初識應變片

之前在做平衡車的時候，有一個提起車輛的檢測需要，使用的是應變片，我們把它貼在車體的中間部位，當車輛提起，兩段的輪子重力向下，于是在中間提手的位置就會產(chǎn)生應力變形，如此一來，我們就可以檢測到車輛被提起了。

不過，從現(xiàn)在對應變片的了解看來，當時雖然實現(xiàn)了功能，對于應變片的應用真的是屬于瞎用，用的一點都不好，也不對，功能的實現(xiàn)純屬于瞎貓碰見死耗子了。

所以，為了彌補知識的欠缺，還是得從頭學習一下應變片及其檢測的相關(guān)知識。

應變片，也稱為應變計，它是疲勞測量和材料測試的關(guān)鍵工具。無論是在結(jié)構(gòu)耐久性測試，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控, 還是各種儀器儀表，傳感器生產(chǎn)制造上面，都有廣泛的應用，對于我們普通人，接觸最多的就是體重秤。這玩意從大到飛機機翼疲勞試驗、小到印刷電路板應變測試，再到橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測和殘余應力分析， 幾乎涵蓋了所有關(guān)于材料應力水平測定場景。

他的原理其實非常簡單，就是利用的金屬材料的阻性原理，有一些材料的電阻和他的體積成線性關(guān)系，比如我們把一跟金屬絲拉長，那么他的電阻值就會相應的變大，因為金屬絲變長變細了，可以理解為電流的通道變窄了，于是內(nèi)阻變大了。這個很容易理解。

于是，我們講這樣的金屬絲轉(zhuǎn)換為一些印制線，印刷在板子上面，但是FR4的PCB板肯定不行，F(xiàn)R4本身有硬度，所以需要軟板的材質(zhì)，這里其實是聚酰亞胺膜，其實就是高溫膠帶不帶膠。為了讓電阻變化更明顯，同時縮小傳感器的體積，我們可以講更長的金屬線走成蛇形，一舉兩得。放大了看，它就變成了這個樣子。

應變片的選擇有很多參數(shù)，最重要的就是他的電阻，也就是在靜止狀態(tài)下，這條金屬絲呈現(xiàn)的電阻，因為我們要檢測它的組織變化，初始狀態(tài)下，它肯定有一個初始的阻值，當它被拉長或者壓縮，這個阻值會隨之變大或者變小。

這個初始阻值一般會在120R ~ 1K之間，這樣的范圍肯定是綜合了尺寸，精度，功耗等各方面的因素，因此我們在選擇應變片的時候要注意他的這個阻值，下面是選型時的考量。

其次，我們還要關(guān)注應變片的幾何尺寸，應變片可是花花哨哨的，不像我們上圖那樣工工整整，因為我們的結(jié)構(gòu)件形變的樣式也是五花八門，因此我們需要各種各樣的應變片花去對應。這里簡單列舉：

可能看到這，有些懵，不怕，我們慢慢來研究它。

假如，我們想檢測一個力，我們設定一個場景。

如上圖所示，我們固定標號1的位置，然后從標號2的位置向下施加一個力，那么這個藍色的物理表面一定會有微型應變，目前我們的物理學肯定還找不到向水滴那樣堅硬的物質(zhì)吧。

所以，我們貼在上面的應變片一定是橫向拉絲的，否則電阻變化就不足夠大了。所以基于這樣的原理，我們首先需要明確我們要測量的力，然后根據(jù)力和固定點去仿真推測結(jié)構(gòu)件的變形方向，然后我們就可以去選擇應變片的花樣了。

第三個參數(shù)就是應變片的引出線，最常見的其實是已經(jīng)引出線纜的，這種一般是使用漆包線印出來，好處是使用起來靈活，粘貼到某個部位后，職級把引線焊接到PCB板上就行。但是直接出焊盤的就需要注意，我們焊接后，板子在加載時有移動的風險是，這個加載卸載的過程會影響到我們的應變片，所以我們可以變通一下，如下圖這樣引出焊盤。

你可以理解為這是一個緩沖，或者類比電信號的上一個濾波器。

下面我們看第四個參數(shù)，熱膨脹系數(shù)。

如果溫度變化， 惠斯通 1/4 橋電路（這個電橋我們下一篇重點聊） 單獨連接的應變片將顯示輸出信號。這個信號被稱為“表觀應變”或“熱輸出”，并且獨立于測試對象上的機械負載。

但是，可以將應變片調(diào)整為特定材料的熱膨脹系數(shù)，使得在溫度變化的情況下輸出信號非常小。這種應變計被稱為“溫度響應匹配”或“自補償”應變片。

為了匹配溫度響應，必須根據(jù)測試材料的熱膨脹系數(shù)α來選擇應變片。下面的參數(shù)可以參考

我搞電子的，也不是很懂。

第五個參數(shù)也很重要，那就是敏感柵的長度，也就是拉絲的長度。

應變片的測量柵絲長度取決于測量的目的，因為使用應變片測量的結(jié)果是測量柵絲區(qū)域的平均應變。

一般來說，測量柵絲長度為3或6毫米（0.118或0.236英寸）。

如果存在不均勻的材料，如混凝土或木材，應該使用長測量柵絲。長的測量柵絲將彌補工件的不均勻性。

短的測量柵絲適合于檢測局部應變。因此它們適用于測定應變梯度，缺口應力的最大點或類似應力。