- 發布於 2024年4月30日
- 最後修改 2024年4月30日
- 1 分鐘
應變計完整指南
我們的指南將深入探討應變片和應變計，並解釋如何使用它們來測量應變。
應變計（又稱應變片）是一種廣泛使用的感測器工具，用於測量物體或材料在載荷下的應力力量。
應變片通過顯示應變和疲勞力如何影響實際材料，使工程師能夠就各種設計、構建和安裝做出各種重要決策。
應變片是一種監控材料性能的成熟方法，自20世紀中葉以來一直在使用。它們可以作為獨立的感測器設備使用，也可以連接成串形式形成惠斯通橋，以測量未知電阻和差異。它們還可以以負載電池配置使用於各種工業應用，包括精密秤重或長期監測應變、材料影響和性能。
在這個入門指南中，我們將學習有關應變片的所有基礎知識，包括它們的作用方式，以及它們如何幫助優化各行業的生產力和建設質量。
我們還將解釋如何放置和使用應變片，並清楚介紹如何在網路上選購應變片。
這個信號通過一個感測器以實時的電阻變化來表達，這種變化是由於應變片的主動部分的物理位移（偏轉或變形）而引起的。它隨著時間的推移，反映了這些應力力量對正在監測的材料或物體的持續物理影響。 應變片感測器最常見的格式是一條寬的柔軟支撐材料，其中包含一個嵌入式導電元件 - 通常是一系列鎮流器或箔線。這種低剖面的彈性條帶直接安裝和粘合在物體或材料的表面上，使用適合的工業黏合劑。 一旦安裝好，通過應變片上的電路傳感器讀取通過電子讀數，從而可以從應變片電路中獲取電子讀數。觀察到的電阻變化將顯示負載或應變力量如何隨著時間而影響相應的材料。這樣可以測量正（拉伸）和負（壓縮）應變力量。
應變計應用於哪些領域？
那麼，應變片有哪些應用？簡而言之，它們在每個材料工程的方方面面都有應用。應變片可用於任何設計或建構中，以提供更清晰的應力分析，並更好地了解材料在載荷下的行為。廣泛應用應變片技術的一些行業和項目的例子包括：
- 汽車、航海和航空航天設計
- 建築和橋樑建設，包括橋樑、稱重橋和隧道
- 工業工程和秤重
- 材料性能的長期監測，例如S形應變拉力
- 複雜工程領域，如電力廠和煉油廠
- 測量馬達、渦輪機、發動機、風扇、發電機、車輪和螺槳上的扭矩
- 轉換器和負載電池製造
- 實驗應力分析
應變計的工作原理
應變片上的主動部分的物理形狀和位置變化（例如壓力、張力和重量等的變化）將影響其作為一個電子器件的反應，通常導致彎曲。這些變化可以直接從應變片上測量，作為電阻變化的波動。應變片的儀器設計和操作並不是很複雜，不過您應該熟悉這些關鍵術語
這些術語包括：
- 顯微應變: 由於被測物體溫度變化（熱輸出）而導致的輸出信號，而不是由於實際的機械載荷
- 惠斯通橋: 由多個應變片組成的配置，通常用於補償這種效應
- 應變片橋路增益或應變片增益: 惠斯通橋電路中使用的主動應變片的數量（1-4）
- 應變: 測量材料長度的物理變化，相對於其初始長度。表示機械應變的符號是ε
- 應力: 在數學術語中，通過將力（F）除以橫截面積（A）計算，來表示材料應力因子。表示機械應力的符號是σ，因此σ = F/A
- 剩餘應力: 也稱為內應力，可以由材料本身的各種內部因素引起，而不是作為外部力直接施加。例如製造不一致、密度的自然波動，以及由材料重量引起的內部壓縮或應變等。在應用中，剩餘應力也被考慮在內，但我們應該意識到應變的不同原因
- 應變片橋路激勵電壓: 因為應變片感測器實際上是一種電阻器，所以當連接並啟動時，它會自然而然地將電壓轉換為熱量。由於輸出電壓熱量還會影響電阻（從而改變讀數），使用過程中應變片不應過度發熱。因此應變片的橋路激勵電壓上限始終不應超過額定最大值，這表示可以為了確保正確運作而供電的電子裝置的上限電壓是多少
應變計和負載電池（load cell）的關係
與應變片類似，負載電池也是一種將力的變化轉換為電信號輸出的電氣變換器。負載電池有多種類型，但在工業環境中最常用的一種由四個應變片串聯而成的電路組成。
與單個應變傳感器一樣，應變片負載電池可用於測量拉伸（正值）、扭轉或壓縮（負值）應力力量的正負值。換句話說，它們可以測量材料的膨脹和收縮。
負載電池是工業秤重應用中常見的測量工具。它們經常作為安全關鍵的電氣系統的一部分，特別是當它們被配置為氣動負載電池或液壓負載電池時。正確的負載電池接線和負載測試校準取決於使用的具體類型。對於大多數工業秤重任務，應變片負載電池將是首選的配置。
通常，這種類型的應變片負載電池由四個應變片組成，兩個處於張力狀態，兩個處於壓縮狀態。這種配置通常具有最佳的靈敏度和溫度補償，可以以非常低的成本實現極高的精度。
應變計的種類
在網上有各種應變片類型可供選擇，從金屬線應變片到箔應變片、半橋和全橋應變片、壓力負載電池、梁式負載電池、力傳感器，以及其他多種變體。
選擇合適的應變片設備類型對應您所面臨的應變片應用是非常重要的。這樣做可以始終為您提供最佳的應變片性能，實現最佳的準確性和可靠性。在不同應變片類型之間做出選擇時，您需要考慮幾個重要因素。
首先，您需要清楚您要測量的具體應變力量的類型（質量、扭矩/扭轉、軸向應變、壓力、壓縮、雙向、材料疲勞、剪切等）。您還需要知道自己將進行什麼類型的耐久度測試，例如實驗應變分析、剩餘應變分析、微應變、變形、材料長期/壽命分析、荷重分析、熱應變、溫度影響等。
根據您對上述問題的回答，您需要基於應變片的主要物理特性，在眾多型號和類型的應變片之間做出選擇。這些主要物理特性包括：
- 應變片的幾何形狀 - 一個給定的應變片包含的線路網格數、它們的排列方式以及結果的主動網格長度
- 應變片的系列和連接方式 - 該設備的物理結構和佈局，以及它是如何與其他設備連接的，例如金屬線的長度
- 設備的電阻 - 單位是歐姆（Ohm）
- 材料的溫度響應、性能和適應性 - 您選擇的應變片必須與您監測的材料和安裝位置的熱特性相匹配
每種型號和類型的設備在整體物理尺寸（長度）、靈敏度、范圍和準確性方面都有略微不同的特性。在許多日常工程和分析項目中可以找到的電應變片的常見類型包括：
- 金屬線應變片
- 箔應變片
- 四點應變片
- 全橋應變片
- 線性和雙線應變片
- T形應變片
- V形應變片
- 應變片鏈
- 集成焊接墊片懇切
- 銅引線應變片
- 螺栓應變片
- 密封應變片
- 嵌入式應變片
如何使用應變計
一旦您了解了基本的應變片原理，您就相對容易地能夠弄清楚如何使用應變片。較難的部分是學會如何使用最佳的方法和位置應變片，以獲得最準確的測量結果。
為了能夠以最佳的位置使用應變片，並為了能夠準確地測量應變片，正確地了解如何使用最佳的位置應變片是非常重要的。
正確地使用應變片的一個關鍵部分是學會準備被測材料。在安裝應變測量裝置之前，使用正確的程序進行準備是非常重要的。有各種各樣的方法可以做到這一點 - 您應該根據被測材料的類型、應變片的類型和正在進行的應力監測的精確形式，選擇哪種方法來使用。
例如，混凝土的預處理和清潔方法將不同於木材、塑料、纖維增強塑料、橡膠和玻璃。有些表面需要磨得更光滑，而另一些表面則需要稍微磨糙。甚至您使用的清潔溶液的類型也會根據具體材料的不同而有所不同。保持清潔是實現良好黏附和可靠結果的關鍵。
選擇正確的黏合劑以便附著應變片的材料也同樣重要。有些膠水對多孔表面更合適（即具有良好的填孔性），而另一些則需要更好地應對光滑和堅硬的表面、快速溫度變化、環境挑戰、特定類型的清潔溶劑、清潔劑等。保持清潔是實現良好黏附和可靠結果的關鍵。
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