對比光纖應(yīng)力傳感的性能和應(yīng)變片的性能

用光纖對物體的形變進(jìn)行監(jiān)控是光纖傳感重要的研究方向。今天聊一下應(yīng)力與應(yīng)變，用一個視頻對比光纖應(yīng)力傳感的性能和應(yīng)變片（strain gauge）的性能；最后介紹一下應(yīng)變片。

（一）應(yīng)力與應(yīng)變曲線（stress-strain curve）

每一種材料的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系稱為該材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（stress-strain curve）。每一種材料都有唯一的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，該曲線可以通過記錄材料在不同的拉伸和壓縮加載（應(yīng)力）下的形變（應(yīng)變）來獲得。這條曲線也提供了很多該材料的特性，例如：彈性模量、屈服強度（彈力限）、極限拉伸強度，也可以看出材料是脆性材料還是延展性材料。

一般而言，有關(guān)任何變形下，應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系都可以視為是應(yīng)力-應(yīng)變曲線。應(yīng)力和應(yīng)變可以是正應(yīng)力及正應(yīng)變，剪應(yīng)力及剪應(yīng)變，也可以是混合的?？梢允菃我惠S向、雙軸或是多軸的，甚至可以是時變的。變形可以是壓縮、拉伸、扭轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)動等。若沒有特別標(biāo)明，應(yīng)力-應(yīng)變曲線是指在拉伸測試下正向應(yīng)力及正向應(yīng)變之間的關(guān)系。

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（二）光纖與應(yīng)變片的應(yīng)力檢測對比

可以用光纖檢測材料的應(yīng)力，更傳統(tǒng)的辦法是使用應(yīng)變片（foil strain gauge）。視頻基于對一個懸臂梁（cantilever）的測試，通過光纖和應(yīng)變片不同的技術(shù)，進(jìn)行效果對比（光纖技術(shù)是luna公司提供Luna Reflectometers（反射儀））。

懸臂梁（cantilever）是在材料力學(xué)中為了便于計算分析而得到的一個簡化模型，懸臂梁的一端是固定支座，另一端為自由端。在荷載作用下，可根據(jù)力的平衡條件求得懸臂梁的固定端的支座反力，包括水平力、豎向力以及彎矩，并可據(jù)此畫出軸力圖、剪力圖與彎矩圖。由于梁一般承受豎向的集中荷載或均布荷載的作用，故支座的水平反力為0。

（三）應(yīng)變片（straingauge）

應(yīng)變片（strain gauge）是一種用來測量物體應(yīng)變的測試工具。1938年，它先后由Edward E. Simmons和Arthur C. Ruge各自獨立地發(fā)明出來。應(yīng)變片由絕緣基片與金屬敏感柵組成。應(yīng)變片需要使用正確的粘合劑與物體相連接（這其實也是光電子傳感器要解決的核心技術(shù)），比如使用502膠水。

當(dāng)被測部件受外力變形時，敏感柵也隨之變形，因此敏感柵的電阻值會產(chǎn)生相應(yīng)的變化。通過惠斯通電橋（Wheatstone bridge）可以測量到這個微小的阻值變化量，而通過應(yīng)變片生產(chǎn)廠商標(biāo)明的應(yīng)變片系數(shù)可將測量得到的電阻變化量轉(zhuǎn)換成實際應(yīng)變值。

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應(yīng)變片很好地利用了導(dǎo)體的物理特性和幾何特性。當(dāng)一個導(dǎo)體在其彈性極限內(nèi)受外力拉伸時，其不會被拉斷或產(chǎn)生永久變形而會變窄變長，這種形變導(dǎo)致了其端電阻變大。相反，當(dāng)一個導(dǎo)體被壓縮后會變寬變短，這種形變導(dǎo)致了其端電阻變小。通過測量應(yīng)變片的電阻，其覆蓋區(qū)域的應(yīng)變就可以演算出來。

應(yīng)變片的敏感柵是一條窄導(dǎo)體條曲折排列成的一組平行導(dǎo)線，這樣的布置方式可將基線方向的微小變形累積起來以形成一個較大的電阻變化量累計值。應(yīng)變片的測量對象只有其所覆蓋區(qū)域的變形量，足夠小的應(yīng)變片可在諸如有限元式的應(yīng)力分析當(dāng)中使用。它被廣泛應(yīng)用于材料的疲勞測試研究當(dāng)中。

審核編輯：劉清