應變計的選擇與應用

時間：2009-09-01 06:10:00

關(guān)鍵字：應變計偏振光 STRESS STRESS 線性化

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[導讀]通過仔細選擇和使用應變計，可以保證這種困難的測量得到良好的結(jié)果。要點應變計的制造可以采用金屬箔、硅或壓敏電阻材料。應變計提供電阻值變動小，因此可用于橋式結(jié)構(gòu)。制造一只應變計的最后一步是將其粘到部件上。

通過仔細選擇和使用應變計，可以保證這種困難的測量得到良好的結(jié)果。

要點

應變計的制造可以采用金屬箔、硅或壓敏電阻材料。

應變計提供電阻值變動小，因此可用于橋式結(jié)構(gòu)。

制造一只應變計的最后一步是將其粘到部件上。

注意部件內(nèi)的殘余應力。這些應力會在輕載下造成災難性的故障。

應變計放大器很昂貴，因為它們難以制造。須有充分理由才可設(shè)計自己的橋式接口電路。

好的測量要花數(shù)周時間，而不止數(shù)小時。

應變計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)檢測元件。大多數(shù)應變計都是箔片型，有各種形狀和尺寸選擇，滿足各種應用（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：當給箔片施加應力時，箔片的電阻會按一定的規(guī)律改變。箔片規(guī)有最高的精度，但它們也很貴，會產(chǎn)生難以放大的小信號。應變計也可以是硅的，它采用薄膜半導體工藝，將金屬沉積在硅片芯上。這種芯片通常是一種MEMS（微機電系統(tǒng)），構(gòu)成能響應壓力變化的可彎曲膜片。承載膜片結(jié)構(gòu)的同一個硅芯片中也可以有對輸出作放大和線性化以及對溫度效應作補償?shù)碾娐贰?/p>

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

通過測量應變，工程師可以推算出材料的強度，這是一個重要的因素，因為應力決定了一種部件是否會彎曲或斷裂。應力也可以表示出一個承壓彎曲薄膜后面的液體壓力。應變計的一個有趣應用涉及彎曲：可以將一塊PCB（印刷電路板）真空吸附在一臺測試設(shè)備上，測量其柔性。如果電路板彎曲過度，則焊點會斷裂。National Instruments公司的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品經(jīng)理Swapnil Padhye稱，建立一塊有應變計的樣板，就可以確保你的電氣測試不會降低電路的可靠性（參考文獻1與參考文獻2）。

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

稱重傳感器中的應變計用于精密地測量力、監(jiān)控力矩或壓力（圖2）。它們適合于測量天平、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。應變計可以通過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用的管道內(nèi)部清潔。安裝在料斗和箱體承載軸承上的應變計用于工業(yè)加工。不過，Hardy Instruments公司首席技術(shù)官Dave Cornwell表示，如果要測的是質(zhì)量而不是重量，就必須知道當?shù)氐牡匦囊Σ拍茏骶_的轉(zhuǎn)換。應變計亦用于工業(yè)、醫(yī)療和科研設(shè)備。測得應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)萬轉(zhuǎn)。

機械工程師對應變計的需求就像電子工程師對示波器探頭的依賴一樣。兩類群體都必須對仿真進行驗證，無論是有限元機械模型還是Spice電氣模型。機械工程師可以用應變計收集他們正在設(shè)計的部件與結(jié)構(gòu)在真實世界中的數(shù)據(jù)。另外，應變計一般也是設(shè)計中的永久性部分，如用于監(jiān)控跨河支架橋應力的應變計。

這些應變計并不是測量應變的唯一方式。例如，你可以做一個部件的環(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)生的彩色條紋就對應著塑料中的應變。普林斯頓教授Robert Mark采用這種方法對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)世紀之久：飛拱處于純壓狀態(tài)，即到處都受壓力，承受所有的風荷與雪荷。如果在這些飛拱上有任何張力，則它們就會掉落，因為它們不過是堆起的石塊（參考文獻3與圖3）。另一個測量應變的方法是采用StressCoat，這是工程師Greer Ellis于1942年在應變計制造商Magnaflux公司供職時發(fā)明的一種脆性漆（參考文獻4）。用這種方法時，將部件涂上這種漆，為部件施加設(shè)計負荷，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，而是依賴于計算機仿真和FEA（有限元分析）方法。不過，比起計算機屏幕上的漂亮圖像，還是實際部件的真實負載更讓人放心。

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

該點的應變就越高（普林斯頓大學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。該方法用偏振光照射一個專利的光學薄膜。薄膜包圍在部件輪廓上，施加設(shè)計負荷，然后用偏振光照射部件，就可以看到部件內(nèi)的應變形式。偏光器上的光換能器也能對應變作量化測量，Vishay等公司提供可用作鑄模輪廓片的液體感光涂料。

工程師們在使用應變計時最大的問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。然而在進行應變計測量時，必須首先從成百上千種型號中選擇一款，選定其位置，對表面作處理準備，并將應變計與要測量的部件粘接起來，還要在應變計和測量放大器之間建立連接。不過搞明白這些過程并不表示麻煩就結(jié)束了。你還需要確認處于應變計的溫度范圍內(nèi)，線性化應變計的輸出，并且完全知道所要測量部件中應力與形變之間的關(guān)系，這是基本的要求。

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