應(yīng)變片簡介

      應(yīng)變計(jì)和壓力傳感器廣泛用于從靜態(tài)到動態(tài)的許多測量應(yīng)用。例如，它們通常用于 重量測量的稱重傳感器內(nèi)部，以及某些類型的加速度計(jì)傳感器中。應(yīng)變計(jì)傳感器用于測量：

        ? 拉緊

        ? 重量

        ? 力量

        ? 偏轉(zhuǎn)

        ? 振動

        ? 加載

        ? 扭矩

        ? 壓力

        ? 壓力。

      簡而言之，它們用于 測量力。

      應(yīng)變計(jì)有時也稱為電阻應(yīng)變計(jì)，或簡稱為電阻應(yīng)變計(jì)。 Gage也可以拼寫為 gauge—— 這只是一個慣例問題，沒有什么區(qū)別。

      但它們也用于高動態(tài)測量應(yīng)用，由于被測機(jī)械物體的變形，它們的輸出波動很大。

      想象一下一輛汽車以非常高的速度快速穿過比利時街區(qū)的車身面板?；蛘甙惭b在以數(shù)千轉(zhuǎn)/分鐘旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動軸上，并  隨著軸上的負(fù)載動態(tài)變化而受到拉力和扭轉(zhuǎn)。應(yīng)變計(jì)有無數(shù)的 應(yīng)用。

      應(yīng)變計(jì)傳感器

      稱為“應(yīng)變”的屬性被認(rèn)為是物體長度變化與原始無應(yīng)力長度的比率。 

      應(yīng)變計(jì)傳感器（又名“應(yīng)變片傳感器”）可以測量由外力引起的長度變化，并將其轉(zhuǎn)換為電信號，然后將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，進(jìn)行顯示、捕獲和分析。這是有效的，因?yàn)閼?yīng)變計(jì)傳感器在拉伸或壓縮時會經(jīng)歷電阻變化。

      應(yīng)變計(jì)（  又名“應(yīng)變儀”）通過電阻的變化來測量應(yīng)變。在單傳感器應(yīng)變計(jì)中，金屬箔圖案安裝在柔性基板上，該基板還用于將金屬與被測物體絕緣。電流流過箔圖案。當(dāng)被測物體在與箔圖案平行的軸上受到應(yīng)力（即彎曲或扭曲）時，電阻會發(fā)生變化，該變化與偏轉(zhuǎn)量成比例。

典型的單箔應(yīng)變計(jì)傳感器

      惠斯通電橋

      當(dāng)導(dǎo)體被拉伸時，其電阻會增加。當(dāng)它被壓縮時，它的阻力就會降低?？梢允褂没菟雇姌騺頊y量電阻的變化 。 

      如下圖所示， 惠斯通電橋電路 通過平衡電橋電路的兩個支路（其中一個支路的值未知）來測量未知電阻 (Rx)。由于其他三個電阻的值已知，并且其中一個也是可調(diào)的，因此電路可以推斷出任意時間點(diǎn) Rx 的電阻是多少。

應(yīng)變計(jì)操作（為了清晰起見，夸大了彎曲）

      當(dāng)四個電阻器中的一個用于進(jìn)行單軸測量時，這就是所謂的 四分之一橋 連接。信號調(diào)節(jié)器必須提供三個缺失的傳感器，并平衡電路，實(shí)時推導(dǎo)傳感器的電阻值，并將該電阻轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)膽?yīng)變測量值（當(dāng)沒有電流通過 V 時，電路平衡）。

惠斯通電橋圖

      因此，使用兩個傳感器是 半橋，而使用所有四個傳感器進(jìn)行測量是 全橋 配置。在上面的全橋圖中，傳感器的輸出電壓在 C 和 B 處測量，而激勵電壓在 A 和 D 處提供。

      應(yīng)變片傳感器的類型

      有些應(yīng)變計(jì)具有多個傳感器，可以一次測量多個方向的應(yīng)變。這些通常被稱為 應(yīng)變儀玫瑰花，它們有不同的幾何形狀，適合不同的應(yīng)用。

      最常見的花環(huán)是 雙軸花環(huán)，其中兩個傳感器安裝在 0° 和 90°（彼此垂直），以及 三軸花環(huán)，其中三個儀表按指定模式排列，例如 0° - 60° - 120°，或0° - 45° - 90°。

應(yīng)變蓮座結(jié)構(gòu)

      電橋完成說明

      當(dāng)信號調(diào)節(jié)器提供完成惠斯通電橋電路所需的缺失電阻時，這稱為 電橋完成。例如，Dewesoft 的 STG 系列信號調(diào)節(jié)器提供了這種完成功能，甚至允許您在 120Ω 和 350Ω 完成電阻之間進(jìn)行選擇。

      對此完成的控制完全通過 Dewesoft X 數(shù)據(jù)采集軟件完成：無需進(jìn)行物理開關(guān)或設(shè)置。在這種情況下，信號調(diào)節(jié)器實(shí)際上在硬件中具有“缺失”的電阻器，并根據(jù)您在軟件中的設(shè)置將它們切換到電路上的正確位置。

      什么是應(yīng)變系數(shù)？

      當(dāng)您購買應(yīng)變計(jì)傳感器時，包裝上通常會顯示 GF 或 應(yīng)變系數(shù) （或 應(yīng)變系數(shù)）。這是一個大約 2 的數(shù)字。在軟件中設(shè)置傳感器時了解這一點(diǎn)非常重要。該系數(shù)與由應(yīng)變引起的電阻變化超過傳感器的固有電阻除以應(yīng)變本身有關(guān)。同樣，當(dāng)使用Dewesoft X 數(shù)據(jù)采集軟件 和 Dewesoft STG 系列信號調(diào)節(jié)器 設(shè)置傳感器時 ，可以將量具系數(shù) 直接輸入到軟件中，該軟件將執(zhí)行所有必要的數(shù)學(xué)運(yùn)算，以確保完美的測量。

      由于溫度引起的電阻變化-溫度補(bǔ)償

      此時，您可能想知道溫度及其對這些測量精度的影響。畢竟，任何時候我們談?wù)撾娮铚y量時，溫度都是一個因素，因?yàn)樗苋菀赘淖儨y量結(jié)果，導(dǎo)致錯誤的讀數(shù)。眾所周知，應(yīng)變計(jì)傳感器對溫度很敏感 ，除非進(jìn)行補(bǔ)償，否則會影響其精度。

      傳感器的溫度變化不僅是由環(huán)境溫度引起的（想象一個傳感器在陽光下，或者直接安裝在正在運(yùn)行的發(fā)動機(jī)上，而另一個傳感器則不然），而且還由為惠斯通電橋本身供電的電流引起！這也稱為 自熱現(xiàn)象。

      激勵傳播的距離越遠(yuǎn)，所需的強(qiáng)度就越大，從而導(dǎo)致激勵本身使傳感器發(fā)熱更多。此外，引線電阻本身可能成為影響測量的因素，例如，在傳感器和信號調(diào)節(jié)器之間的距離特別大的情況下。 

      由于這些變量，  Dewesoft STG 信號調(diào)節(jié)器 被設(shè)計(jì)為允許 SENSE 線 連接到 橋式電路的角落。這些線路允許信號調(diào)節(jié)器測量調(diào)節(jié)器和傳感器處的激勵之間的差異，并相應(yīng)地自動調(diào)整電路，消除誤差并確保讀數(shù)準(zhǔn)確穩(wěn)定。

應(yīng)變測量全橋通道設(shè)置

      虛線顯示，雖然可以在連接器處連接傳感線，但最好在傳感器本身處連接，以獲得此功能的全部好處。

      用于應(yīng)變計(jì)校準(zhǔn)的內(nèi)部分流器

      分流 器 是一種電阻器，連接在 惠斯通電橋電路的一個支路上，暫時使其不平衡。該方法模擬給定的應(yīng)變，并且由于分流電阻器的值已知（通常為 59.88 kΩ），因此它提供了已知的偏移。該分流校準(zhǔn)電阻器的瞬時接通通常在測試開始和結(jié)束時進(jìn)行，以便在數(shù)據(jù)分析過程中可以參考測量數(shù)據(jù)。因此，在長時間測試的整個范圍內(nèi)可能發(fā)生的任何基線偏移都可以在以后通過數(shù)學(xué)方法檢測和抵消。

      Dewesoft STG 信號調(diào)節(jié)器提供一個 內(nèi)部分流校準(zhǔn)電阻，無需外部連接（這也無需接觸接線?。?。此外，  Dewesoft X DAQ 軟件 允許您通過屏幕上的點(diǎn)擊來進(jìn)行分流校準(zhǔn)。 分流校準(zhǔn) 可以在單個通道上完成，也可以同時在多個通道上完成。

      分流電阻器以及每個應(yīng)變計(jì)傳感器或傳感器內(nèi)的電阻器的精度 非常重要，因?yàn)樗鼤绊懽罱K讀數(shù)的精度。 Dewesoft 等制造商在表示電阻器精度時遵循最佳實(shí)踐，提供標(biāo)稱電阻和容差規(guī)格。標(biāo)稱電阻代表以歐姆為單位的預(yù)期值，而容差是在 25°C 下測量的標(biāo)稱值的最大可能偏差。

      使用應(yīng)變計(jì)傳感器進(jìn)行測量的最佳實(shí)踐

      最好的做法是使用盡可能低的激勵電壓，以避免前面提到的自熱現(xiàn)象。同時，有多種激勵水平可供選擇是非常有用的。重要的是，激勵線像信號線一樣被隔離，以確保記錄數(shù)據(jù)的低噪聲和最佳信噪比。

      所有 Dewesoft DAQ 系統(tǒng)的先進(jìn)AD 轉(zhuǎn)換器電子器件 ， 特別是SIRIUS DAQ硬件 的 DualCoreADC? 技術(shù)方法，也確保了這一點(diǎn) 。由于減少信號電纜的長度對于應(yīng)變傳感器尤為重要，因此所有 Dewesoft 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的模塊化特性  在這些應(yīng)用中具有堅(jiān)實(shí)的優(yōu)勢。

      應(yīng)變和應(yīng)力理論

      什么是應(yīng)變？

      應(yīng)變定義為物體與其原始尺寸和形狀相比所經(jīng)歷的變形量（長度相對于原始長度的增加比率）。術(shù)語“應(yīng)變”通常用于描述截面的伸長率。由于外力作用在物體上，物體可能會受到應(yīng)變。

      應(yīng)變是無量綱量，通常以百分比表示。對于鋼來說，應(yīng)變的典型測量值小于 2 mm/m，并且通常以微應(yīng)變單位表示。一個微應(yīng)變是產(chǎn)生百萬分之一變形的應(yīng)變。微應(yīng)變的縮寫為 με。

      什么是壓力？

      應(yīng)力定義為每單位面積施加的力。它通常是由于施加的力而發(fā)生的，但通常是由于材料內(nèi)或較大系統(tǒng)內(nèi)的力的影響而發(fā)生的。

      例如，讓我們想象一根固定在頂部并垂下的電線。我們在這根線的末端施加重物，將其向下拉，從而施加向下的力。我們可以看到，在下圖中，  A 是電線的原始橫截面積，L是原始電線的長度。在此示例中，材料（線材）承受稱為軸向應(yīng)力的應(yīng)力。

應(yīng)力變形力

      這些單位與壓力相同，因?yàn)閴毫κ菓?yīng)力的特殊變化。應(yīng)力是比壓力更復(fù)雜的量，因?yàn)樗S著方向和作用表面而波動。

      我們可以通過應(yīng)變 (ε) 和楊氏模量(E)相乘來計(jì)算應(yīng)力 (σ)   。

      什么是楊氏模量？

      楊氏模量，也稱為 拉伸模量 或 彈性模量， 是彈性材料剛度的量度，是用于表征材料的量。 

      它被定義為在胡克定律成立的應(yīng)力范圍內(nèi)沿軸的應(yīng)力 （每單位面積的力）與 沿該軸的應(yīng)變 （變形與初始長度的比率）的比率 。

      楊氏模量值非常高的材料是剛性的。

      楊氏模量 [E] 可以通過將拉伸應(yīng)力除以應(yīng)力-應(yīng)變曲線的彈性（初始、線性）部分中的拉伸應(yīng)變來計(jì)算：

      在哪里：

        ? E是楊氏模量（彈性模量）；

        ? F是施加在受拉物體上的力；

        ? A0為受力時原始橫截面積；

        ? ΔL是物體長度變化的量；

        ? L0是物體的原始長度。

      根據(jù)國際單位制 (SI)，楊氏模量的單位是帕斯卡（Pa 或 N/m2 或 m?1·kg·s?2）。實(shí)際使用的單位是兆帕（MPa 或 N/mm2）或千兆帕（GPa 或 kN/mm2）。

      在美國習(xí)慣單位中，楊氏模量以磅每平方英寸 (psi) 表示。

      應(yīng)變通常以μm/m（微米每米）表示，也稱為 微應(yīng)變，符號為 με。您可能還會看到“mV/V”，它是指每伏激勵的輸出（以毫伏為單位）。應(yīng)變計(jì)需要由電源電壓激勵或驅(qū)動，以便提供與沿測量軸看到的應(yīng)變量成比例的輸出。

      測量彈性模量

      彈性模量和屈服應(yīng)力是兩種常見的材料特性，可以通過使用機(jī)械測試系統(tǒng)進(jìn)行拉伸測試來計(jì)算。

      機(jī)械測試系統(tǒng)的程序是將所選材料夾在兩個夾具之間。底部夾具在表面上拉緊，而頂部夾具以一定的位移速率向上移動。

      測試系統(tǒng)記錄拉伸材料所需的力以及夾具的適當(dāng)位移。工程師測量樣本的原始橫截面積和夾具之間的原始長度。之后，他們能夠根據(jù)力數(shù)據(jù)計(jì)算應(yīng)力，并根據(jù)位移數(shù)據(jù)計(jì)算應(yīng)變。然后使用所有數(shù)據(jù)創(chuàng)建應(yīng)力應(yīng)變圖，如下圖所示。

      什么是泊松比 (ν)？

      泊松比是橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變的負(fù)比（假設(shè)軸向應(yīng)變沿施加載荷的方向）。該比率通常由希臘字母 v  （也寫為 nu，發(fā)音類似于“new”）給出。您可以通過拉伸橡皮筋來可視化這種效果 - 當(dāng)您將其兩端拉得更遠(yuǎn)時，橡皮筋本身的寬度就會收縮。大多數(shù)材料的泊松比在 0 到 0.5 ν 之間。鋼的測量值通常為 0.3 ν，而橡膠的測量值幾乎為 0.5 ν。

      壓力的類型

      1.正常壓力

      有兩種正常應(yīng)力 - 拉伸和壓縮。拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。當(dāng)拉伸力或壓縮力相互作用時，就會產(chǎn)生正應(yīng)力。

      在下圖中，我們可以看到施加在長方體上的拉伸載荷。長方體對拉伸載荷的響應(yīng)很大程度上取決于增強(qiáng)纖維的拉伸剛度和強(qiáng)度特性，因?yàn)樗鼈冞h(yuǎn)遠(yuǎn)高于樹脂系統(tǒng)本身。

      2、剪應(yīng)力

      下圖顯示了承受剪切載荷的復(fù)合材料。該負(fù)載試圖使相鄰的纖維層彼此滑動。在剪切載荷下，樹脂在將應(yīng)力傳遞到復(fù)合材料上方面發(fā)揮著重要作用。為了使復(fù)合材料在剪切載荷下表現(xiàn)良好，樹脂元件不僅必須表現(xiàn)出良好的機(jī)械性能，而且還必須對增強(qiáng)纖維具有高粘附力。復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度 (ILSS) 通常用于指示多層復(fù)合材料（“層壓板”）中的此屬性。

      應(yīng)變類型

        ? 軸向應(yīng)變：“軸向應(yīng)變”是指物體由于沿其水平軸的力而拉伸或壓縮的方式。它在數(shù)學(xué)上定義為軸向應(yīng)力除以楊氏模量。

        ? 彎曲應(yīng)變（力矩應(yīng)變）：“彎曲應(yīng)變”是指物體由于沿其垂直軸施加的力而如何在一側(cè)拉伸并在另一側(cè)收縮。彎曲應(yīng)變也稱為“力矩應(yīng)變”，在數(shù)學(xué)上定義為彎曲應(yīng)力除以楊氏彈性模量。

        ? 剪切應(yīng)變：“剪切應(yīng)變”結(jié)合了物體沿水平軸和線性軸變形的測量。它在數(shù)學(xué)上定義為剪應(yīng)力除以剪應(yīng)力模量。

        ? 扭轉(zhuǎn)應(yīng)變：“扭轉(zhuǎn)應(yīng)變”是指沿被測物體水平軸和垂直軸的圓周力。它在數(shù)學(xué)上定義為扭轉(zhuǎn)應(yīng)力除以扭轉(zhuǎn)彈性模量。

        ? 壓縮應(yīng)變：當(dāng)兩個相等且相反的力作用來壓縮物體時，就會產(chǎn)生壓縮應(yīng)變。發(fā)生這種情況時，物體的長度在壓應(yīng)力下會減小。

      應(yīng)力和應(yīng)變之間有什么關(guān)系？

      通過 應(yīng)力-應(yīng)變曲線可視化應(yīng)力和應(yīng)變之間關(guān)系的最簡單方法。您可以在下圖中看到該曲線提供了一些非常有用的材料屬性。應(yīng)力-應(yīng)變曲線是通過實(shí)驗(yàn)計(jì)算的。

應(yīng)變應(yīng)力曲線

      應(yīng)力-應(yīng)變曲線是結(jié)構(gòu)鋼的典型曲線：

        ? 極限力量

        ? 屈服強(qiáng)度（屈服點(diǎn)）

        ? 破裂

        ? 應(yīng)變硬化區(qū)域

        ? 頸縮區(qū)域

        ? 表觀應(yīng)力（F/A0）

        ? 實(shí)際應(yīng)力（F/A）

      相關(guān)傳感器產(chǎn)品：

        ? TORQUE-LINK-200 無線扭矩/應(yīng)變傳感器節(jié)點(diǎn)

        ? HTA-T200 無線扭矩傳感器

        ? SG-LINK-200-OEM 嵌入式無線應(yīng)變/模擬傳感器

        ? SG-LINK-200 三通道無線應(yīng)變/模擬傳感器

        ? V-LINK-200 8 通道無線應(yīng)變/模擬傳感器節(jié)點(diǎn)