应变计完整指南：原理、应用与使用方法

应变计完整指南：原理、应用与使用方法

应变计（应变片）是一种广泛使用的传感器工具，用于测量物体或材料在载荷下的应力力量。它通过显示应变和疲劳力如何影响实际材料，使工程师能够就各种设计、构建和安装做出重要决策。本文将深入探讨应变片和应变计，解释其工作原理、应用领域、种类以及如何使用它们来测量应变。

应变计是什么？

要理解应变计，首先需要了解其基本原理。应变计是一种类型的传感器设备，它利用电传导的特性，直接测量所附材料中的应力和疲劳力。

应变计将物理载荷或应力（压力、扭矩、张力和压缩）转换为可读的电信号。这个信号通过传感器以实时的电阻变化来表达，这种变化是由于应变片的主动部分的物理位移（偏转或变形）而引起的。它随着时间的推移，反映了这些应力力量对正在监测的材料或物体的持续物理影响。

应变片传感器最常见的格式是一条宽的柔软支撑材料，其中包含一个嵌入式导电元件——通常是一系列镇流器或箔线。这种低剖面的弹性条带直接安装和粘合在物体或材料的表面上，使用适合的工业粘合剂。一旦安装好，通过应变片上的电路传感器读取电子读数，从而可以获取应变片电路中的电子读数。观察到的电阻变化将显示负载或应变力量如何随着时间而影响相应的材料。这样可以测量正（拉伸）和负（压缩）应变力量。

应变计的应用领域

应变片在材料工程的各个方面都有广泛应用。它们可用于任何设计或构建中，以提供更清晰的应力分析，并更好地了解材料在载荷下的行为。一些广泛应用应变片技术的行业和项目包括：

• 汽车、航海和航空航天设计
• 建筑和桥梁建设，包括桥梁、称重桥和隧道
• 工业工程和称重
• 材料性能的长期监测，例如S形应变拉力
• 复杂工程领域，如电厂和炼油厂
• 测量电机、涡轮机、发动机、风扇、发电机、车轮和螺旋桨上的扭矩
• 转换器和负载电池制造
• 实验应力分析

应变计的工作原理

应变片上的主动部分的物理形状和位置变化（例如压力、张力和重量等的变化）将影响其作为电子器件的反应，通常导致弯曲。这些变化可以直接从应变片上测量，作为电阻变化的波动。应变片的仪器设计和操作并不复杂，但需要熟悉以下关键术语：

• 显微应变：由于被测物体温度变化（热输出）而导致的输出信号，而不是由于实际的机械载荷
• 惠斯通桥：由多个应变片组成的配置，通常用于补偿这种效应
• 应变片桥路增益或应变片增益：惠斯通桥电路中使用的主动应变片的数量（1-4）
• 应变：测量材料长度的物理变化，相对于其初始长度。表示机械应变的符号是ε
• 应力：在数学术语中，通过将力（F）除以横截面面积（A）计算，来表示材料应力因子。表示机械应力的符号是σ，因此σ = F/A
• 剩余应力：也称为内应力，可以由材料本身的各种内部因素引起，而不是作为外部力直接施加。例如制造不一致、密度的自然波动，以及由材料重量引起的内部压缩或应变等。在应用中，剩余应力也被考虑在内，但我们需要意识到应变的不同原因
• 应变片桥路激励电压：因为应变片传感器实际上是一种电阻器，所以当连接并启动时，它会自然而然地将电压转换为热量。由于输出电压热量还会影响电阻（从而改变读数），使用过程中应变片不应过度发热。因此应变片的桥路激励电压上限始终不应超过额定最大值，这表示可以为了确保正确运作而供电的电子装置的上限电压是多少

应变计和负载电池的关系

与应变片类似，负载电池也是一 种将力的 变化 转换 为 电 信 号输 出 的 电 气 变 换 器。负 载 电 池 有 多 种 类 型，但 在 工 业 环 境 中 最 常 用 的 一 种 由 四 个 应 变 片 串 联 而 成 的 电 路 组 成。

与单个应变传感器一样，应变片负载电池可用于测量拉伸（正值）、扭转或压缩（负值）应力力量的正负值。换句话说，它们可以测量材料的膨胀和收缩。

负载电池是工业称重应用中常见的测量工具。它们经常作为安全关键的电气系统的一部分，特别是当它们被配置为气动负载电池或液压负载电池时。正确的负载电池接线和负载测试校准取决于使用的具体类型。对于大多数工业称重任 务，应变片负载电池将是首选的配置。

通常，这种类型的应变片负载电池由四个应变片组成，两个处于张力状态，两个处于压缩状态。这种配置通常具有最佳的灵敏度和温度补偿，可以以非常低的成本实现极高的精度。

应变计的种类

在网上有各种应变片类型可供选择，从金属线应变片到箔应变片、半桥和全桥应变片、压力负载电池、梁式负载电池、力传感器，以及其他多种变体。

选择合适的应变片设备类型对应您所面临的应变片应用是非常重要的。这样做可以始终为您提供最佳的应变片性能，实现最佳的准确性和可靠性。在不同应变片类型之间做出选择时，您需要考虑几个重要因素。

首先，您需要清楚您要测量的具体应变力量的类型（质量、扭矩/扭 转、轴向应变、压力、压缩、双向、材料疲劳、剪切等）。您还需要知道自己将进行什么类型的耐久度测试，例如实验应变分析、剩余应变分析、微应变、变形、材料长期/寿命分析、荷重分析、热应变、温度影响等。

根据您对上述问题的回答，您需要基于应变片的主要物理特性，在众多型号和类型的应变片之间做出选择。这些主要物理特性包括：

• 应变片的几何形状 - 一个给定的应变片包含的线路网格数、它们的排列方式以及结果的主动网格长度
• 应变片的系列和连接方式 - 该设备的物理结构和布局，以及它是如何与其他设备连接的，例如金属线的长度
• 设备的电阻 - 单位是欧姆（Ohm）
• 材料的温度响应、性能和适应性 - 您选择的应变片必须与您监测的材料和安装位置的热特性相匹配

每种型号和类型的设备在整体物理尺寸（长度）、灵敏度、范围和准确性方面都有略微不同的特性。在许多日常工程和分析项目中可以找到的电应变片的常见类型包括：

• 金属线应变片
• 箔应变片
• 四点应变片
• 全桥应变片
• 线性和双线应变片
• T形应变片
• V形应变片
• 应变片链
• 集成焊接垫片恳切
• 铜引线应变片
• 螺栓应变片
• 密封应变片
• 嵌入式应变片

如何使用应变计

一旦您了解了基本的应变片原理，您就相对容易地能够弄清楚如何使用应变片。较难的部分是学会如何使用最佳的方法和位置应变片，以获得最准确的测量结果。

为了能够以最佳的位置使用应变片，并为了能够准确地测量应变片，正确地了解如何使用最佳的位置应变片是非常重要的。

正确地使用应变片的一个关键部分是学会准备被测材料。在安装应变测量装置之前，使用正确的程序进行准备是非常重要的。有各种各样的方法可以做到这一点 - 您应该根据被测材料的类型、应变片的类型和正在进行的应变监测的精 确形式，选择哪种方法来使用。

例如，混凝土的预处理和清洁方法将不同 于木材、塑料、纤维增强塑料、橡胶和玻璃。有些表面需要磨得更光滑，而另一些表面则需要稍微磨糙。甚至您使用的清洁溶液的类型也会根据具体材料的不同而有所不同。保持清洁是实现良好粘附和可靠结果的关键。

选择正确的粘合剂以便附着应变片的材料也同样重要。有些胶水对多孔表面更合 适（即具有良好的填孔性），而另一些则需要更好地应对光滑和坚硬的表面、快速温度变化、环境挑战、特定类型的清洁溶剂、清洁剂等。保持清洁是实现良好粘附和可靠结果的关 键。