho $ 為電阻率，$ L $ 為長度，$ A $ 為截面積），當(dāng)應(yīng)變計(jì)受拉時(shí)，長度 $ L $ 增加、截面積 $ A $ 減小，導(dǎo)致電阻 $ R $ 增大；受壓時(shí)則相反。盡管金屬材料的電阻率 $ \rho $ 在彈性范圍內(nèi)基本不變，但幾何形變足以產(chǎn)生可測的電阻變化。該變化量與應(yīng)變成線性關(guān)系，比例系數(shù)即為靈敏系數(shù)（Gauge Factor, GF），康銅箔式應(yīng)變計(jì)的GF通常為2.0–2.2。
3. 信號(hào)輸出與溫度補(bǔ)償
單個(gè)應(yīng)變計(jì)的電阻變化極微弱（常為毫歐級），需接入惠斯通電橋電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出。為消除溫度漂移影響，常采用半橋或全橋配置，將工作片與補(bǔ)償片對稱布置，使溫度引起的共模誤差相互抵消，僅保留由應(yīng)變產(chǎn)生的差模信號(hào)。
