背景介绍

  电阻应变片具有结构简单，成本低廉，易于安装与集成等优势，以其为核心的传感器在土木工程、航空航天以及微电子等领域具有广泛的应用。随着物联网的兴起，给电阻应变片提供了更广阔的舞台，如可穿戴医疗电子设备、智能家居、智能交互机器人等。例如：电阻应变片可用于制作机器人的“电子皮肤”，从而提高机械手的灵敏度与准确性等。传感器作为工业机器人的核心元件，近来考虑自己设计、制作一个应变片，现展示一个初步的工作：

  附：个人理解，电阻应变片的核心是材料变形，如何设计相应的结构，使得传感器输出信号的变化主要是因目标变形引起的，减小扰动（力、磁、热）对传感器测量结果的影响。

应变片测量原理

应变片基本结构

  电阻应变片发展至今，种类繁多，其基本结构由基片、敏感栅及电极构成（有些应变片还包含保护层），具体结构如下图所示，使用时将应变片粘贴在被测部件表面，当被测部件受力发生形变后，贴在表面的应变片也随之发生相应的形变，进而引起其电阻的变化：

  PI薄膜可以作为贴片式应变片的基底材料，其主要的优势为：1、具有优良的耐高低温特性：玻璃化温度分别为280℃(Upilex R)、385℃(Kapton)和500℃以上(Upilex S)，能在－269℃～280℃的温度范围内长期使用；2、优异的机械性能：；3、良好的化学稳定性及耐湿热性；4、良好的介电性能，其基本材料属性为：抗拉强度>110MPa（厚度0.2mm）；

  导线材料为康铜：厚度5um、杨氏弹性模量1.6310^12；
  宽度250um，泊松比0.33，电阻率510^-7；

加工实物图

  在AutoCAD中绘制传感器基本结构，如下图所示，其中，应变片基底长度为52mm，宽度为15mm，栅丝宽度为250μm，厚度为5μm，在电阻丝两端设置岛桥，后续用来焊接应变片引线；于此同时，为了减小应变片的横向效应，增加横栅的宽度；本方案中设计的应变片初始电阻为120Ω左右。

  采用腐蚀等工艺，完成传感器的加工。传感器加工完成后实物图如下所示：实验中加工出两个传感器样品，其电阻值分别为116和118Ω（后续可以通过打磨，调节应变片初始电阻），均匀性误差在2%以内，考虑到电阻丝的宽度为250μm，相当于加工偏差在5μm以内，加工精度相对较高，并且不同产品性能相对稳定。

传感器测试

  传感器加工完成后，怎能不测量一下具体效果呢，😄~，现手工制作标准试样（试样采用1060铝合金，截面为矩形，宽度为16mm，厚度为1mm），然后采用502胶水把传感器粘贴在试样上，接着把试样两端固定在拉伸机上，施加位移载荷，观看应变片电阻值变化情况，具体如下图所示：

  制作标准试样，测试应变片的精度：试样采用1060铝合金，截面为矩形，宽度为16mm，厚度为1mm，两端固定在拉伸机上，在试件两端施加位移载荷，观看应变片电阻值变化情况。

应变片的应用示例

  应变片能够灵敏度的捕捉金属箔纵向方向的变形，实验中测试了前期加工的应变片在弯曲曲率测量上的应用，如下图所示，该原理在手势识别方面具有广阔的应用场景，例如：战争片中经常有手语这个概念，如果接收信号的是一个无人机，又会是什么情形~，具体过程为：制作一款人机交互手套，自动识别人手势的变化，当手指具有不同的弯曲幅度时，金属丝发生变形，具有不同的电阻特性，于此同时通过智能算法（分类算法），对手势进行识别，进而给远端执行机构传输相应的信号，实现远程操控。

能够测量弯曲变形：1、电阻值具有明显的变化；2、多次循环加载，传感器均能回到初始状态

电阻应变片原理

  薄膜应变片在测量过程中需安装于被测物表面上，当被测部件受力发生形变后，贴在表面的应变片也随之发生相应形变，引起其电阻值发生相应变化，配备相应的驱动电路，使应变或应力等机械量转变为电学量，其基本原理为：

根据电阻定义，在自由状态下，薄膜应变敏感材料的电阻可表示为：

式中 ρ 为薄膜电阻率，L、w、t 分别为薄膜的长度、宽度与厚度；薄膜受沿长度方向的应力作用而产生应变时（如下图所示），其电阻变化 dR与 R 的比值即为薄膜为：

金属丝长度产生的应变可表示：

与此同时，考虑到金属丝长度方向的变形引起宽度的改变，其电阻值可表征为：

  温度对应变片有两方面的影响：1、温度影响导电材料的电阻率；2、材料有热胀冷缩效应，温度影响导电材料的几何尺寸，定义电阻温度系数，具体为：