機(jī)械測(cè)試和測(cè)量中，需要了解一個(gè)物體對(duì)各種力的反應(yīng)方式。 應(yīng)變是指材料由于受力所產(chǎn)生的變形量。 人們將應(yīng)變定義為材料的長(zhǎng)度變化與原始長(zhǎng)度的比率，如圖1所示。應(yīng)變既可以是正值（拉伸），也可以是負(fù)值（壓縮）。 當(dāng)材料在一個(gè)方向被壓縮，它會(huì)向與該方向垂直的另外兩個(gè)方向伸長(zhǎng)，這就是泊松現(xiàn)象。 泊松比(v)是用來(lái)反映柏松現(xiàn)象的物理量，它表示橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之比的負(fù)值。 應(yīng)變沒(méi)有量綱，但有時(shí)會(huì)以in./in.或mm/mm等單位表示。在現(xiàn)實(shí)中，應(yīng)變的值很小。因此，應(yīng)變常表示為微應(yīng)變(με)，即ε x 10-6。

圖1.應(yīng)變是材料的長(zhǎng)度變化與原始長(zhǎng)度的比率。

四種不同類(lèi)型的應(yīng)變分別是：軸向應(yīng)變、彎曲應(yīng)變、剪應(yīng)變和扭曲應(yīng)變。 軸向應(yīng)變和彎曲應(yīng)變是常見(jiàn)的應(yīng)變（見(jiàn)圖2）。 軸向應(yīng)變測(cè)量材料受水平方向線性力作用產(chǎn)生伸長(zhǎng)或縮短。 彎曲應(yīng)變測(cè)量材料受垂直方向線性力作用產(chǎn)生一端伸長(zhǎng)，另一端縮短。 剪應(yīng)變測(cè)量水平和垂直方向組件受線性力作用產(chǎn)生的變形量。 扭曲應(yīng)變測(cè)量水平和垂直方向組件的環(huán)拉力。

圖2. 軸向應(yīng)變測(cè)量材料如何拉伸或收縮。彎曲應(yīng)變測(cè)量一端拉伸，另一端收縮。

測(cè)量應(yīng)變力

應(yīng)變測(cè)量有多種方法，常見(jiàn)的是使用應(yīng)變計(jì)。 應(yīng)變計(jì)的電阻與設(shè)備的應(yīng)變存在比例關(guān)系；常用的應(yīng)變計(jì)是粘貼式金屬應(yīng)變計(jì)。 金屬應(yīng)變計(jì)是由細(xì)金屬絲，或者更為常見(jiàn)的是由按柵格排列的金屬箔組成的。 格網(wǎng)狀可以對(duì)并行方向中應(yīng)變的金屬絲/金屬箔量進(jìn)行大化。 格網(wǎng)與一個(gè)被稱(chēng)作基底的薄背板相連，基底直接連接至測(cè)試樣本。 因此，測(cè)試樣本所受的應(yīng)變直接傳輸?shù)綉?yīng)變計(jì)，引起電阻的線性變化。

圖3.金屬格網(wǎng)的電阻變化與測(cè)試樣本所受的應(yīng)變量成比例。

應(yīng)變計(jì)的基礎(chǔ)參數(shù)是其對(duì)應(yīng)變的靈敏度，在數(shù)量上表示為應(yīng)變計(jì)因子(GF)。 GF是電阻變化與長(zhǎng)度變化或應(yīng)變的比值。

金屬應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變計(jì)因子通常約為2。通過(guò)傳感器廠商或相關(guān)文檔可獲取應(yīng)變計(jì)的實(shí)際應(yīng)變計(jì)因子。

實(shí)際上，應(yīng)變測(cè)量的量很少大于幾個(gè)毫應(yīng)變(e x 10-3)。 因此，測(cè)量應(yīng)變時(shí)必需精確測(cè)量電阻極微小變化。 例如，假設(shè)測(cè)試樣本的實(shí)際應(yīng)變?yōu)?00 me，應(yīng)變計(jì)因子為2的應(yīng)變計(jì)可檢測(cè)的電阻變化為2 (500 x 10-6) = 0.1%。 對(duì)于120 Ω的應(yīng)變計(jì)，變化值僅為0.12 Ω。

為測(cè)量如此小的電阻變化，應(yīng)變計(jì)配置基于惠斯通電橋的概念。 常見(jiàn)的惠斯通電橋由四個(gè)相互連接的電阻臂和激勵(lì)電壓VEX組成，如圖4所示。

圖4.在惠斯通電橋電路中配置應(yīng)變計(jì)以檢測(cè)電阻的微小變化。

圖5. MEAS MS5541壓力傳感器 來(lái)源：深圳工采網(wǎng)

惠斯通電橋在電氣上等同于2個(gè)并聯(lián)的分壓器電路。 R1和R2為一個(gè)電壓分壓器電路，R4和R3為另一個(gè)電壓分壓器電路。 惠斯通電橋的輸出Vo在兩個(gè)電壓分壓器的中間點(diǎn)之間測(cè)量。

從上面的等式中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)R1/R2= R4/R3時(shí)，電壓輸出VO為0。 在這種情況下，認(rèn)為電橋處于平衡狀態(tài)。 任何電橋臂的電阻變化都會(huì)產(chǎn)生非零輸出電壓。 因此，如將圖4中的R4替換為工作應(yīng)變計(jì)，那么應(yīng)變計(jì)阻值的任何變化都將改變電橋的平衡并產(chǎn)生與應(yīng)變相關(guān)的非零輸出電壓。

應(yīng)變計(jì)類(lèi)型

1/4橋、半橋和全橋三種類(lèi)型的應(yīng)變計(jì)配置由惠斯通電橋中的有效元素、應(yīng)變計(jì)方向以及被測(cè)的應(yīng)變類(lèi)型確定。

1/4橋應(yīng)變計(jì)

配置類(lèi)型I

• 測(cè)量軸向應(yīng)變或彎曲應(yīng)變
• 需要有1/4橋完整電橋結(jié)構(gòu)電阻，也稱(chēng)為虛擬電阻
• 需要有半橋完整橋結(jié)構(gòu)電阻器完成惠斯通電橋
• R4是用于測(cè)量伸展應(yīng)變(+ε)的工作應(yīng)變計(jì)

圖6. 1/4橋應(yīng)變計(jì)配置

配置類(lèi)型II

理想情況下，應(yīng)變計(jì)的電阻僅隨應(yīng)變的變化而變化。 但是，應(yīng)變計(jì)材料和樣本材料也會(huì)隨溫度變化而變化。 通過(guò)在電橋中使用兩個(gè)應(yīng)變計(jì)，1/4橋應(yīng)變計(jì)配置類(lèi)型II有助于進(jìn)一步減少溫度的影響。 如圖6所示，通常一個(gè)應(yīng)變計(jì)(R4)處于工作狀態(tài)，而另一個(gè)應(yīng)變計(jì)(R3)固定在熱觸點(diǎn)附近，但并未連接至樣本，且平行于應(yīng)變主軸。 因此，應(yīng)變對(duì)虛擬電阻幾乎沒(méi)有影響，但是任何溫度變化對(duì)兩個(gè)應(yīng)變計(jì)的影響都是一樣的。 由于兩個(gè)應(yīng)變計(jì)的溫度變化相同，因此電阻比和輸出電壓(Vo)都沒(méi)有變化，溫度的影響也得到了小化。

圖7.虛擬應(yīng)變計(jì)消除了溫度對(duì)應(yīng)變測(cè)量的影響。

半橋應(yīng)變計(jì)

將半橋配置中的兩個(gè)應(yīng)變計(jì)設(shè)為工作狀態(tài)，可使電橋的應(yīng)變靈敏度加倍。

圖8.半橋應(yīng)變計(jì)的靈敏度是1/4橋應(yīng)變計(jì)的兩倍。

配置類(lèi)型I

• 測(cè)量軸向應(yīng)變或彎曲應(yīng)變
• 要求半橋完整結(jié)構(gòu)電阻器完成惠斯通電橋
• R4是用于測(cè)量伸展應(yīng)變(+ε)的工作應(yīng)變計(jì)
• R3是補(bǔ)償泊松效應(yīng)(-νε)的工作應(yīng)變計(jì)

人們經(jīng)常將該配置與1/4橋的配置類(lèi)型II混淆，但是類(lèi)型I含有粘貼至應(yīng)變樣本的有效R3元素。

配置類(lèi)型II

• 僅測(cè)量彎曲應(yīng)變
• 要求半橋完整結(jié)構(gòu)電阻器完成惠斯通電橋
• R4是用于測(cè)量伸展應(yīng)變(+ε)的工作應(yīng)變計(jì)
• R3是用于測(cè)量收縮應(yīng)變(-ε)的工作應(yīng)變計(jì)

全橋應(yīng)變計(jì)

全橋應(yīng)變計(jì)配置包含四個(gè)工作應(yīng)變計(jì)和三種不同類(lèi)型。 類(lèi)型1和2測(cè)量彎曲應(yīng)變，類(lèi)型3測(cè)量軸向應(yīng)變。 只有類(lèi)型2和3補(bǔ)償泊松效應(yīng)，但所有類(lèi)型都會(huì)小化溫度的影響。

圖9.全橋應(yīng)變計(jì)配置

配置類(lèi)型I

• 僅對(duì)彎曲應(yīng)變高度敏感
• R1和R3是測(cè)量收縮應(yīng)變(–e)的工作應(yīng)變計(jì)
• R2和R4是測(cè)量伸展應(yīng)變(+e)的工作應(yīng)變計(jì)

配置類(lèi)型II

• 僅對(duì)彎曲應(yīng)變敏感
• R1是測(cè)量收縮泊松效應(yīng)(–νe)的工作應(yīng)變計(jì)
• R2是測(cè)量伸展泊松效應(yīng)(–νe)的工作應(yīng)變計(jì)
• R3是用于測(cè)量收縮應(yīng)變(–e)的工作應(yīng)變計(jì)
• R4是用于測(cè)量伸展應(yīng)變(+e)的工作應(yīng)變計(jì)

配置類(lèi)型III

• 測(cè)量軸向應(yīng)變
• R1和R3是測(cè)量收縮泊松效應(yīng)(–νe)的工作應(yīng)變計(jì)
• R2和R4是測(cè)量伸展應(yīng)變(+e)的工作應(yīng)變計(jì)

正確選擇應(yīng)變計(jì)

一旦確定測(cè)量的應(yīng)變類(lèi)型（軸向或彎曲）后，還要考慮敏感度、成本和其他操作條件。對(duì)于同一個(gè)應(yīng)變計(jì)，改變電橋配置可以提高對(duì)應(yīng)變的敏感度。 例如，全橋類(lèi)型I配置的敏感度是1/4橋類(lèi)型I的四倍。 但是，全橋類(lèi)型I要求比1/4橋類(lèi)型I多3個(gè)應(yīng)變計(jì)，而且需要訪問(wèn)應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)的兩端。 此外，全橋應(yīng)變計(jì)比半橋和1/4橋應(yīng)變計(jì)的價(jià)格也高很多。 請(qǐng)參考下表，了解不同類(lèi)型應(yīng)變計(jì)的信息。