应变计的选择与应用

时间：2009-09-01 06:10:00

关键字：应变计偏振光 STRESS STRESS 线性化

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[导读]通过仔细选择和使用应变计，可以保证这种困难的测量得到良好的结果。要点应变计的制造可以采用金属箔、硅或压敏电阻材料。应变计提供电阻值变动小，因此可用于桥式结构。制造一只应变计的最后一步是将其粘到部件上。

通过仔细选择和使用应变计，可以保证这种困难的测量得到良好的结果。

要点

应变计的制造可以采用金属箔、硅或压敏电阻材料。

应变计提供电阻值变动小，因此可用于桥式结构。

制造一只应变计的最后一步是将其粘到部件上。

注意部件内的残余应力。这些应力会在轻载下造成灾难性的故障。

应变计放大器很昂贵，因为它们难以制造。须有充分理由才可设计自己的桥式接口电路。

好的测量要花数周时间，而不止数小时。

应变计是很多种类传感器包括压力传感器、称重传感器、转矩传感器以及位置传感器等使用的基础检测元件。大多数应变计都是箔片型，有各种形状和尺寸选择，满足各种应用（图1）。它们由安装在支撑材料上的一种电阻式箔片结构组成。其工作原理是：当给箔片施加应力时，箔片的电阻会按一定的规律改变。箔片规有最高的精度，但它们也很贵，会产生难以放大的小信号。应变计也可以是硅的，它采用薄膜半导体工艺，将金属沉积在硅片芯上。这种芯片通常是一种MEMS（微机电系统），构成能响应压力变化的可弯曲膜片。承载膜片结构的同一个硅芯片中也可以有对输出作放大和线性化以及对温度效应作补偿的电路。

图1，最常见的应变计类型是用金属箔制造的（Omega Engineering公司提供）。

通过测量应变，工程师可以推算出材料的强度，这是一个重要的因素，因为应力决定了一种部件是否会弯曲或断裂。应力也可以表示出一个承压弯曲薄膜后面的液体压力。应变计的一个有趣应用涉及弯曲：可以将一块PCB（印刷电路板）真空吸附在一台测试设备上，测量其柔性。如果电路板弯曲过度，则焊点会断裂。National Instruments公司的数据采集产品经理Swapnil Padhye称，建立一块有应变计的样板，就可以确保你的电气测试不会降低电路的可靠性（参考文献1与参考文献2）。

图2，这款Mettler Toledo秤拥有一个精密的称重传感器，以及用于线性化和校准的内存。

称重传感器中的应变计用于精密地测量力、监控力矩或压力（图2）。它们适合于测量天平、容器与车辆中的重量，以及工业加工中薄膜与条带的张力。应变计可以通过压力的增量推算出管道内的压力，确保用于食品加工等应用的管道内部清洁。安装在料斗和箱体承载轴承上的应变计用于工业加工。不过，Hardy Instruments公司首席技术官Dave Cornwell表示，如果要测的是质量而不是重量，就必须知道当地的地心引力才能作精确的转换。应变计亦用于工业、医疗和科研设备。测得应力的变化可能有缓有急，如引擎连杆上的循环力，连杆转速有每分钟数万转。

机械工程师对应变计的需求就像电子工程师对示波器探头的依赖一样。两类群体都必须对仿真进行验证，无论是有限元机械模型还是Spice电气模型。机械工程师可以用应变计收集他们正在设计的部件与结构在真实世界中的数据。另外，应变计一般也是设计中的永久性部分，如用于监控跨河支架桥应力的应变计。

这些应变计并不是测量应变的唯一方式。例如，你可以做一个部件的环氧塑料模型，将其加热，加载，使之冷却，然后用偏振光照射它。光线产生的彩色条纹就对应着塑料中的应变。普林斯顿教授Robert Mark采用这种方法对哥特大教堂的飞拱作建模。这一工作能揭示出为什么它们可以保存数世纪之久：飞拱处于纯压状态，即到处都受压力，承受所有的风荷与雪荷。如果在这些飞拱上有任何张力，则它们就会掉落，因为它们不过是堆起的石块（参考文献3与图3）。另一个测量应变的方法是采用StressCoat，这是工程师Greer Ellis于1942年在应变计制造商Magnaflux公司供职时发明的一种脆性漆（参考文献4）。用这种方法时，将部件涂上这种漆，为部件施加设计负荷，然后观察涂层的爆裂情况。StressKote公司在出售一种类似的产品。有些工程师可能不考虑这种方法，而是依赖于计算机仿真和FEA（有限元分析）方法。不过，比起计算机屏幕上的漂亮图像，还是实际部件的真实负载更让人放心。

图3，用偏振光照射一个受应力的塑料，就可以看到材料内的应变样式。条纹越靠近，

该点的应变就越高（普林斯顿大学Robert Mark提供）。

Vishay公司开发了另外一种新颖的方法PhotoStress，它将StressCoat的直观性与偏振光观察的灵活性结合起来。该方法用偏振光照射一个专利的光学薄膜。薄膜包围在部件轮廓上，施加设计负荷，然后用偏振光照射部件，就可以看到部件内的应变形式。偏光器上的光换能器也能对应变作量化测量，Vishay等公司提供可用作铸模轮廓片的液体感光涂料。

工程师们在使用应变计时最大的问题之一是存在着太多的不可控变量。制造商用电压表和光传感器就可以进行大多数精密控制；你所要做的只是将电压探头连接到电路上，或让光线照射到传感器。然而在进行应变计测量时，必须首先从成百上千种型号中选择一款，选定其位置，对表面作处理准备，并将应变计与要测量的部件粘接起来，还要在应变计和测量放大器之间建立连接。不过搞明白这些过程并不表示麻烦就结束了。你还需要确认处于应变计的温度范围内，线性化应变计的输出，并且完全知道所要测量部件中应力与形变之间的关系，这是基本的要求。

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