关键词：应变测量，背景知识，应变片，应力，应变

1.应变与应力

应力（σ）定义为单位面积上的内部力，可以分为拉应力、压应力和剪切应力。当物体受到外力作用时，为了保持其结构的完整性，物体内部会产生一个反作用力来抵抗这种变形，这种内部力除以物体的横截面积被称为应力，单位为帕斯卡（Pa）。

应变（ε）则定义为材料形变的相对量，即变形长度ΔL与原始长度L之比。这是一个无量纲的比值，通常很小，表示为长度的百分比变化，用微应变（με）来表示。应变可以是正的（拉伸）或负的（压缩），取决于力的方向，方向一致时称为轴向应变。

在物体受拉时，其直径通常会缩小。例如，原始直径为d₀且缩小了Δd，则直径方向的应变（横向应变）为ε_d 。横向应变（与外力方向垂直）与轴向应变的比值即泊松比V（通常约为0.3）。

材料的应力与应变关系：在弹性形变范围内，应力（σ）与应变（ε）成正比，遵从胡克定律：σ = Eε，其中比例常数称为杨氏模量（E），也是材料的弹性模量，此公式表明在材料的弹性限度内，应力的增加会导致应变的相应增加，且两者成线性关系。因此，通过测量应变，可以间接估计应力。

2.应变片

由于科技水平的限制，我们目前无法直接测量材料内部的应力。因此，我们通过测量材料表面的应变来间接推算内部应力。应变片是实现这一目的时使用最广泛的传感器。这种传感器通过捕捉材料表面的微小形变并转换为电信号，使得我们能够准确计算出应力。通过应变片的精确测量，我们可以评估材料在受力时的性能，从而确保结构的安全和可靠性。

应变片概念

应变片是一种传感器，用于测量材料表面的应变，通常由一层细薄的金属箔或半导体材料制成，并被粘贴在要监测的材料表面，通过监测其自身电阻的变化来反映材料表面的形变程度。

当被测材料在外力作用下发生形变（拉伸或压缩）时，粘贴在其上的应变片也随之形变，导致其电阻发生改变。通过测量电阻变化，可以精确计算出材料表面的应变大小。

应变片结构

• 基材（Backing）：应变片的支撑结构，通常由薄而柔韧的材料制成，如聚酯或玻璃纤维。基材的主要作用是提供结构支持和保护敏感元件，同时也确保应变片能够良好地贴合在被测材料表面，具有良好的绝缘性能、抗潮性能和耐热性能。

• 敏感格栅（Sensing Grid）：应变片中用于测量应变的关键部分，通常由薄金属箔或半导体材料制成。当应变片被粘贴到物体上并且物体发生形变时，敏感格栅也会随之形变。这种形变导致电阻变化，通过测量这种电阻变化可以确定应变的大小。

• 导电引线（Lead Wires）：引线用于将电信号从敏感格栅传输到测量电路。这些引线通常与格栅材料相同，以保持电性能的一致性。

• 粘合层（Adhesive Layer）：这是一层特殊的粘合剂，用于将应变片牢固地粘贴到被测材料的表面。粘合层的性能对于确保应变片的可靠性和测量的准确性至关重要。

• 保护涂层（Protective Coating）：有些应变片在敏感格栅上会涂有一层保护材料，如聚酯或环氧树脂，以保护敏感元件免受环境影响，例如湿度、化学物质和机械损伤。

应变片阻值

应变片阻值和应变的关系

应变片阻值与应变的关系是通过应变片的电阻变化来测量应变的核心原理。这种关系通常由应变片的规格系数G（Gauge Factor）描述，它描述了应变片电阻变化相对于应变变化的系数，定义了应变片电阻变化与应变之间的比例关系。定义为：

其中，ΔR是应变引起的电阻变化，R是未变形前的电阻，ε是应变（即形变比）。

通过测量应变片的电阻变化，可以使用上述公式计算出应变大小。这种测量通常通过电桥（如惠斯通电桥）完成，可以非常精确地检测微小的电阻变化。

例如，一个应变片的初始电阻为R₀=120Ω，规格系数G=2.1，如果测得电阻增加了0.24Ω，则应变ε可以计算为：

应变片阻值的特性

• 阻值选择：相关国家标准中应变片电阻值通常有几种常见规格，如60Ω、120Ω、350Ω、500Ω和1000Ω等。电阻值越大，其允许的工作电压就越大，传感器的输出电压也相应增大，灵敏度高。阻值的选择依赖于测量系统的要求和精度需求。

• 温度影响：温度变化会影响应变片的电阻。因此，温度补偿是应变片设计中的重要考虑因素。有些应变片配备有温度补偿功能，或者需要通过外部的温度补偿电路来调整读数。

• 灵敏度（Gauge Factor）：应变片的灵敏度是衡量其电阻变化与应变变化关系的系数，称为规格系数或应变片系数。这个系数对于不同类型的应变片（金属箔、半导体）来说是不同的，通常在1.2到4.0之间。

应变片阻值的变化原理

• 当应变片经受拉伸或压缩应变时，其敏感格栅的尺寸会发生变化（长度增加或减少，截面积减少或增加），导致电阻发生变化。具体来说：

• 拉伸：应变片被拉长，导致其长度增加而截面积减小，这使得电阻增加。

• 压缩：应变片被压缩，导致其长度减少而截面积增加，这使得电阻减少。

应变片类型

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应变片最大工作电流

应变片的最大工作电流是指应变片可以安全承受的最大电流值，而不会因为电流过大导致过热或性能降低。为保证测量精度，在静态测量时，允许工作电流一般为25mA，动态测量时，允许工作电流可以达75~100mA，金属箔式电阻应变片的允许工作电流较大些。

确定最大工作电流的因素

• 应变片材料：不同的应变片材料（如金属箔或半导体）可能对电流的敏感度不同。

• 应变片的尺寸和设计：应变片的尺寸和厚度也影响其最大安全工作电流。

• 散热条件：应变片的散热效率决定了它可以安全工作的电流范围。较差的散热条件要求更低的工作电流以防止过热。

应变片粘贴方法

应变片的粘贴方法对于确保测量准确性和可靠性非常关键。正确的粘贴方法能够保证应变片与被测材料之间的良好接触，以及在应变传递过程中无失真。粘贴过程通常包括以下步骤：

表面准备

清洁：使用丙酮、酒精或其他合适的溶剂彻底清洁被测材料的表面，去除油污、灰尘和其他污染物。

研磨：有时需要使用细砂纸轻轻磨平表面，特别是金属表面，以提高粘接强度。

二次清洁：研磨后再次清洁表面，确保无任何研磨残留物。

选择适当的粘接剂确保应变片与被测材料良好接触

环氧树脂：适用于大多数常规应用，固化时间较长但粘接强度高。

氰基丙烯酸酯（即秒胶）：适用于快速粘贴，但可能不如环氧树脂耐久。

硅橡胶：适用于需要柔性粘接的应用，例如在动态加载或高温环境下。

应用粘接剂

混合粘接剂：如果使用双组分环氧树脂，按照制造商的说明正确比例混合。

涂抹：使用刷子或微量注射器，精确涂抹粘接剂在应变片背面及被测材料表面。

放置应变片：将应变片放置在指定位置，轻轻按压确保良好接触。

固化

保证完全固化：遵循粘接剂制造商的建议，让粘接剂在适当的温度和湿度条件下固化。环氧树脂可能需要数小时到一整天才能完全固化，以确保最佳粘接效果。

接线和保护

焊接引线：将引线焊接到应变片的端点，确保焊接点牢固且不会因拉扯而脱落。

应力释放：引线应适当放置，避免对应变片造成机械应力。

封装：使用合适的封装材料（如特殊封装胶带或涂层）保护应变片，防止环境因素（如湿度和腐蚀性气体）影响其性能。

校验

检查：安装完成后，应进行初步检查，确保没有安装错误或气泡等问题。

校准：进行必要的校准工作，确保应变片的读数准确。

正确的安装和粘贴过程对于确保应变片在整个使用寿命内提供准确、可靠的数据至关重要。在安装前，务必阅读并遵循应变片制造商的具体指导和建议。

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