1. 什么是应变？
机械测验和丈量中，需求了解一个物体对各种力的反响办法。 应变是指资料因为受力所发生的变形量。 人们将应变界说为资料的长度改动与原始长度的比率，如图1所示。应变既可所以正值（拉伸），也可所以负值（紧缩）。 当资料在一个方向被紧缩，它会向与该方向笔直的别的两个方向伸长，这便是泊松现象。 泊松比(v)是用来反映柏松现象的物理量，它表明横向应变与纵向应变之比的负值。 应变没有量纲，但有时会以in./in.或mm/mm等单位表明。在实践中，应变的值很小。因而，应变常表明为微应变(µε)，即ε x 10-6。
图1.应变是资料的长度改动与原始长度的比率。
四种不同类型的应变分别是：轴向应变、曲折应变、剪应变和歪曲应变。 轴向应变和曲折应变是最常见的应变（见图2）。 轴向应变丈量资料受水平方向线性力作用发生伸长或缩短。 曲折应变丈量资料受笔直方向线性力作用发生一端伸长，另一端缩短。 剪应变丈量水平缓笔直方向组件受线性力作用发生的变形量。 歪曲应变丈量水平缓笔直方向组件的环拉力。
图2.轴向应变丈量资料怎么拉伸或缩短。 曲折应变丈量一端拉伸，另一端缩短。
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2. 怎么丈量应变？
应变丈量有多种办法，最常见的是运用应变计。 应变计的电阻与设备的应变存在份额关系；最常用的应变计是张贴式金属应变计。 金属应变计是由细金属丝，或许更为常见的是由按栅格摆放的金属箔组成的。 格网状能够对并行方向中应变的金属丝/金属箔量进行最大化。 格网与一个被称作基底的薄背板相连，基底直接衔接至测验样本。 因而，测验样本所受的应变直接传输到应变计，引起电阻的线性改动。
图3.金属格网的电阻改动与测验样本所受的应变量成份额。
应变计的根底参数是其对应变的灵敏度，在数量上表明为应变计因子(GF)。 GF是电阻改动与长度改动或应变的比值。
金属应变计的应变计因子一般约为2。经过传感器厂商或相关文档可获取应变计的实践应变计因子。
实践上，应变丈量的量很少大于几个毫应变(e x 10-3)。 因而，丈量应变时必需准确丈量电阻极细小改动。 例如，假定测验样本的实践应变为500 me，应变计因子为2的应变计可检测的电阻改动为2 (500 x 10-6) = 0.1%。 关于120 Ω的应变计，改动值仅为0.12 Ω。
为丈量如此小的电阻改动，应变计装备根据惠斯通电桥的概念。 常见的惠斯通电桥由四个相互衔接的电阻臂和鼓励电压VEX组成，如图4所示。
图4.在惠斯通电桥电路中装备应变计以检测电阻的细小改动。
惠斯通电桥在电气上等同于2个并联的分压器电路。 R1和R2为一个电压分压器电路，R4和R3为另一个电压分压器电路。 惠斯通电桥的输出Vo在两个电压分压器的中心点之间丈量。
从上面的等式中能够发现，当R1/R2= R4/R3时，电压输出VO为0。 在这种情况下，以为电桥处于平衡状况。 任何电桥臂的电阻改动都会发生非零输出电压。 因而，如将图4中的R4替换为作业应变计，那么应变计阻值的任何改动都将改动电桥的平衡并发生与应变相关的非零输出电压。
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3. 应变计类型
1/4桥、半桥和全桥三种类型的应变计装备由惠斯通电桥中的有用元素、应变计方向以及被测的应变类型确认。
1/4桥应变计
装备类型I
- 丈量轴向应变或曲折应变
- 需求有1/4桥完好电桥结构电阻，也称为虚拟电阻
- 需求有半桥完好桥结构电阻器完结惠斯通电桥
- R4是用于丈量扩展应变(+ε)的作业应变计
图5.1/4桥应变计装备
装备类型II
抱负情况下，应变计的电阻仅随应变的改动而改动。 可是，应变计资料和样本资料也会随温度改动而改动。 经过在电桥中运用两个应变计，1/4桥应变计装备类型II有助于进一步削减温度的影响。 如图6所示，一般一个应变计(R4)处于作业状况，而另一个应变计(R3)固定在热触点邻近，但并未衔接至样本，且平行于应变主轴。 因而，应变对虚拟电阻几乎没有影响，可是任何温度改动对两个应变计的影响都是相同的。 因为两个应变计的温度改动相同，因而电阻比和输出电压(Vo)都没有改动，温度的影响也得到了最小化。
图6.虚拟应变计消除了温度对应变丈量的影响。
半桥应变计
将半桥装备中的两个应变计设为作业状况，可使电桥的应变灵敏度加倍。
|
装备I |
装备II－仅曲折应变 |
|
|
|
图7.半桥应变计的灵敏度是1/4桥应变计的两倍。
装备类型I
- 丈量轴向应变或曲折应变
- 要求半桥完好结构电阻器完结惠斯通电桥
- R4是用于丈量扩展应变(+ε)的作业应变计
- R3是补偿泊松效应(-νε)的作业应变计
人们常常将该装备与1/4桥的装备类型II混杂，可是类型I含有张贴至应变样本的有用R3元素。
装备类型II
- 仅丈量曲折应变
- 要求半桥完好结构电阻器完结惠斯通电桥
- R4是用于丈量扩展应变(+ε)的作业应变计
- R3是用于丈量缩短应变(-ε)的作业应变计
全桥应变计
全桥应变计装备包括四个作业应变计和三种不同类型。 类型1和2丈量曲折应变，类型3丈量轴向应变。 只要类型2和3补偿泊松效应，但一切类型都会最小化温度的影响。
|
装备I－仅曲折应变 |
装备II－仅曲折应变 |
装备III－仅轴向应变 |
|
|
|
|
图8.全桥应变计装备
装备类型I
- 仅对曲折应变高度灵敏
- R1和R3是丈量缩短应变(–e)的作业应变计
- R2和R4是丈量扩展应变(+e)的作业应变计
装备类型II
- 仅对曲折应变灵敏
- R1是丈量缩短泊松效应(–νe)的作业应变计
- R2是丈量扩展泊松效应(–νe)的作业应变计
- R3是用于丈量缩短应变(–e)的作业应变计
- R4是用于丈量扩展应变(+e)的作业应变计
装备类型III
- 丈量轴向应变
- R1和R3是丈量缩短泊松效应(–νe)的作业应变计
- R2和R4是丈量扩展应变(+e)的作业应变计
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4. 怎么挑选正确的应变计？
一旦确认丈量的应变类型（轴向或曲折）后，还要考虑灵敏度、本钱和其他操作条件。关于同一个应变计，改动电桥装备能够进步对应变的灵敏度。 例如，全桥类型I装备的灵敏度是1/4桥类型I的四倍。 可是，全桥类型I要求比1/4桥类型I多3个应变计，而且需求拜访应变计结构的两头。 此外，全桥应变计比半桥和1/4桥应变计的价格也高许多。 请参阅下表，了解不同类型应变计的信息。
|
丈量类型 |
1/4桥 |
半桥 |
全桥 |
||||
|
类型I |
类型II |
类型I |
类型II |
类型I |
类型II |
类型III |
|
| 轴向应变 |
是 |
是 |
是 |
否 |
否 |
否 |
是 |
| 曲折应变 |
是 |
是 |
是 |
是 |
是 |
是 |
否 |
| 补偿 | |||||||
| 横向灵敏度 |
否 |
否 |
是 |
否 |
否 |
是 |
是 |
| 温度 |
否 |
是 |
是 |
是 |
是 |
是 |
是 |
| 灵敏度 | |||||||
| 灵敏度(1000 µε) |
~0.5 mV/V |
~0.5 mV/V |
~0.65 mV/V |
~1.0 mV/V |
~2.0 mV/V |
~1.3 mV/V |
~1.3 mV/V |
| 装置 | |||||||
| 张贴式应变计的数量 |
1 |
1* |
2 |
2 |
4 |
4 |
4 |
| 装置方位 |
单边 |
单边 |
单边 |
对边 |
对边 |
对边 |
对边 |
| 电线数量 |
2或3 |
3 |
3 |
3 |
4 |
4 |
4 |
| 桥接电阻 |
3 |
2 |
2 |
2 |
0 |
0 |
0 |
| * 该结构中另一个应变计装置在热触点周围，但并非张贴式。 | |||||||
栅格宽度
如不受装置场所约束，可运用较宽的栅格改进散热并进步应变计稳定性。 但假如测验样本包括笔直于应变主坐标轴的高应变梯度，可考虑运用较窄的格网，将剪应变和泊松应变作用带来的差错降至最低。
额外应变计电阻
额外应变计电阻是应变计处于非应变状况时的电阻。 经过传感器厂商或相关文档可获取应变计的额外应变计电阻。 商用应变计最常见的额外电阻值为120 Ω、350 Ω和1,000 Ω。运用较高的额外电阻可削减鼓励电压发生的热量。 较高的额外电阻还可削减温度动摇引起电阻中导线改动而导致的信号改动。
温度补偿
抱负情况下，应变计电阻应仅随应变而改动。 可是，应变计的电阻率和灵敏度也随温度改动而改动，然后引起丈量差错。 应变计制造商经过处理应变计资料，对应变计所用样本资料的热膨胀进行补偿，然后到达最小化电阻率的意图。 这些温度补偿电桥装备更能不受温度影响。 一起也能够考虑运用有助于补偿温度动摇影响的装备类型。
装置
装置应变计需求花费很多时刻和资源，而不同电桥装备之间不同也很大。 张贴式应变计数量、电线数量以及装置方位都会影响到装置所需的作业量。 一些电桥装备乃至要求应变计装置在结构的不和，这种要求难度很大，乃至无法完结。 1/4桥类型I仅需装置一个应变计和2根或3根电线，因而是最简略的装备类型。
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5. 应变计信号调度
应变计丈量十分复杂，多种要素会影响丈量作用。 因而，要得到牢靠的丈量成果，就需求恰当地挑选和运用电桥、信号调度、连线以及DAQ组件。 例如，没有应变时，应变计运用引起的电阻容差和应变会生成一定量的初始偏置电压。 相同，长导线会添加电桥臂的电阻，然后添加了偏置差错而且使电桥输出灵敏性下降。 为保证应变丈量准确，请考虑以下要素：
- 完结1/4桥和半桥应变计所需电路的完好桥结构
- 惠斯通电桥电路上电的鼓励
- 运用远端检测补偿长导线鼓励电压中差错
- 进步丈量分辨率和信噪比的扩大电路
- 移除外部高频噪声的滤波
- 无应变时将电桥平衡为输出0 V的偏置调零
- 验证电桥输出为已知预期值的分流校准
