應(yīng)變計(jì)的選擇與應(yīng)用

時(shí)間：2009-09-01 06:10:00

關(guān)鍵字：應(yīng)變計(jì) 偏振光 STRESS STRESS 線性化

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[導(dǎo)讀]通過(guò)仔細(xì)選擇和使用應(yīng)變計(jì)，可以保證這種困難的測(cè)量得到良好的結(jié)果。要點(diǎn)應(yīng)變計(jì)的制造可以采用金屬箔、硅或壓敏電阻材料。應(yīng)變計(jì)提供電阻值變動(dòng)小，因此可用于橋式結(jié)構(gòu)。制造一只應(yīng)變計(jì)的最后一步是將其粘到部件上。

通過(guò)仔細(xì)選擇和使用應(yīng)變計(jì)，可以保證這種困難的測(cè)量得到良好的結(jié)果。

要點(diǎn)

應(yīng)變計(jì)的制造可以采用金屬箔、硅或壓敏電阻材料。

應(yīng)變計(jì)提供電阻值變動(dòng)小，因此可用于橋式結(jié)構(gòu)。

制造一只應(yīng)變計(jì)的最后一步是將其粘到部件上。

注意部件內(nèi)的殘余應(yīng)力。這些應(yīng)力會(huì)在輕載下造成災(zāi)難性的故障。

應(yīng)變計(jì)放大器很昂貴，因?yàn)樗鼈冸y以制造。須有充分理由才可設(shè)計(jì)自己的橋式接口電路。

好的測(cè)量要花數(shù)周時(shí)間，而不止數(shù)小時(shí)。

應(yīng)變計(jì)是很多種類傳感器包括壓力傳感器、稱重傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器以及位置傳感器等使用的基礎(chǔ)檢測(cè)元件。大多數(shù)應(yīng)變計(jì)都是箔片型，有各種形狀和尺寸選擇，滿足各種應(yīng)用（圖1）。它們由安裝在支撐材料上的一種電阻式箔片結(jié)構(gòu)組成。其工作原理是：當(dāng)給箔片施加應(yīng)力時(shí)，箔片的電阻會(huì)按一定的規(guī)律改變。箔片規(guī)有最高的精度，但它們也很貴，會(huì)產(chǎn)生難以放大的小信號(hào)。應(yīng)變計(jì)也可以是硅的，它采用薄膜半導(dǎo)體工藝，將金屬沉積在硅片芯上。這種芯片通常是一種MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)），構(gòu)成能響應(yīng)壓力變化的可彎曲膜片。承載膜片結(jié)構(gòu)的同一個(gè)硅芯片中也可以有對(duì)輸出作放大和線性化以及對(duì)溫度效應(yīng)作補(bǔ)償?shù)碾娐贰?/p>

圖1，最常見的應(yīng)變計(jì)類型是用金屬箔制造的（Omega Engineering公司提供）。

通過(guò)測(cè)量應(yīng)變，工程師可以推算出材料的強(qiáng)度，這是一個(gè)重要的因素，因?yàn)閼?yīng)力決定了一種部件是否會(huì)彎曲或斷裂。應(yīng)力也可以表示出一個(gè)承壓彎曲薄膜后面的液體壓力。應(yīng)變計(jì)的一個(gè)有趣應(yīng)用涉及彎曲：可以將一塊PCB（印刷電路板）真空吸附在一臺(tái)測(cè)試設(shè)備上，測(cè)量其柔性。如果電路板彎曲過(guò)度，則焊點(diǎn)會(huì)斷裂。National Instruments公司的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品經(jīng)理Swapnil Padhye稱，建立一塊有應(yīng)變計(jì)的樣板，就可以確保你的電氣測(cè)試不會(huì)降低電路的可靠性（參考文獻(xiàn)1與參考文獻(xiàn)2）。

圖2，這款Mettler Toledo秤擁有一個(gè)精密的稱重傳感器，以及用于線性化和校準(zhǔn)的內(nèi)存。

稱重傳感器中的應(yīng)變計(jì)用于精密地測(cè)量力、監(jiān)控力矩或壓力（圖2）。它們適合于測(cè)量天平、容器與車輛中的重量，以及工業(yè)加工中薄膜與條帶的張力。應(yīng)變計(jì)可以通過(guò)壓力的增量推算出管道內(nèi)的壓力，確保用于食品加工等應(yīng)用的管道內(nèi)部清潔。安裝在料斗和箱體承載軸承上的應(yīng)變計(jì)用于工業(yè)加工。不過(guò)，Hardy Instruments公司首席技術(shù)官Dave Cornwell表示，如果要測(cè)的是質(zhì)量而不是重量，就必須知道當(dāng)?shù)氐牡匦囊Σ拍茏骶_的轉(zhuǎn)換。應(yīng)變計(jì)亦用于工業(yè)、醫(yī)療和科研設(shè)備。測(cè)得應(yīng)力的變化可能有緩有急，如引擎連桿上的循環(huán)力，連桿轉(zhuǎn)速有每分鐘數(shù)萬(wàn)轉(zhuǎn)。

機(jī)械工程師對(duì)應(yīng)變計(jì)的需求就像電子工程師對(duì)示波器探頭的依賴一樣。兩類群體都必須對(duì)仿真進(jìn)行驗(yàn)證，無(wú)論是有限元機(jī)械模型還是Spice電氣模型。機(jī)械工程師可以用應(yīng)變計(jì)收集他們正在設(shè)計(jì)的部件與結(jié)構(gòu)在真實(shí)世界中的數(shù)據(jù)。另外，應(yīng)變計(jì)一般也是設(shè)計(jì)中的永久性部分，如用于監(jiān)控跨河支架橋應(yīng)力的應(yīng)變計(jì)。

這些應(yīng)變計(jì)并不是測(cè)量應(yīng)變的唯一方式。例如，你可以做一個(gè)部件的環(huán)氧塑料模型，將其加熱，加載，使之冷卻，然后用偏振光照射它。光線產(chǎn)生的彩色條紋就對(duì)應(yīng)著塑料中的應(yīng)變。普林斯頓教授Robert Mark采用這種方法對(duì)哥特大教堂的飛拱作建模。這一工作能揭示出為什么它們可以保存數(shù)世紀(jì)之久：飛拱處于純壓狀態(tài)，即到處都受壓力，承受所有的風(fēng)荷與雪荷。如果在這些飛拱上有任何張力，則它們就會(huì)掉落，因?yàn)樗鼈儾贿^(guò)是堆起的石塊（參考文獻(xiàn)3與圖3）。另一個(gè)測(cè)量應(yīng)變的方法是采用StressCoat，這是工程師Greer Ellis于1942年在應(yīng)變計(jì)制造商Magnaflux公司供職時(shí)發(fā)明的一種脆性漆（參考文獻(xiàn)4）。用這種方法時(shí)，將部件涂上這種漆，為部件施加設(shè)計(jì)負(fù)荷，然后觀察涂層的爆裂情況。StressKote公司在出售一種類似的產(chǎn)品。有些工程師可能不考慮這種方法，而是依賴于計(jì)算機(jī)仿真和FEA（有限元分析）方法。不過(guò)，比起計(jì)算機(jī)屏幕上的漂亮圖像，還是實(shí)際部件的真實(shí)負(fù)載更讓人放心。

圖3，用偏振光照射一個(gè)受應(yīng)力的塑料，就可以看到材料內(nèi)的應(yīng)變樣式。條紋越靠近，

該點(diǎn)的應(yīng)變就越高（普林斯頓大學(xué)Robert Mark提供）。

Vishay公司開發(fā)了另外一種新穎的方法PhotoStress，它將StressCoat的直觀性與偏振光觀察的靈活性結(jié)合起來(lái)。該方法用偏振光照射一個(gè)專利的光學(xué)薄膜。薄膜包圍在部件輪廓上，施加設(shè)計(jì)負(fù)荷，然后用偏振光照射部件，就可以看到部件內(nèi)的應(yīng)變形式。偏光器上的光換能器也能對(duì)應(yīng)變作量化測(cè)量，Vishay等公司提供可用作鑄模輪廓片的液體感光涂料。

工程師們?cè)谑褂脩?yīng)變計(jì)時(shí)最大的問(wèn)題之一是存在著太多的不可控變量。制造商用電壓表和光傳感器就可以進(jìn)行大多數(shù)精密控制；你所要做的只是將電壓探頭連接到電路上，或讓光線照射到傳感器。然而在進(jìn)行應(yīng)變計(jì)測(cè)量時(shí)，必須首先從成百上千種型號(hào)中選擇一款，選定其位置，對(duì)表面作處理準(zhǔn)備，并將應(yīng)變計(jì)與要測(cè)量的部件粘接起來(lái)，還要在應(yīng)變計(jì)和測(cè)量放大器之間建立連接。不過(guò)搞明白這些過(guò)程并不表示麻煩就結(jié)束了。你還需要確認(rèn)處于應(yīng)變計(jì)的溫度范圍內(nèi)，線性化應(yīng)變計(jì)的輸出，并且完全知道所要測(cè)量部件中應(yīng)力與形變之間的關(guān)系，這是基本的要求。

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