應變及應變規概述

應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，應變可定義為長度的微小變化，如圖1。

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圖1.應變的定義

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

金屬應變規由極細的引線組成，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變發生變化（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，被測試件產生的應變直接反映在應變規上，使得應變規電阻值產生線性變化。市面上有售的應變規阻值在30歐到3000歐，最常見的阻值分別是：120、350、1000 Ω。

圖2. 膠合金屬應變規 

典型傳感器引腳

實際應用中，應變測量很少會出現大于幾毫的應變（e x 10^-3），因此，進行應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，應變規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表達式如下：

從此方程看出，當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。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 替換為應變規，應變規電阻值的變化將使電橋處于非平衡狀態，從而電壓輸出非零。如果應變規的理想電阻值為R_G，那么應變產生的電阻變化DR可以表示為DR = R_G*GF*e。設R₁ = R₂ 、R₃ = R_G，以上的電橋方程可重寫為V_O/V_EX對應變的函數（見圖4）。注意1/(1+GF*e/2) 項，表示1/4橋與應變相關的輸出非線性變化。

圖4. 1/4橋電路

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

通過在電橋中采用2個應變規，能夠進一步降低溫度的影響。舉例來說，圖5顯示的應變規配置中，1個應變規(R_G+ DR)處于工作狀態，及另一個應變規與其橫向放置。因此，應變在第二個應變規上幾乎不產生影響，稱其為補償規。然而，溫度的變化對兩組應變規的影響相同。由于對兩組應變規來說溫度變化相同，因此電阻值比例與電壓V_O并不發生變化，從而溫度的影響被降低了。

圖5. 采用補償規消除溫度影響

當半橋中有兩個工作應變規時，能夠將電橋對應變的靈敏度提高一倍。舉例來說，圖6顯示的彎曲梁應用中，一組應變規感應張力(R_G + DR)，另一組應變規感應壓力(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變規來實現全橋配置，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條橋臂安裝工作應變規；半橋電路中有2條橋臂為工作應變規；全橋電路中所有4條橋臂均為工作應變規。

應變規沒有極性，但根據以上三種不同電橋電路配置，測量硬件的接線方式也不同，以下部分將詳細介紹。 

如何進行應變規測量

大多數應變規測量方案提供1/4橋、半橋、全橋配置選擇。

考慮NI CompactDAQ系統與 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橋上的應變規接入該模塊的接線圖。

將1/4橋應變規一端與模塊上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，因為1/4橋配置中，R3為測量硬件內部（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

將傳感器與測量設備連接后，您可以通過LabVIEW圖形化編程軟件將數據傳輸入計算機，實現數據可視化。

圖11的示例中展示了在LabVIEW編程環境下，將應變測量數據顯示在指示圖表中。 

 圖11. LabVIEW顯示應變測量數據