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應變應變

本文提供的資訊可協助您了解基本應變概念、應變規的運作方式,以及如何選擇適合的配置類型。決定您要使用的感測器後,即可考慮所需的軟硬體,以正確處理、擷取與顯示應變量測值。如需額外的訊號處理功能,您也可以納入考慮。

什麼應變?

 

進行機器測試與量測作業時,您需要了解物件如何對各種施力做出反應。材質變形的原因,在於受到所謂的應變施力所致。應變指的是材質長度相對於原始未受影響長度的變化比例,如圖 1 所示。應變可以是延長造成的正向應變 (張力),或是收縮造成的負向應變 (壓縮力)。材質受到單向壓縮時,往往會與此施力垂直的其他兩個方向伸展,而此一傾向又稱為蒲松效應 (Poisson Effect)。蒲松比 (Poisson’s Ratio) (v) 為此效應的量測值,可定義為橫向應變對比軸向應變的負比例。應變雖然沒有象限之分,有時也會以 in./in. 或 mm/mm 等單位表示。實際量測到的應變等級往往非常小,因此經常會使用微應變 (µε) 來表示,也就是 ε x 10-6

 

 

應變指的是材質長度相對於原始未受影響長度的變化比例

應變指的是材質長度相對於原始未受影響長度的變化比例

 

圖 1. 應變指的是材質長度相對於原始未受影響長度的變化比例。

 

 

 

四種不同的應變類型分別為:軸向、彎曲、剪力與扭力。軸向與彎曲應變是最常見的應變類型 (請參閱圖 2)。軸向應變可量測材質因為水平方向線性力所造成的延伸或壓縮程度。彎曲應變可量測材質在受到垂直方向線性力影響下,其單邊延伸與另一邊壓縮的程度。剪力應變可量測同時受到水平與垂直方向線性力影響的元件變形程度。扭力應變可量測同時影響元件的水平與垂直方向旋轉力。

 

圖 2. 軸向應變可量測材質的延伸或拉動方式。彎曲應變可量測單邊延伸與另一邊壓縮的程度。

應變

 

應變通常以應變規量測。應變規的作用是量測物體承受軸向力、彎曲力、剪切力或扭轉力時的電阻。電阻會隨著施力時與裝置中的應變量成比例變化,因此能用於量測應變量。合金 (Bonded metallic) 應變規是最廣泛使用的應變規。此金屬應變規包含相當精細的接線,更常見的配置方式,則為採格線 (Grid) 形式編排的金屬薄片。格線形式可透過平行排列的方式,最大化金屬接線或薄片的總數。格線會固定在稱為載體 (Carrier) 的輕薄內襯中,並直接附加至測試樣本。因此,測試樣本所產生的應變將直接傳輸至應變規,並於電子電阻中做出線性變化。

 

圖 3.金屬格線的電子電阻,會視測試樣本所承受的應變數量比例而異。

 

 

 

應變規的基礎參數之一,就是對應變的靈敏度,此一參數會以應變係數 (GF) 進行量化表示。GF 為「電子電阻局部變化」與「長度 (或應變) 局部變化」的比例:

 

 

 

金屬應變規的 GF 通常為 2。如需特定應變規的實際 GF,請洽詢感測器廠商,或參閱感測器使用說明。

 

實際情況來說,應變量測數值極少大於數 Millistrain (e x 10-3)。因此,若要進行應變量測,就必須精確量測電阻中產生的細微變化。舉例來說,假設測試樣本接受 500 me 的應變。若應變規的 GF 為 2,所呈現的電子電阻變化僅有 2 x (500 x 10-6) = 0.1%。針對 120 Ω 應變規,此變化僅為 0.12 Ω。

 

若要量測電阻中的細微變化,則應變規配置必須使用 Wheatstone 橋接概念。如圖 4 所示,一般的 Wheatstone 橋接會包含 4 組電阻臂 (Resistive arm) 與 1 組激發電壓 (VEX),而激發電壓會套用至整組橋接。

 

 

圖 4. 應變規使用 Wheatstone 橋接電路進行配置,以偵測細微的電阻變化。

 

 

Wheatstone 橋接為 2 組平行的分壓器電路。R1 與 R2  為第一組分壓器電路,R4 與 R3 則構成第二組分壓器電路。量測 2 組分壓器的中間節點,即可得到 Wheatstone 橋接 (Vo) 輸出。

 

 

 

從此方程式來看,當 R1/R2 = R4/R3時,電壓輸出 VO 為零。在這些條件下,橋接會達到所謂的平衡狀態。任何電阻臂的電阻若發生變化,就會產生非零的輸出電壓。因此,若將圖 4 中的 R4 替換為主動式應變規,當應變規電阻發生任何變化時,橋接將呈現非平衡狀態,並產生非零的輸出電壓。

選擇正確應變規

 

應變類型

 

應變規配置包含 1/4、1/2 與全橋接三種,判斷方式會視 Wheatstone 橋接中的主動式元件數量、應變規方向,以及所量測的應變類型而定。

 

 

1/4 橋接應變規

 

配置類型 I

 

  • 量測軸向與彎曲應變
  • 需要稱為非作動電阻器的被動式 1/4 橋接補償電阻器
  • 需要使用 1/2 橋接補償電阻器來完成 Wheatstone 橋接
  • R4 為主動式應變規,可量測張力應變 (+ε)

 

圖 5. 1/4 橋接應變規配置。

 

 

 

配置類型 II

 

在理想狀態下,應變規的電阻,應該只會對所套用的應變產生回應。然而,無論所套用應變的應變規材質或樣本材質,都會對溫度變化產生回應。1/4 橋接應變規配置類型 II 會透過橋接中的兩組應變規,進一步降低溫度造成的影響。如圖 6 所示,通常第一組應變規 (R4) 為主動式應變規,第二組應變規 (R3) 則是採近熱接觸 (close thermal contact) 方式安裝,但並未與樣本結合,而是橫越應變基礎軸線。因此,雖然該應變對此非作動應變規不會有太多影響,但是任何溫度變化都可能影響這兩組應變規。由於兩組應變規的溫度變化均相同,因此,電阻比例與輸出電壓 (Vo) 並不會發生變化,而溫度所造成的影響將可降至最低。

 

非作動應變規會消除溫度對應變量測作業造成的影響

圖 6. 非作動應變規會消除溫度對應變量測作業造成的影響。

 

 

1/2 橋接應變規

 

若在 1/2 橋接配置中同時使用兩個主動式應變規,即可讓橋接對應變的靈敏度加倍。

 

 

 

配置類型 I

 

  • 量測軸向與彎曲應變
  • 需要使用 1/2 橋接補償電阻器來完成 Wheatstone 橋接
  • R4 為主動式應變規,可量測張力應變 (+ε)
  • R3 為主動式應變規,可補償蒲松效應 (-νε)

 

此配置容易與 1/4 橋接類型 II 配置混淆,但類型 I 內含主動式 R3 元件,能與應變樣本結合。

 

配置類型 II

 

  • 僅量測彎曲應變

  • 需要使用 1/2 橋接補償電阻器來完成 Wheatstone 橋接

  • R4 為主動式應變規,可量測張力應變 (+ε)

  • R3 為主動式應變規,可量測壓縮應變 (-ε) 

圖 7. 1/2 橋接應變規的靈敏度,為 1/4 橋接應變規的兩倍以上。

 

 

 

橋接應變規

 

全橋接應變規配置具備四組主動式應變規,並提供三種不同的類型。類型 I 與 II 可量測彎曲應變,而類型 III 可量測軸向應變。只有類型 II 與 III 會補償蒲松效應,但是這三種類型都能有效減少溫度造成的影響。

 

 

 

配置類型 I:彎曲應變

 

  • 僅對彎曲應變具有高度靈敏度
  • R1 與 R3 都是主動式應變規,可量測壓縮應變 (–e)

  • R2 與 R4 都是主動式應變規,可量測張力應變 (+e)

配置類型 II

 

 

  • 僅量測彎曲應變

  • 需要使用 1/2 橋接補償電阻器來完成 Wheatstone 橋接

  • R4 為主動式應變規,可量測張力應變 (+ε)

  • R3 為主動式應變規,可量測壓縮應變 (-ε) 

  • R4 為主動式應變規,可量測張力應變 (+e)

     

 

配置類型 III:應變

 

  • 量測軸向應變

  • R1 與 R3 都是主動式應變規,可量測壓縮蒲松效應 (–νe)

  • R2 與 R4 都是主動式應變規,可量測張力應變 (+e) 

     

圖 8. 全橋接應變規配置

 

 

需要納入考量應變規格

 

決定好想要量測的應變類型 (軸向或彎曲) 後,還需將靈敏度、成本與作業條件等因素納入考量。 針對同一個應變規,只要變更其橋接配置,即可提升其應變靈敏度。舉例來說,全橋接類型 I 配置的靈敏度,可達 1/4 橋接類型 I 配置的四倍以上。然而,全橋接類型 I 也比 1/4 橋接類型 I 多出三組應變規,且需同時銜接應變結構的兩側。此外,全橋接應變規往往比 1/2 橋接或 1/4 橋接應變規昂貴不少。如需各類型應變規的摘要,請參閱下表。

寬度

 

使用較寬的格線 (如果無需受安裝地點限制),可提升散熱效能,並強化應變規的穩定度。不過,如果測試樣本與應變主軸之間有著嚴重的垂直應變梯度變化,請考慮使用較窄的格線,以有效減少剪力應變及蒲松應變效應所產生的錯誤。

 

 

應變電阻

 

應變規額定電阻為應變規在未應變位置時的電阻。如需特定應變規的應變規額定電阻,請洽詢感測器廠商,或參閱感測器使用說明。最常見的商用應變規額定電阻值為 120 Ω、350 Ω 與 1,000 Ω。請考慮使用較高的額定電阻,以減少激發電壓產生的熱量。較高的額定電阻也有助於減少訊號變化,導線在溫度波動下出現電阻變化,即有可能造成此一訊號變化。

 

 

溫度補償

 

在理想情況下,應變規電阻僅會隨著應變做出變化。不過,應變規的電阻性與靈敏度,都會隨著溫度產生變化,進而導致量測錯誤。許多應變規製造商會對應變規材質進行加工,以補償樣本材質的熱傳導性 (Thermal expansion),將應變規的溫度敏感度降至最低。這些具溫度補償特性的橋接配置,可避免溫度影響量測結果。另外,也請考慮使用有助於補償溫度波動影響的配置類型。

 

 

 

安裝

 

安裝應變規極為耗時費力,且根據橋接配置的不同,所需的應變規數量亦有差異。黏式應變規的數量、接線數量、安裝位置等,都會影響安裝效果。特定橋接配置甚至必須在結構的另一側安裝應變規,導致難度更高,甚或完全不可行。1/4 橋接類型 I 為最簡單的橋接配置,僅需安裝一組應變規與兩到三組接線。

 

 

配置類型 I配置類型 II:僅限彎曲應變

 

配置類型 I配置類型 II
  • 量測軸向與彎曲應變

  • 需要使用 1/2 橋接補償電阻器來完成 Wheatstone 橋接

  • R4 為主動式應變規,可量測張力應變 (+ε)

  • R3 為主動式應變規,可補償蒲松效應 (-νε)

此配置容易與 1/4 橋接類型 II 配置混淆,但類型 I 內含主動式 R3 元件,能與應變樣本結合。

  • 僅量測彎曲應變

  • 需要使用 1/2 橋接補償電阻器來完成 Wheatstone 橋接

  • R4 為主動式應變規,可量測張力應變 (+ε)

  • R3 為主動式應變規,可量測壓縮應變 (-ε) 

 

 

配置類型 I:僅限彎曲應變配置類型 II:僅限彎曲應變配置類型 III:僅限軸向應變

配置 I - 僅限彎曲應變

 

配置 II - 僅限彎曲應變

配置 III - 僅限軸向應變

配置類型 I配置類型 II配置類型 III 
  • 僅對彎曲應變具有高度靈敏度
  • R1 與 R3 都是主動式應變規,可量測壓縮應變 (–e)

  • R2 與 R4 都是主動式應變規,可量測張力應變 (+e)

  • 僅對彎曲應變具有靈敏度
  • R1 為主動式應變規,可量測壓縮蒲松效應 (-νe)

  • R2 為主動式應變規,可量測張力蒲松效應 (+νe)

  • R3 為主動式應變規,可量測壓縮應變 (–e)

  • R4 為主動式應變規,可量測張力應變 (+e)

  • 量測軸向應變

  • R1 與 R3 都是主動式應變規,可量測壓縮蒲松效應 (–νe)

  • R2 與 R4 都是主動式應變規,可量測張力應變 (+e) 

 

量測類型

1/4 橋接

1/2 橋接

全橋接

類型 I

類型 II

類型 I

類型 II

類型 I

類型 II

類型 III

軸向應變

彎曲應變

補償

 

 

 

 

 

 

 

橫向靈敏度

溫度

敏感度

 

 

 

 

 

 

 

靈敏度為 1000 µε

~0.5 mV/V

~0.5 mV/V

~0.65 mV/V

~1.0 mV/V

~2.0 mV/V

~1.3 mV/V

~1.3 mV/V

安裝

 

 

 

 

 

 

 

黏式應變規數量

1

1*

2

2

4

4

4

安裝位置

單側

單側

單側

兩側

兩側

兩側

兩側

接線數量

2 或 3

3

3

3

4

4

4

橋接補償電阻器

3

2

2

2

0

0

0

*第二組應變規採取近熱接觸 (close thermal contact) 的方式安裝至結構中,但並未相連。

 

應變訊號處理功能

 

應變規量測方式非常複雜,許多因素都會影響其量測效能。因此,若要產生可靠的量測值,就必須適當地選擇並使用橋接、訊號處理、接線與 DAQ 元件。例如,由應變規應用所產生的電阻變化與應變,會在沒有施加應變時產生某些初始偏移電壓。同理,長導線會增加橋接臂的電阻,除了發生偏移錯誤之外,亦將失去對橋接輸出的靈敏度。 為了準確量測應變,請考慮進行下列作業:

 

  • 在選用 1/4 橋接或 1/2 橋接應變規時,透過橋接補償來完成必要的電路
  • 透過激發來驅動 Wheatstone 橋接電路
  • 透過遠端感測功能來補償長距離引線的激發電壓錯誤
  • 透過放大電流來增加量測解析度,並提升訊噪比
  • 透過濾波來移除外來的高頻雜訊
  • 在未使用應變時,透過偏移消除將橋接電壓平衡為輸出 0 V
  • 透過分流器校準來驗證橋接輸出電壓是否為已知的預期數值

 

如需了解如何補償這些錯誤,並檢閱應變量測的其他硬體考量因素,請下載準確進行感測器量測的工程師指南

應變連接至 NI 硬體

 

了解自己的感測器或測試需求後,接下來就必須決定用於收集資料的硬體。 擷取硬體的品質好壞,決定了收集資料的品質。

 

NI 提供一系列歷經精心設計的應變/橋接硬體,可擷取應變資料,並相容於各種應變規感測器。

簡易硬體設定

配對應變建議使用硬體

CompactDAQ Strain and Load Measurement Bundle 提供結合應變/橋接輸入模組與 CompactDAQ 機箱的組合,能簡化應變規感測器的連接作業。

適用於應變其他產品

 

下列產品可與應變規感測器相互介接。這些產品也可用於量測壓力、力量、負載與轉矩。深入了解如何以橋接式或其他壓力感測器量測壓力以橋接式感測器量測荷重,或是以橋接式感測器量測轉矩,以挑選可搭配 NI 產品使用的適當感測器。