應變計
關注創建者：HBK測試與測量 創建時間：2021-08-25
應變計的實例教程
若是要問稱重站、飛機和橋梁這三者有什么共同特點，有的人或許會答應變計，那么你是對的。這些可以說是簡單的裝置在測量物體上的拉力亦或是應變。當你把已經變形應用到伸展的應變儀上時，那么這個物體的阻力就會發生改變，這樣一來就會告訴你物體（比方說汽車、橋梁以及飛機機翼）正在進行多大的變形。在此之前已經知道了3D打印而成的傳感器和應變片，只不過來自卡耐基梅隆大學機械工程副教授帶領一個以研究員主組成的合作隊伍，他們已經找到了一種新的3D打印方法，不僅提高了它們的靈敏度而且還能把它們用在高溫地區。
任何地方都有機械系統的偏轉，你會看到應變計，這是很多地方！
該團隊開發的方法打破了所謂的泊松比，它描述了一種材料在另一個方向伸展時會收縮多少，約為40％。這個比例是對固體應變儀的靈敏度的限制，固體材料的最大泊松比約為0.5。
更多的收縮意味著更高的靈敏度，所以通過采用這種新的制造方法，我們可以獲得更加靈敏的應變計，在這種方法中，我們可以印刷材料的納米顆粒，并通過受控燒結來產生這種孔隙。
由傳統制造方法制成的應變計采取固體薄膜的形式。但是該團隊使用氣溶膠噴射3D打印技術來制造應變計，該應變計利用熱量來控制部分聚結的納米顆粒的燒結，從而形成多孔薄膜。當這種由于3D打印方法而含有許多微孔的薄膜被拉伸時，它可以比固體薄膜罐收縮更多。由于電影的孔隙率，我們看到一個有效的泊松比約為0.7，這意味著對于一個給定的電影變形，我們有大約40％的橫向收縮增加。這使得應變儀對測量更為敏感。
展開 高溫動靜態應變測量主要面臨以下的挑戰
一、高溫測量環境下，普通應變計不能區分哪些是期望得到的機械載荷變化產生的應變，哪些是測試材料隨溫度變化產生的膨脹，這種由于熱膨脹造成的應變讀數通常被稱為“視應變”或“熱應變”。
二、高溫測量環境下，應變計阻值隨溫度變化而變化，變化可能超過橋路的量程，將導致傳統惠斯通電橋無法平衡，從而無法進行測量。
三、高溫測量環境下，需使用特殊的高溫應變計，而且常規銅材質導線不能承受高溫，必須使用具有很高電阻的高溫導線，而高溫下導線電阻隨溫度變化而產生變化，常規測量方式會導致測量精度和線性度變差，影響測量結果。
四、高溫測量環境下，存在較大的靜電噪聲和電磁噪聲，而應變計處于非屏蔽工作環境，對各種干擾源比較敏感，常規方法測量會導致測量結果不可用。
針對以上問題，在高溫環境下的應變計測量，最佳方式是采用對稱恒流源激勵技術。
對稱恒流源激勵技術
對稱恒流源激勵技術是采用一對完全匹配的電流源作為應變片的激勵源，并使用一個差分放大器來測量應變計兩端的電壓值差，如圖1所示。從圖1中可以看出，它使用兩個匹配的電流源形成“推-拉”的結構，一個往應變計“灌入”電流，另一個從應變計“拉出”電流。這兩個匹配的電流源通過雙絞屏蔽電纜連接到輸入端并流過Rgage應變計。這種電路結構在物理和電子學方面都是對稱的，因此具有很強的共模噪聲抑制能力。另外，根據雙級功率源共地的特點，應變計的直流電壓是對稱的，與單端電流源方法相比，對稱設計具有兩倍的信號一致性范圍。在4線模式下，高輸入阻抗的應變計信號傳輸線±signal將差分放大器的輸入端直接連接到應變計兩端，由于差分放大器具有極高的輸入阻抗，應變計測量線上沒有電流流過，因此用于傳輸應變計激勵的導線中的電流并不會引起激勵電流的下降，應變計測量數據將不會受到影響。
展開 針對以上問題，在高溫環境下的應變計測量，最佳方式是采用對稱恒流源激勵技術。
對稱恒流源激勵技術
對稱恒流源激勵技術是采用一對完全匹配的電流源作為應變片的激勵源，并使用一個差分放大器來測量應變計兩端的電壓值差，如圖1所示。從圖1中可以看出，它使用兩個匹配的電流源形成“推-拉”的結構，一個往應變計“灌入”電流，另一個從應變計“拉出”電流。這兩個匹配的電流源通過雙絞屏蔽電纜連接到輸入端并流過Rgage應變計。這種電路結構在物理和電子學方面都是對稱的，因此具有很強的共模噪聲抑制能力。另外，根據雙級功率源共地的特點，應變計的直流電壓是對稱的，與單端電流源方法相比，對稱設計具有兩倍的信號一致性范圍。在4線模式下，高輸入阻抗的應變計信號傳輸線±signal將差分放大器的輸入端直接連接到應變計兩端，由于差分放大器具有極高的輸入阻抗，因此應變計測量線上沒有電流流過，因此用于傳輸應變計激勵的導線中的電流并不會引起激勵電流的下降，應變計測量數據將不會受到影響。對動態測量，2/4-wire開關可以設置成2線方式，輸入可以是AC耦合，即只有應變計的動態波動被允許放大。由于差分放大器輸入是一對對稱平衡的差分信號，使得差分放大器具有極高的共模噪聲抑制能力，允許使用同一片應變計進行靜態和動態數據的測量。
展開 2、準備應變片
下一步驟，從包裝中取出應變片。
用剪刀從卷軸上剪下一條大約20mm長的特氟龍線。用鑷子抓住漆包銅線處的應變計，將特氟龍線插入圓柱形應變計。將準備好的應變計放在干凈的表面上。
3、粘貼應變計
通過虎鉗固定螺栓。
注射器或移液管吸取粘合劑EP70 。EP70是一種易于使用的熱固化環氧樹脂粘合劑，特別適用于圓柱形應變計應用。在所有安裝步驟中，必須避免出現氣泡。
器中的粘合劑填充螺栓預鉆孔。為了減少氣泡，在插入粘接劑之前將注射器尖端放在鉆孔底部。當孔被填滿時，慢慢地拔出注射器，并填充使膠水和螺栓表面平齊。
用膠粘劑清潔墊片清潔螺栓表面。
將應變計插入螺釘的孔中。插入時注意不要使應變計被壓縮變形。圓柱形應變計和聚四氟乙烯電纜應位于孔底部。
展開 3）分層殼可以輸出應力和應變，應綜合兩者的結果判斷結構行為。
合理的分層殼設置可以提升分析效率，也有助于解釋計算結果。
2. 評價指標
對于建筑結構行為的評價，通常著眼于兩個方面：強度和變形。建筑結構的抗震性能評估，是考察結構屈服后行為的發展，此時延性構件的承載力變化不大，但構件變形的變化很快。美標ASCE 41中對于延性構件的性能評估多是基于變形，對于脆性行為則是控制強度。
對于剪力墻，通過墻鉸、分層殼可以查看墻體的應力應變。除此之外，ETABS還提供了一些重要的性能檢測工具和指標：兩點應變計、四點應變計、墻肢和連梁的剪力校核，以下分別介紹。
圖2-1 定義兩點應變計
圖2-2 定義四點應變計
兩點應變計，用于量測兩點間的應變（U1、U2、U3）或轉角（R1、R2、R3）。應變計不僅可以量測應變，還可以將應變值與不同性能水準的應變限值進行比較，用來評估其變形，如圖2-1所示。例如，兩點應變計可用來評估墻肢邊緣的拉、壓狀態。
四點應變計，用于量測剪應變或轉角。將四點應變計指定給一個面對象，對于墻肢，可測量墻肢的水平剪應變和墻肢轉角；對于連梁，可測量連梁的垂直剪應變和連梁轉角，如圖2-2所示。
墻肢或連梁的剪力校核。ETABS“指定”菜單下的命令“指定墻肢力可接受準則”可以設定不同性能水準下對墻肢剪力限值。如圖2-3所示，對應IO、LS、CP，可以分別定義V2、V3的剪力限值（一般只需激活V2，即面內剪力）。同時，墻肢的剪力限值還可設置為與軸力相關。當墻肢處于某種軸力狀態時，其剪力限值等于已定義的可接受準則乘以剪力系數。
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測試可在 -70°C 至 260°C 的寬溫域內進行，并廣泛采用非接觸式光學/視頻引伸計進行應變測量，最大限度減少大變形測量誤差，確保原始數據的精確與可靠。
02
模型精準
我們的擬合不僅追求曲線匹配，更注重模型在外推與復雜應力狀態下的物理合理性。憑借超過200%應變的等雙軸拉伸等關鍵數據的支撐，我們的模型能更真實地預測材料在大變形下的硬化行為，顯著提升有限元仿真精度。
通過安裝在試樣上的應變片或引伸計，可以精確測量出軸向應變和橫向應變。泊松比ν則通過公式計算得出。為了確保測量結果的準確性，需要保證試樣材料的均勻性、試驗過程中載荷的穩定性以及測量設備的高精度。
鋼筋計、深層水平位移監測、加速度計、智能溫濕度計、陣列位移計、地下水位監測、孔隙水壓計、位移監測、全自動機器人、支護樁（墻）、邊坡頂部豎向、靜力水準儀、全自動機器人、裂縫計、水位計、水壓計、錨索計、荷載計、水準儀、表貼式應變計、單點位移計、埋入式應變計、微型測斜以、通道采集儀等
4.地質檢測及超前預報：全方位邊坡穩定監測雷達系統 、地質崩滑報警雷達系統、地質雷達、地質探測儀、TSP地震探測儀、地質超前預報系統等
在4線模式下，高輸入阻抗的應變計信號傳輸線±signal將差分放大器的輸入端直接連接到應變計兩端，由于差分放大器具有極高的輸入阻抗，應變計測量線上沒有電流流過，因此用于傳輸應變計激勵的導線中的電流并不會引起激勵電流的下降，應變計測量數據將不會受到影響。對動態測量，2/4-wire開關可以設置成2線方式，輸入可以是AC耦合，即只有應變計的動態波動被允許放大。
</li></ul><p>應變計的排布如圖1所示。1-4號應變片測量z方向，5-12號應變片測量x和y方向。這種三軸力傳感器采用鋁制圓柱形梁式結構。生產簡單，成本低廉。
如果沒有以上所提的應變測量設備，可以考慮嘗試大應變的應變計。曾用滿量程10%應變的應變計測出15.5%的應變，也是奇特之事。由于后來用光學應變系統，沒再進行大應變計的實驗，也沒對此結果進行進一步驗證，也是遺憾。
如果手頭上什么應變測量設備也沒有，也不能用衡量位移計算應變。
為什么準靜態拉伸試樣總長要比高速拉伸試樣總長要長？這與準靜態拉伸試驗機的夾持系統有關。
通常，基于應變計的稱重傳感器的成本僅為電磁力稱重傳感器的三分之一甚至更低。同時，應用電磁力傳感器還要求設備制造商采用高端的工藝和制造技術，以充分發揮其性能。否則，機械結構將成為整個檢重秤精度的瓶頸。</p><p><br></p><h3><strong>Q: 基于應變片的技術如何助力于實現卓越的0.01g （10mg）精度分辨率？
</li><li><br></li></ul><p>此外，Applus+IDIADA還需要該系統易于擴展，可增加任何數量和類型的輸入和物理量，如溫度（RTD，如PT100/PT1000）、加速度計、應變計、壓力傳感器，甚至基于布拉格光柵（FBG）的傳感器，對電池組進行電氣性能、誤用、熱分析和結構完整性測試。
其內部的彈性體在負載作用下會出現微小的彈性形變，此時內置的應變計會采集形變數據并將其轉換成電信號。</p><p><br></p><p>應變計由金屬導體組成，該金屬導體作為測量柵絲附加在承載膜上。當電阻出現微小變化時，惠斯通電橋電路會檢測變化量并將其轉換為電壓信號。因此，<strong>彈性體、應變片和電子元件</strong>三者組合共同構成了稱重傳感器的核心部件。
例如，電路中的虛焊點、應變計本身性能不穩定、彈性體的應力釋放不完全以及應變片膠層有氣泡或雜質等都可能導致傳感器的輸出發生漂移。</li></ul><p>雖然漂移是不可避免的，但可以通過合理的設計和選擇適當的材料來減小其影響。此外，還可以通過溫度補償、數字補償等技術來進一步減小漂移。
