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(duì)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(huì)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(lì)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(gè)電橋的激勵(lì)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(shí),，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(shí)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(duì)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(shí)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(shí)對(duì)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(duì)溫度的敏感降至最低,。但補(bǔ)償僅能夠降低應(yīng)變規(guī)對(duì)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(gè)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(gè)應(yīng)變規(guī)(R_G+ DR)處于工作狀態(tài),，及另一個(gè)應(yīng)變規(guī)與其橫向放置。因此,，應(yīng)變?cè)诘诙€(gè)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(duì)兩組應(yīng)變規(guī)的影響相同,。由于對(duì)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(gè)工作應(yīng)變規(guī)時(shí)，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(gè)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(gè)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(shí)，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(jì)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)