應(yīng)變及應(yīng)變規(guī)概述

應(yīng)變是施加于物體的作用力對物體造成形變的大小。更確切地講，應(yīng)變可定義為長度的微小變化，如圖1。

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圖1.應(yīng)變的定義

雖然應(yīng)變測量有多種方法，最常用的方法是采用應(yīng)變規(guī)，它的電阻隨產(chǎn)生的應(yīng)變成正比變化。最常用的應(yīng)變規(guī)是膠合金屬應(yīng)變規(guī)。

金屬應(yīng)變規(guī)由極細(xì)的引線組成，更常見的則是由柵格狀的金屬薄片組成。柵格的形式使得金屬引線或薄片在平行的方向上最大程度地跟隨應(yīng)變發(fā)生變化（圖2）。柵格粘在稱之為載體的薄襯底上，并直接與被測試件連接。因此，被測試件產(chǎn)生的應(yīng)變直接反映在應(yīng)變規(guī)上，使得應(yīng)變規(guī)電阻值產(chǎn)生線性變化。市面上有售的應(yīng)變規(guī)阻值在30歐到3000歐，最常見的阻值分別是：120、350、1000 Ω。

圖2. 膠合金屬應(yīng)變規(guī) 

典型傳感器引腳

實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)變測量很少會出現(xiàn)大于幾毫的應(yīng)變（e x 10^-3），因此，進(jìn)行應(yīng)變測量必須能夠精確測量極微小的電阻值變化。為了測量如此微小的電阻變化，應(yīng)變規(guī)幾乎都采用帶電壓激勵的電橋形式。普通的惠斯通電橋，如圖3.，由4條電阻橋臂及作用于整個電橋的激勵電壓V_EX組成，

圖3.惠斯通電橋配置

電橋輸出電壓V_O表達(dá)式如下：

從此方程看出，當(dāng)R₁/R₂ = R₄/R₃時，電壓輸出V_O為零。在這種條件下，稱電橋處于平衡狀態(tài)。此時任意橋臂上電阻值的變化都將使電橋電壓輸出不為零。

因此，如果把圖3中的R₄ 替換為應(yīng)變規(guī)，應(yīng)變規(guī)電阻值的變化將使電橋處于非平衡狀態(tài)，從而電壓輸出非零。如果應(yīng)變規(guī)的理想電阻值為R_G，那么應(yīng)變產(chǎn)生的電阻變化DR可以表示為DR = R_G*GF*e。設(shè)R₁ = R₂ 、R₃ = R_G，以上的電橋方程可重寫為V_O/V_EX對應(yīng)變的函數(shù)（見圖4）。注意1/(1+GF*e/2) 項(xiàng)，表示1/4橋與應(yīng)變相關(guān)的輸出非線性變化。

圖4. 1/4橋電路

理想狀態(tài)下，我們希望應(yīng)變規(guī)的電阻僅在存在應(yīng)變時才產(chǎn)生變化。然而，應(yīng)變規(guī)材料及被測試件材料還同時對溫度的變化敏感。應(yīng)變規(guī)制造商試圖通過處理應(yīng)變規(guī)材料來補(bǔ)償被測試件產(chǎn)生的熱膨脹，以此將應(yīng)變規(guī)對溫度的敏感降至最低。但補(bǔ)償僅能夠降低應(yīng)變規(guī)對溫度的敏感度，卻不能完全消除溫度影響。

通過在電橋中采用2個應(yīng)變規(guī)，能夠進(jìn)一步降低溫度的影響。舉例來說，圖5顯示的應(yīng)變規(guī)配置中，1個應(yīng)變規(guī)(R_G+ DR)處于工作狀態(tài)，及另一個應(yīng)變規(guī)與其橫向放置。因此，應(yīng)變在第二個應(yīng)變規(guī)上幾乎不產(chǎn)生影響，稱其為補(bǔ)償規(guī)。然而，溫度的變化對兩組應(yīng)變規(guī)的影響相同。由于對兩組應(yīng)變規(guī)來說溫度變化相同，因此電阻值比例與電壓V_O并不發(fā)生變化，從而溫度的影響被降低了。

圖5. 采用補(bǔ)償規(guī)消除溫度影響

當(dāng)半橋中有兩個工作應(yīng)變規(guī)時，能夠?qū)㈦姌驅(qū)?yīng)變的靈敏度提高一倍。舉例來說，圖6顯示的彎曲梁應(yīng)用中，一組應(yīng)變規(guī)感應(yīng)張力(R_G + DR)，另一組應(yīng)變規(guī)感應(yīng)壓力(R_G - DR)。這一半橋配置的電路圖同樣顯示于圖6中，它的輸出電壓為線性的，且輸出電壓約為1/4電橋的2倍。

圖6. 半橋電路

最后，還可以通過將電橋4個橋臂都安裝工作應(yīng)變規(guī)來實(shí)現(xiàn)全橋配置，從而提高電路的靈敏度。全橋電路如圖7所示。

圖7. 全橋電路

因而，1/4橋電路中，僅有1條橋臂安裝工作應(yīng)變規(guī)；半橋電路中有2條橋臂為工作應(yīng)變規(guī)；全橋電路中所有4條橋臂均為工作應(yīng)變規(guī)。

應(yīng)變規(guī)沒有極性，但根據(jù)以上三種不同電橋電路配置，測量硬件的接線方式也不同，以下部分將詳細(xì)介紹。 

如何進(jìn)行應(yīng)變規(guī)測量

大多數(shù)應(yīng)變規(guī)測量方案提供1/4橋、半橋、全橋配置選擇。

考慮NI CompactDAQ系統(tǒng)與 NI 9237 4通道同步橋C系列模塊的方案。圖8中顯示了將1/4橋上的應(yīng)變規(guī)接入該模塊的接線圖。

將1/4橋應(yīng)變規(guī)一端與模塊上CH+端連接，另一端與模塊QTR端連接。注意模塊上EX-端口不連線，因?yàn)?/4橋配置中，R3為測量硬件內(nèi)部（見圖8）。

圖8. 1/4橋配置接線圖

半橋配置的測量中，將工作元件與模塊的EX+及EX-端連接。最后，將兩個工作元件的公共點(diǎn)與測量模塊的QTR連接（見圖9 ）。

圖9.半橋配置接線圖

 全橋配置的測量中，將R1和 R4的公共端與EX+ 連接，將R2 和R3的公共端與EX-連接。同時，將R3和R4的公共端與CH+連接，將R1和R2的公共端與CH-連接。

圖10. 全橋配置接線圖

測量的可視化：NI LabVIEW

將傳感器與測量設(shè)備連接后，您可以通過LabVIEW圖形化編程軟件將數(shù)據(jù)傳輸入計算機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。

圖11的示例中展示了在LabVIEW編程環(huán)境下，將應(yīng)變測量數(shù)據(jù)顯示在指示圖表中。 

 圖11. LabVIEW顯示應(yīng)變測量數(shù)據(jù)