1.0 緒論

作為任何應(yīng)變計安裝的準(zhǔn)備，首先要為測試任務(wù)選擇合適的應(yīng)變計，應(yīng)變計的選擇初看十分簡單，不似應(yīng)力分析的關(guān)鍵步驟，而事實恰恰相反，仔細(xì)合理地選擇應(yīng)變計的特性和參數(shù)會顯得十分重要：可針對指定環(huán)境和操作條件優(yōu)化應(yīng)變計性能、獲取準(zhǔn)確和可靠的應(yīng)變測試、最大限度降低應(yīng)變計安裝的整體費用。

應(yīng)變計的安裝和工作特性受到以下參數(shù)影響，并可從不同角度予以選擇：

. 應(yīng)變絲合金材質(zhì)
. 基底材料 (載體)
. 絲柵電阻
. 應(yīng)變計圖案
. 溫度自補償編號
. 應(yīng)變計長度
. 可選項

基本上，應(yīng)變計的選擇過程就是確定與環(huán)境及其他操作條件精確匹配的參數(shù)，同時確保最佳安裝和不受條件制約，所謂的條件制約通常由以下需求而形成，諸如：

. 精度 . 測試持續(xù)時間
. 穩(wěn)定性 . 循環(huán)持久性
. 溫度 . 安裝難易度
. 伸長率 . 環(huán)境

在選擇應(yīng)變計時，應(yīng)變計的本身價格一般不作為考慮的根本因素，因為整個測試裝置的整體價格才是有意義的經(jīng)濟測量，而應(yīng)變計的費用往往只在其中占很小比重。在很多場合，選擇應(yīng)變計的系列和附加性能會增加費用，但卻可以降低裝置的成本。

在選擇應(yīng)變計的過程中，還必須認(rèn)識到折衷的重要，這是因為符合某一個制約或需求的參數(shù)選擇，可能和另一個大相徑庭。例如小半徑的環(huán)狀帶測試，可供應(yīng)變計安裝的空間非常有限，應(yīng)變的變化率有非常大，顯而易見要選擇一種盡可能短小的應(yīng)變計，然而，長度小于0.125 in [3 mm]的應(yīng)變計，通常最大伸長率較低、疲勞壽命短、穩(wěn)定性差和安裝難度大。另一個經(jīng)常影響應(yīng)變計的選擇和引起折衷考慮的情況是，如何為日復(fù)一日進(jìn)行應(yīng)變測試做相應(yīng)的庫存。當(dāng)折衷不可避免之時，我們必須完全明確為符

合應(yīng)變計安裝要求所進(jìn)行的折衷，會給應(yīng)力測試帶來什么結(jié)果。對于在任何特定情況下做出最佳整體折衷，并評判測試數(shù)據(jù)的精確性與有效性，這種明確的理解是必須的。

這里考慮到的應(yīng)變計選擇標(biāo)準(zhǔn)主要同應(yīng)力分析的應(yīng)用相關(guān)。應(yīng)用于傳感器彈性體的應(yīng)變計的選擇標(biāo)準(zhǔn)，與這里提及的許多方面非常相似，但對不同應(yīng)用有顯著區(qū)別，因此應(yīng)當(dāng)區(qū)別對待。Vishay Micro-Measurements的傳感器應(yīng)用部門可對這方面的選擇提供相關(guān)幫助。

2.0 應(yīng)變計選擇參數(shù)
2.1 應(yīng)變感應(yīng)合金材料

決定應(yīng)變計工作性能的主要因素是用于制造金屬箔柵格的應(yīng)變感應(yīng)合金材料。但是，合金材料并非在任何情況下都是一個可以獨立選擇的參數(shù)。這是因為Vishay Micro-Measurements的每一個應(yīng)變計系列（以型號的前兩或三個字母表示），是被設(shè)計成一個完整體系的。這樣的體系是由一個特殊的金屬箔材與基底的組合所構(gòu)成，并包括附加的應(yīng)變計結(jié)構(gòu)組合（諸如覆蓋層、引線、焊接點等）。

Vishay Micro-Measurements 供應(yīng)以下種類的應(yīng)變計合金材料（以及各自的代表字母）：

A: 溫度自補償康銅
P: 退火康銅
D: 等彈性合金
K: 鎳-鉻合金，溫度自補償改性卡馬合金

2.1.1 康銅合金

在所有現(xiàn)代應(yīng)變計的合金材料中，康銅是歷史最悠久的，而且仍是使用最廣泛的。這種情況反映了這樣一個事實，對于許多應(yīng)變計的應(yīng)用而言，康銅具有最佳的整體綜合性能。比如，這種合金有一個足夠高的應(yīng)變靈敏度，或靈敏系數(shù)（gage factor），而對于應(yīng)變級別和溫度相對不敏感。其電阻率足夠的高，這樣即便是很小的柵格也能達(dá)到合適的電阻值，并且其電阻的溫度系數(shù)也不是很大。此外，康銅具有很好的疲勞壽命以及比較大的延長性能。但必須注意，在溫度超過+150°F [+65°C]的情況下，康銅往往呈現(xiàn)出連續(xù)的漂移；在測試持續(xù)數(shù)小時乃至數(shù)天的情況下，應(yīng)變計的零點穩(wěn)定性至關(guān)重要，這一特性必須被加以考慮。

很重要的是，康銅可被加工為自我溫度補償（見右框），以配合各類測試材料的膨脹系數(shù)。A合金是按自我溫度補償（S-T-C）的號碼00，03，05，06，09，13，15，18，30，40和50來選擇，用于同測試材料的對應(yīng)熱膨脹系數(shù)（用ppm/ ° F表示）相匹配。

對于測量5%(50,000με)或更大的應(yīng)變，退火康銅（P合金）通常是柵格材料的首選。這種康銅擁有很好的延展性，柵長0.125 in [3 mm]的應(yīng)變計，可以達(dá)到大于20%的應(yīng)變。但是，應(yīng)當(dāng)緊記，在高循環(huán)應(yīng)變加載下，在每一個循環(huán)周期里，P合金會表現(xiàn)出一些永久的電阻變化，從而造成應(yīng)變計相應(yīng)的零點漂移。由于這個特點，為避免應(yīng)變計在應(yīng)變重復(fù)加載中過早失效的傾向，通常并不建議在循環(huán)應(yīng)變測試中采用P合金。P合金可供選擇的自我溫度補償（S-T-C）號碼為08和40，分別對應(yīng)相應(yīng)的金屬與塑料材料。

2.1.2 等彈性合金

當(dāng)需要測量純粹的動態(tài)應(yīng)變——也就是說，不需要保證一個穩(wěn)定的參考零點——等彈性合金（isoelastic，D合金）具有一定的優(yōu)勢。與A合金相比，主要表現(xiàn)在，出色的疲勞壽命，以及更高的靈敏系數(shù)（大約3.2）以改善動態(tài)測試中的信噪比。

D合金并不能實現(xiàn)自我溫度補償。此外，如圖所示（見框中），其熱輸出非常高（大約80με/° F [140με/° C]），使得這種合金往往無法適用于靜態(tài)應(yīng)變測量。但是，有的情況下，D合金可應(yīng)用于需要高輸出信號的特殊用途傳感器，此時可運用全橋電路來實現(xiàn)適當(dāng)?shù)臏囟妊a償。

當(dāng)考慮選擇這種柵格材料的時候，D合金的一些其他特性同樣應(yīng)當(dāng)被指出。比如，它是一種磁阻材料；并且它對應(yīng)變的反應(yīng)有些非線性，當(dāng)應(yīng)變大小在±5000με以外時尤其顯著。

2.1.3卡馬合金

改性卡馬，或K合金，由于它的應(yīng)用范圍非常廣，使其成為應(yīng)變計合金家族中的一個重要成員。這種合金具有良好的疲勞壽命和極佳的穩(wěn)定性；作為精確的靜態(tài)應(yīng)變測量的首選，室溫下可以長時間測量（數(shù)月或數(shù)年），或在較短的時期內(nèi)高溫測量。推薦用于長期靜態(tài)應(yīng)變測量，溫度范圍–452° ~ +500°F [–269° ~ +260°C]。在較短的時期內(nèi)，帶覆蓋的K合金應(yīng)變計可應(yīng)用的最高溫度為+750°F [+400°C]。在惰性氣體的氛圍中有助于提高在高溫下的穩(wěn)定性以及延長應(yīng)變計的使用壽命。

除了其他的優(yōu)點，相比A合金，K合金的熱輸出曲線更為平滑，從而可以在極端溫度下對熱輸出誤差進(jìn)行更為精確的修正。同康銅一樣，K合金可以針對不同熱膨脹系數(shù)的材料進(jìn)行自我溫度補償。但K合金可以供選擇的S-T-C號


碼有限，有以下幾種：00, 03, 05, 06, 09, 13, 以及15。通常，當(dāng)需要一款溫度補償應(yīng)變計，而A合金無法達(dá)到環(huán)境條件以及性能特點的要求時，K合金將是很好的選擇。

由于直接在K合金上焊接非常困難，Vishay Micro-Measurements采用雙面銅焊盤（duplex copper feature），過去這是一個可選項，如今已經(jīng)成為我們所有K合金開放式應(yīng)變計的標(biāo)準(zhǔn)配置。雙面銅焊盤是一個精密加工的銅焊盤（DP）或焊點（DD），這取決于可焊接區(qū)域的大小。所有不帶引線或焊接點的K合金應(yīng)變計，都在名稱中明確標(biāo)注了DP或DD（位于可選項，或附加說明）。對于特殊形式的銅處理，聯(lián)系我們的客戶服務(wù)部門可以得到具體的建議。開放式的K合金應(yīng)變計同樣可以定制焊接點。

自我溫度補償

康銅和改性卡馬應(yīng)變計合金共同擁有一種特性，它們能夠通過特殊的工藝處理實現(xiàn)自我溫度補償。自我溫度補償應(yīng)變計被設(shè)計成能夠產(chǎn)生最低的熱輸出（溫度變化引起顯示應(yīng)變變化），溫度范圍約–50° ~ +400°F [–45° ~ +200°C]。不論選擇康銅（A合金）還是改性卡馬（K合金）應(yīng)變計，自我溫度補償（S-T-C）號碼必須明確說明。S-T-C號碼是以ppm/°F為單位的熱膨脹系數(shù)的近似值，以保證相應(yīng)的應(yīng)變計在測試材料上顯示出最小的熱輸出值。
附圖說明了A和K合金的典型的熱輸出特性。未補償過的等彈性合金的熱輸出同樣列在圖中，以供對比。通常情況下，可根據(jù)測試材料的熱膨脹系數(shù)，來選擇最接近的A和K合金應(yīng)變計的S-T-C號碼。然而，在一定的特殊溫度范圍內(nèi)，這些合金的熱輸出曲線可以按室溫參考溫度點為軸而旋轉(zhuǎn)。這是由于在特定的方向上錯誤的匹配了S-T-C號碼與膨脹系數(shù)。當(dāng)選擇的S-T-C號碼小于膨脹系數(shù)，曲線可按逆時針方向旋轉(zhuǎn)。相反的匹配將造成曲線順時針旋轉(zhuǎn)。顯然，在S-T-C錯配的情況下，A和K合金原有的熱輸出曲線將不再適用，一般情況下，作為溫度的函數(shù)，熱輸出需要進(jìn)行校準(zhǔn)。

若需要了解更多應(yīng)變計受溫度影響的信息，請參閱Tech Note TN-504。



2.2 基底材料

傳統(tǒng)的金屬箔式應(yīng)變計結(jié)構(gòu)包括了一個光蝕刻的金屬箔圖案，安裝于一個塑料基底或載體上?；滋峁┝巳舾芍匾δ埽?

. 提供了一種安裝金屬箔圖案的手段
. 提供了一種易于粘結(jié)的表面，使應(yīng)變計能與待測物粘合
. 為金屬箔與測試對象間提供了絕緣層

Vishay Micro-Measurements提供了兩種基本的應(yīng)變計基底材料：聚酰亞胺，以及玻璃纖維增強環(huán)氧-酚醛。與應(yīng)變感應(yīng)合金一樣，基底材料并不是一個獨立可選的參數(shù)。特定的基底與合金的組合，加上特殊結(jié)構(gòu)特點，被設(shè)計成為一個系統(tǒng)，并給予應(yīng)變計系列命名。因此，當(dāng)為某一特定的應(yīng)用選擇最佳應(yīng)變計型號時，正確的過程并非任意選取合金與基底材料的組合，而是需要指定一個可用的應(yīng)變計系列。Vishay Micro-Measurements應(yīng)變計系列以及他們的特性將在下一章節(jié)2.3中詳細(xì)描述。每個系列都有其自身的特點和推薦應(yīng)用領(lǐng)域；后續(xù)的表格中給出了選擇建議。這里單獨討論基底材料，如同前一章節(jié)里討論合金材料一樣，以幫助理解由合金與基底材料導(dǎo)致的各個系列的特點。

Vishay Micro-Measurements的聚酰亞胺E基底是一種特別柔韌的載體，可以輕易的彎曲以適應(yīng)很小的半徑。此外，金屬箔與聚酰亞胺基底的高剝離強度，使得該基底應(yīng)變計對安裝過程中的機械損傷較不敏感。由于其易于處理，以及適用溫度范圍寬于–320° ~ +350°F [–195° ~ +175°C]，聚酰亞胺是一種理想的基底材料，適合于一般用途的靜態(tài)與動態(tài)應(yīng)力分析。這種基底還能夠進(jìn)行大的延伸，并可以用來測量超過20%的塑料應(yīng)變。聚酰亞胺基底是Vishay Micro-Measurements的EA-, CEA-, EP-, EK-, S2K-, N2A-, 以及ED-系列應(yīng)變計的一個特色。

為了在較廣泛的溫度范圍內(nèi)獲得出色的表現(xiàn)，玻璃纖維增強環(huán)氧-酚醛基底材料是最合適的選擇。這種基底可以在溫度范圍–452° ~ +550°F [–269° ~ +290°C]內(nèi)進(jìn)行靜態(tài)與動態(tài)應(yīng)變測量。對于短時間應(yīng)用，溫度上限可以擴大到+750°F [+400°C]。但是，這種載體材料的最大延長量是有限的，大約1~2%，增強環(huán)氧-酚醛基底用在下列應(yīng)變計系列：WA, WK, SA, SK, WD, 以及SD。

2.3 應(yīng)變計系列

正如2.1和2.2節(jié)中提到的，應(yīng)變感應(yīng)合金和基底材料并不能完全獨立選擇和任意組合。相反的，選擇必須出于現(xiàn)有的應(yīng)變計系統(tǒng)，或者稱為系列，每個系列通常包括特殊設(shè)計或結(jié)構(gòu)特色，以及合金與基底材料的特殊組合。為了滿足特定的測試需求而方便識別合適的應(yīng)變計系列，下頁的兩張表格以簡表形式，列出關(guān)于應(yīng)變計系列的性能以及選擇方法的信息。

第一張表給出了所有通用Vishay Micro-Measurements應(yīng)變計系列的簡單介紹——包括每個系列的合金與基底組合，以及主要結(jié)構(gòu)特色。這張表定義了每個系列的工作溫度范圍，應(yīng)變范圍，以及與應(yīng)變級別相關(guān)的循環(huán)耐久度。但是，必須注意，性能參數(shù)只是標(biāo)稱的，并主要適用于柵長0.125 in [3 mm]或更大的應(yīng)變計。

第二張表根據(jù)具體測試的“概況”，或測試要求組合，給出了推薦的應(yīng)變計系列，分類遵循以下原則：

. 應(yīng)變測量類型(靜態(tài)，動態(tài)，等)
. 應(yīng)變計的工作溫度
. 測試持續(xù)時間
. 精度要求
. 循環(huán)耐久度要求

這張表為大多數(shù)傳統(tǒng)應(yīng)用提供了初步選擇應(yīng)變計系列的基本手段。同時也包括推薦的粘合劑，因為粘合劑會成為應(yīng)變計安裝后的系統(tǒng)的一部分，并相應(yīng)的影響到應(yīng)變計的性能。此選擇表，輔以第一張表的信息，用來配合我們的《精密應(yīng)變計數(shù)據(jù)手冊》，以完成最終的選型。實現(xiàn)這一過程的程序參見本資料的3.0節(jié)。

當(dāng)一個測試遇到所需條件超出表中所列范圍時，通?？梢约僭O(shè)測試要求達(dá)到或超過了可選應(yīng)變計的性能極限。在這樣的條件下，應(yīng)變計性能特點的相互作用變得非常復(fù)雜，從而無法在一個簡單的表格中給出。遇到這種情況，用戶請詢問我們的應(yīng)用工程部，以得到最佳的折衷方案。

正如表格中顯示的，CEA系列通常是常規(guī)應(yīng)變測量的首選，對性能及環(huán)境沒有極端要求（并且不要求極小的尺寸，或特殊的柵格式樣）。CEA系列是聚酰亞胺基底-覆蓋，A合金應(yīng)變計，帶鍍銅粗糙大焊盤，以方便直接在應(yīng)變計上焊接引線（參見下圖）。這種薄的柔韌的應(yīng)變計可以彎曲成幾乎任意半徑。對于綜合的操作性能，比如，方便，不易損傷等，CEA系列應(yīng)變計是非常優(yōu)秀的。




標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變計系列選擇表






2.4 柵格長度

應(yīng)變計的柵格長度是柵格的應(yīng)變敏感區(qū)域的長度，如圖所示。末端彎曲和焊盤部分可被認(rèn)為對應(yīng)變不敏感，因為他們的截面積相對較大，并且電阻較低。為滿足廣泛的實驗應(yīng)力分析和傳感器應(yīng)用的需要，Vishay Micro-Measurements提供的柵格長度范圍從0.008 in [0.2 mm] 到4 in [100 mm]。



在一組給定的條件下，柵長常常是一個非常重要的決定應(yīng)變計性能的因素。例如，應(yīng)變測量通常取在機器零件或結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵點上——也就是說，在應(yīng)力最高的點上。通常高應(yīng)力點意味著應(yīng)力集中，應(yīng)變的梯度非常陡峭，并且最大的應(yīng)變集中在一個非常小的區(qū)域中。應(yīng)變計趨于整合，或平均，柵格覆蓋區(qū)域的應(yīng)變。因為任意不均勻分布的應(yīng)變的平均值總是小于極大值，所以當(dāng)應(yīng)變計明顯大于應(yīng)變極大區(qū)域時所顯示的應(yīng)變量值就會太小了。下圖顯示了一個典型的應(yīng)力集中區(qū)域附近的應(yīng)變分布，示意了使用相比峰值應(yīng)變區(qū)域過長的應(yīng)變計測量所產(chǎn)生的誤差。



作為一個經(jīng)驗法則，在實踐中，對于小孔，圓角，凹槽，或任何其它需要測量的集中應(yīng)力的結(jié)構(gòu)，應(yīng)變計柵長應(yīng)不大于他們的半徑的0.1倍，或相應(yīng)尺寸。對于尺寸明顯小于0.5 in [13 mm]的集中應(yīng)力的結(jié)構(gòu)，這一經(jīng)驗法則會導(dǎo)致選取非常小的應(yīng)變計。由于選用小應(yīng)變計可能導(dǎo)致許多其它問題，因此往往需要折衷。

柵長小于0.125 in [3 mm]的應(yīng)變計的性能會降低——特別是最大允許延長量，靜態(tài)應(yīng)變下的穩(wěn)定性，循環(huán)應(yīng)變下的耐久性。當(dāng)其中任意一項的權(quán)重大于取平均應(yīng)變導(dǎo)致的精度損失，就需要用更大的應(yīng)變計。

當(dāng)可以使用較大的應(yīng)變計時，許多優(yōu)點值得注意。不論是安裝還是接線過程，幾乎在每一個方面，大應(yīng)變計（柵長最大0.5 in或13 mm）通常都比小應(yīng)變計更容易操作。此外，大應(yīng)變計改善了散熱，因為同樣的電阻大小，大應(yīng)變計的單位柵格面積功率更小。當(dāng)應(yīng)變計安裝在塑料或其他導(dǎo)熱能力很差的材料上時，這點非常重要。不充分的散熱將導(dǎo)致柵格、基底、粘合劑和測試件表面的溫度升高，從而明顯影響應(yīng)變計的性能和精度（參見Tech Note TN-502, Optimizing Strain Gage Excitation Levels）。

另外還有一種大應(yīng)變計的應(yīng)用——通常用到非常大的應(yīng)變計——非均勻材料的應(yīng)變測量。以混凝土為例，混凝

土是集料（石，沙）和水泥的混合物。當(dāng)測量混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)變時，通常希望使用足夠長的應(yīng)變計以跨越多個集料，從而測量有代表性的應(yīng)變。換句話說，這種情況下往往尋求平均應(yīng)變，而不是集料與水泥之間相互作用導(dǎo)致的局部劇烈應(yīng)變波動。一般來說，當(dāng)測量任意復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)變時，柵長應(yīng)當(dāng)足夠的大，以考慮到材料的不均勻性。

在常規(guī)應(yīng)用中，不需要考慮上述規(guī)則，可選擇柵長0.125至0.25 in [3至6 mm]的應(yīng)變計。這個范圍內(nèi)有最多可供選擇的式樣和存貨。此外，特大或特小的尺寸通常價格更高，并且特大應(yīng)變計并不能顯著提升疲勞壽命、穩(wěn)定性或最大延伸量，而特小應(yīng)變計通常在這些特性上表現(xiàn)不佳。

2.5 柵格式樣

柵格式樣包括，柵格的形狀，多柵格應(yīng)變計的柵格數(shù)量與方向，焊盤結(jié)構(gòu)，以及特殊式樣的多種標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)特色。關(guān)于柵格和焊盤結(jié)構(gòu)的詳細(xì)信息，在我們的《應(yīng)變計數(shù)據(jù)手冊》中“柵格式樣”一欄有說明。列表中多種多樣的式樣可以充分滿足常規(guī)應(yīng)變計安裝和應(yīng)變測試的要求。

對于單柵應(yīng)變計，一個式樣是否適合某個特殊應(yīng)用，主要取決于以下幾點：

焊盤——顯然，它們的大小和方向應(yīng)當(dāng)與可安裝位置的空間相一致。同樣重要的是，焊盤的安排不能嚴(yán)重影響到操作者正確接線的熟練程度。
柵格寬度——當(dāng)很大的應(yīng)力梯度與應(yīng)變計測量軸垂直，一個窄的應(yīng)變計將減少誤差。在安裝位置允許并適合的情況下，更寬的應(yīng)變計有助于改善散熱并提高穩(wěn)定性——特別是應(yīng)變計將被安裝在導(dǎo)熱能力不強的材料或測試件的情況下。
電阻值——某些情況下，同一系列兩種式樣應(yīng)變計的唯一區(qū)別，在于柵格電阻——標(biāo)準(zhǔn)的是120歐姆與350歐姆。當(dāng)選擇存在時，更高的電阻會被選用，因為它能減少熱量輸出（加載同樣的電壓）。高電阻的另一個優(yōu)勢在于減少導(dǎo)線的影響，諸如由于導(dǎo)線電阻導(dǎo)致的電路不敏感，以及由溫度波動引起的導(dǎo)線電阻變化導(dǎo)致的信號不穩(wěn)。同樣的，當(dāng)應(yīng)變計環(huán)路包含開關(guān)、滑環(huán)或其他電阻隨機變化源時，在同樣的工作電壓下，高電阻能夠提高信噪比。

在實驗應(yīng)力分析中，單柵應(yīng)變計通常僅用于測試點應(yīng)力狀態(tài)已知為單軸，而且主軸方向的精度誤差合理(±5°)的情況。

這些規(guī)則嚴(yán)重限制了單柵應(yīng)變計在應(yīng)力分析中的應(yīng)用意義。使用單柵片無法考慮到雙軸應(yīng)力狀態(tài)，將導(dǎo)致推算出的應(yīng)力大小存在巨大誤差。



對于一個雙軸應(yīng)力狀態(tài)——通常應(yīng)變測量必需的情形——雙柵或三柵的應(yīng)變花被用來確定主應(yīng)力。若已知應(yīng)力主軸方向，可以使用一個雙柵90度（或T型）應(yīng)變花，將柵格的軸與主軸對齊來測量。主軸方向有時可以從諸多因素中足夠準(zhǔn)確的找到。例如，從測試物體的外形和加載的類型，可能從對稱的情形明顯辨別出主軸方向，比如圓柱形壓力容器。主軸也可以用光應(yīng)力檢測方法找到。

表面應(yīng)力最普通的情況是，從其他因素?zé)o法推斷主軸方向，此時必須用三柵應(yīng)變花來獲得主應(yīng)力大小。應(yīng)變花可以按任意方向安裝，但通常將它的一個柵格沿著測試物體的某一明顯的方向安裝。三柵應(yīng)變花有兩種可供選擇，45度矩形，和60度三角結(jié)構(gòu)。通常的選擇是矩形應(yīng)變花，因為這種結(jié)構(gòu)在數(shù)據(jù)處理上相對簡單。



當(dāng)使用應(yīng)變花時，必須認(rèn)真考慮單層應(yīng)變花和層疊應(yīng)變花之間的性能差異。對于任意給定柵長，單層應(yīng)變花總是在許多方面優(yōu)于層疊應(yīng)變花，包括與測試件之間的熱傳導(dǎo)，通常為靜態(tài)測量提供更好的穩(wěn)定性和精度。此外，當(dāng)測試表面存在一個明顯的垂直應(yīng)變梯度時（比如彎曲），單層應(yīng)變花將提供更精確的應(yīng)變數(shù)據(jù)，因為它所有的柵格幾乎在同一個測試平面上。還有一點，比起單層應(yīng)變花，層疊應(yīng)變花通常在貼合測試表面輪廓上更困難。



另一方面，經(jīng)常發(fā)生這樣的情況，當(dāng)測試平面存在很大的應(yīng)變梯度時，單層應(yīng)變花會因為各個柵格的數(shù)據(jù)采自不同的點而產(chǎn)生誤差。對于這樣的應(yīng)用，層疊應(yīng)變花通常更適合。而且當(dāng)安裝應(yīng)變花的空間有限時，層疊應(yīng)變花也有優(yōu)勢。



2.6 可選擇項


Vishay Micro-Measurements為應(yīng)變計和特殊傳感器提供了可選組合。在基本應(yīng)變計結(jié)構(gòu)之上額外附加的選項通常會增加成本，但獲得的好處足以彌補支出。例如：

. 顯著減少了安裝時間和成本
. 降低了必需的技術(shù)要求而獲得可靠的安裝
. 增強了應(yīng)用的可靠性
. 簡化了不同位置或在野外的安裝
. 增強了保護(hù)性，既在安裝操作中，也在測試環(huán)境中
. 達(dá)到特殊性能特點

可選擇項會根據(jù)不同系列和不同式樣而不同。標(biāo)準(zhǔn)的可選項請參考我們的《應(yīng)變計數(shù)據(jù)手冊》。

下表是提供的可選項概要。





可選項 L 和 LE 引線的方向

以下圖表顯示了可選項L和LE應(yīng)變計與式樣相關(guān)的引線標(biāo)準(zhǔn)方向。一般規(guī)則是引線的方向與式樣最長的尺寸方向平行。這些圖表同樣可應(yīng)用于WA-, WK- 和 WD-系列應(yīng)變計的引線方向，若這些系列中有以下式樣的話。







2.7 EA系列應(yīng)變計標(biāo)準(zhǔn)可選項的特性

如同應(yīng)變計選擇的其他方面，可選項的選擇通常也涉及各種選擇。例如，一個可以最大化類似疲勞壽命這樣的性能參數(shù)的選項，可能同時會對安裝過程提出更高的技術(shù)要求。由于安裝難度和性能參數(shù)之間有許多涉及選項的相互作用，下面的表格歸納了關(guān)于各標(biāo)準(zhǔn)選項的相對優(yōu)點以幫助選擇。作為對比，CEA系列的相應(yīng)性能列在表格的最右面。

在為應(yīng)力分析所做的應(yīng)變測量中，標(biāo)準(zhǔn)可選項最常應(yīng)用于EA系列應(yīng)變計，因此這一節(jié)所提供的信息主要是針對這類選項應(yīng)用的。

當(dāng)試圖應(yīng)用帶可選項的EA系列應(yīng)變計時，首先應(yīng)當(dāng)考慮的常常是，是否有同等功能的CEA系列應(yīng)變計能滿足測

試需求。例如，比較一個帶選項W的EA系列片和一個類似式樣的CEA系列片，你會發(fā)現(xiàn)后者不僅更廉價，而且更為柔軟易貼合，并具備更好的疲勞壽命?？蛇x項W的唯一可能優(yōu)點在于，具有更多的式樣可供選擇，以及偶爾需要大的焊接端子。

同樣需要注意到的是，許多標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變計類型（不帶可選項的），通常備有庫存；而帶可選項的往往通過訂單生產(chǎn)，并且可能會涉及最小訂購量的要求。

下表中，開放式不帶可選項的EA系列應(yīng)變計的各性能參數(shù)姑且指定為5。數(shù)字大于5，代表某選項改善了某性能參數(shù)，反過來數(shù)字小于5則代表降低了性能。


3.0 選擇程序

在任意一個應(yīng)用中，應(yīng)變計的性能都受到設(shè)計和制造中的每個要素影響。Vishay Micro-Measurements提供多種多樣的應(yīng)變計型號以滿足最廣泛的應(yīng)變測試需要。除去大量的參數(shù)需要考慮，應(yīng)變計選擇過程可被簡化為一些基本的步驟。下表解釋了應(yīng)變計命名編碼，顯然，除了可選項，一共有五個參數(shù)需選擇：應(yīng)變計系列，S-T-C號碼，



柵格長度和式樣，以及電阻值。

在上述參數(shù)中，柵格長度和式樣通常是首先和第二做出的選擇，基于可供安裝的空間大小，以及應(yīng)力主軸方向和預(yù)期應(yīng)變梯度。一個很好的出發(fā)點是，對于柵長的最初考慮是0.125 in [3 mm]。這一尺寸為剩余的參數(shù)，諸如式樣、系列和電阻值，提供了最寬選擇范圍。這類應(yīng)變計及其焊盤大小足以方便的操作和安裝。同時，這樣大小的柵長能夠提供比得上更大尺寸的性能。

選擇長應(yīng)變計的主要原因通常是以下之一：(a)更大的柵格區(qū)域提供更好的散熱；(b)在非均勻材料諸如纖維增強復(fù)合材料上測平均應(yīng)變；或者(c)稍許簡化操作和安裝（柵長最大到0.50 in [13 mm]）。另一方面，更小的柵長可能會需要用在測試對象是鄰近應(yīng)力集中區(qū)域的峰值應(yīng)變，比如小孔或關(guān)節(jié)。而在可供安裝的空間非常有限時，顯然同樣需要用到小柵長。

選擇柵格式樣，首先考慮的是需要單柵應(yīng)變計還是應(yīng)變花（見2.5節(jié)）。單柵格可以提供不同外形（長-寬）比率，以及各種焊盤安排，能夠適用不同的安裝需求。雙柵90度應(yīng)變花，當(dāng)適用時，也能提供一系列不同柵格和焊盤結(jié)構(gòu)。對于三柵應(yīng)變花（矩形或三角形），當(dāng)柵長已被決定之后，首先需要考慮的是選擇單層的還是層疊的結(jié)構(gòu)，如同2.5節(jié)里所述。

我們《應(yīng)變計數(shù)據(jù)手冊》的格式設(shè)計成可以簡單的選擇柵格長度和式樣。類似式樣不同柵長的應(yīng)變計被歸為大組，并按大小順序排列。主清單（大圖）中的應(yīng)變計最廣泛用于應(yīng)力分析應(yīng)用。當(dāng)需要選擇一款適合的應(yīng)變計時，這一節(jié)應(yīng)當(dāng)總是首先被考慮。

當(dāng)最初選擇柵格尺寸和式樣完成后，下一步是選擇應(yīng)變計系列，即決定金屬箔和基底組合，以及其他與系列相關(guān)的特性。完成這一過程，可以通過先前圖表所列的，對于特殊或一組測試需求給出的建議。如果應(yīng)變計系列可以添加可選項，此時選項應(yīng)當(dāng)試驗性的被指定，因為被選擇的應(yīng)變計式樣所需選項，需要下一段落中簡述的過程來確認(rèn)。

選擇好應(yīng)變計系列（以及可選項，如果有的話），將再次參考我們的《精密應(yīng)變計數(shù)據(jù)手冊》，在推薦的系列中查找所需的應(yīng)變計的尺寸和式樣。如果這一組合并未列在我們的產(chǎn)品目錄中，大小相同式樣近似，或是式樣等同大小略有差異的一類，可以選擇來滿足安裝和測試的要求。在極端的情況下，可能需要選擇替代的系列，并重復(fù)這一選擇過程。經(jīng)常發(fā)生的，特別是在常規(guī)應(yīng)變測試中，不止一種柵格尺寸和式樣的組合適合指定的測試條件。這類情況下，明智的做法是從主清單（大圖）中選擇應(yīng)變計，以避免可能的延期交貨或最小訂單要求。

正如2.5節(jié)柵格式樣中所討論的那樣，在儀器適用的情況下，選擇350歐姆的電阻值通常具有很多優(yōu)點。但是，這一選擇可能會受到價格因素的影響，特別對于非常小的應(yīng)變計來說。同時，高電阻的小應(yīng)變計的疲勞壽命相對更底。最后，在完整的應(yīng)變計命名中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)本文中每種合金的可選S-T-C號碼列表，選出相應(yīng)的號碼。

這樣便完成了應(yīng)變計選擇程序。對于程序中的每一個步驟，4.0節(jié)提供的《應(yīng)變計選擇清單》可提供幫助，用來清算測試條件和影響選擇的各種要求。

4.0 應(yīng)變計選擇清單

本清單提供了一種方便快速的手段，來幫助確定沒有任何關(guān)鍵的要求被忽視而影響到選擇結(jié)果。使用本清單所需要明確的是，所列的考慮項適用于常規(guī)的和傳統(tǒng)的應(yīng)力分析情況，并不包含特殊應(yīng)用，包括核輻射，強磁場，極端離心力，等類似情況。





5.0 應(yīng)變計選擇案例

這一節(jié)里，給出了三個典型的應(yīng)力分析中應(yīng)變計選擇程序的例子，試圖解釋做出特殊選擇的主要原因。但是，需要注意的是，富有經(jīng)驗的應(yīng)力分析專家通常并不遵循這些例子中所說明的按部就班的方式。相反的，專家會同時考慮測試條件和環(huán)境、安裝條件、以及測試要求，然后回顧我們的《應(yīng)變計數(shù)據(jù)手冊》，并從合適大小的柵格式樣和系列中，迅速篩選候選型號。于是，選擇標(biāo)準(zhǔn)從特殊應(yīng)變測試任務(wù)，集中到測試程序所需的應(yīng)變計。不管形式上還是其他，知識淵博的專業(yè)人員確實是這樣，根據(jù)參數(shù)選項來選擇，比如前述清單中的項目。

A. 壓力容器的設(shè)計研究

在一個壓力容器的縮小比例塑料模型上進(jìn)行應(yīng)變測試。這個模型將進(jìn)行室溫，或接近室溫的靜態(tài)測試；并且，盡管整個測試將可能持續(xù)數(shù)月，但每個單獨測試只會運行數(shù)小時。



應(yīng)變計選擇：

1. 柵格長度——應(yīng)當(dāng)避免非常短的柵長，以減小塑料的低導(dǎo)熱能力導(dǎo)致的散熱問題。模型很大，顯然沒有嚴(yán)重的應(yīng)變梯度；因此，指定0.25 in [6.3 mm]的柵長，因為在這一尺寸下有最寬泛的式樣供選擇。

2. 柵格式樣——在模型的某些區(qū)域，從對稱的角度考慮，應(yīng)力主軸的方向很明顯，因而可以使用單柵片。在已選定的柵長下，可供選擇的式樣中，250BF是一個很好的折衷，因為它的高電阻值將有利于最小化散熱問題。在模型的其他區(qū)域，主軸方向未知，因此需要三柵應(yīng)變花。為此，應(yīng)當(dāng)選擇一個“平面的”應(yīng)變花，因為層疊應(yīng)變花將明顯的加固結(jié)構(gòu)和導(dǎo)致散熱問題。由于電阻值較高，250RD是個很好的選擇。



3. 應(yīng)變計系列——選擇聚酰亞胺（E）基底，因為低彈性模量將使對塑料模型的加固最小化。通常用作靜態(tài)應(yīng)變測量的柵格合金材料是A合金，因此這個應(yīng)用應(yīng)當(dāng)選擇EA系列。

4. 可選項——接引線過程中測試模型的過熱將會損壞材料。因此選擇選項L（預(yù)接引線），從而使得儀器的電纜能夠直接連上引線而完全不需要使用電烙鐵。選項L優(yōu)于選項LE和P，因為后二者的覆蓋將會加固結(jié)構(gòu)。

5. 電阻值——在這個案例中，電阻值由第二步?jīng)Q定，選擇柵格式樣導(dǎo)致選擇較高的電阻；也就是，選擇250BF而非250BG，以及250RD而非250RA。因此，選擇的電阻值為350歐姆。

6. S-T-C號碼——理想情況是，應(yīng)變計應(yīng)當(dāng)能夠與模型的材料相匹配而自我溫度補償，但這并不總是可行的，因為塑料——特別是增強塑料——熱膨脹系數(shù)變化范圍很廣。對于未增強塑料，通常選擇S-T-C30，40或50。如果模型材料和S-T-C材料必然存在錯配，那么應(yīng)當(dāng)選擇S-T-C13（因為庫存狀況），并且在恒溫下完成測試。

應(yīng)變計名稱：

通過上述步驟，所選擇的應(yīng)變計是：
EA-30-250BF-350/Option L (單柵)
EA-30-250RD-350/Option L (應(yīng)變花)

B. 動態(tài)應(yīng)力分析研究
水泵正齒輪

應(yīng)變測量是在水泵運行時測試齒輪的齒根部。齒根部的圓角半徑為0.125 in（或約3mm），測試溫度范圍預(yù)期0° ~ +180°F [–20° ~ +80°C]。

應(yīng)變計選擇：

1. 柵格長度——考慮到圓角半徑，這個應(yīng)用中小的柵長應(yīng)當(dāng)被指定。柵長應(yīng)當(dāng)選取0.015 in [0.38 mm]，但是我們的《應(yīng)變計數(shù)據(jù)手冊》指出，這樣的選擇將嚴(yán)格限制可用的柵格式樣和合金材料?？紤]到步驟2和3可能會遇到麻煩，這里選擇柵長0.031 in [0.8 mm]。

2. 柵格式樣——因為該齒輪是個正齒輪，主軸的方向已知，可以使用單柵片。應(yīng)當(dāng)選擇兩個焊盤在相同方向的式樣，這樣引線可以沿著根部圓周在相鄰齒之間引出。根據(jù)這樣的考慮，選擇031CF。

3. 應(yīng)變計系列——預(yù)計這一應(yīng)用只涉及低應(yīng)變級別；此外，應(yīng)變信號必須通過滑環(huán)或遙感系統(tǒng)，從旋轉(zhuǎn)的部件傳輸?shù)焦潭ǖ膬x器上。等彈性合金（D合金）成為首選，因其靈敏系數(shù)高（標(biāo)稱3.2，對比A和K合金為2.1）。因為應(yīng)變計必須非常柔韌以貼合小的圓角半徑，E基底是最合適的選擇。這個案例中不用考慮最高測試溫度，因為任意一種標(biāo)準(zhǔn)基底都能在預(yù)期溫度范圍內(nèi)正常工作。E基底和D合金的組合決定了選擇ED系列。

4. 可選項——為了在測試環(huán)境中保護(hù)柵格，選項E，覆蓋，應(yīng)當(dāng)被指定。由于一個齒輪的外徑和咬合齒輪的根部之間的空間有限，應(yīng)變計必須被安裝得特別薄；并且要用特別小的引線，與柵格方向成90°連接焊盤，并且繞過齒輪的邊界以連接更大的導(dǎo)線。這就必須要求應(yīng)變計粘接后接上小引線，而不能使用預(yù)連接引線。

5. 電阻值——在ED系列的031CF，我們的《應(yīng)變計數(shù)據(jù)手冊》列出的電阻值為350歐姆。通常應(yīng)當(dāng)盡可能選擇更高的電阻，不論是否存在，在這個例子中將有利于在使用滑環(huán)時提高信噪比。

6. S-T-C號碼——D合金無法自我溫度補償，而這一測試也不需要補償，應(yīng)為只需要測量動態(tài)應(yīng)變。ED系列命名規(guī)則中的兩位S-T-C號碼替換為字母DY，表示“動態(tài)”。

應(yīng)變計名稱：

綜合以上選擇程序，選用的應(yīng)變計為：
ED-DY-031CF-350/Option E

C.試飛應(yīng)力分析
飛行器翼尖鈦部件——
附加，或不附加導(dǎo)彈模塊

應(yīng)變測試工作溫度范圍–65°~+450°F[–55°~+230°C]，這將作為應(yīng)變計選擇的主要因素。

應(yīng)變計選擇：

1. 柵格長度——使用光應(yīng)力涂料技術(shù)初步研究表明，柵格長度0.062 in [1.6 mm]，能夠在應(yīng)變梯度，峰值應(yīng)變區(qū)域，和應(yīng)變計安裝空間之間得到最佳折衷。

2. 柵格式樣——從應(yīng)力狀態(tài)的信息，以及由光彈性涂料研究得到的應(yīng)力主軸方向，可知翼尖的部分區(qū)域可用單柵片或雙柵T應(yīng)變花測量。在其他部位，主應(yīng)變方向跟隨飛行機動而改變，需要45度矩形應(yīng)變花。應(yīng)變梯度非常陡峭，因此應(yīng)當(dāng)選擇層疊應(yīng)變花。從我們的《應(yīng)變計數(shù)據(jù)手冊》中得知，先前的要求建議選擇060WT和060WR層疊應(yīng)變花，以及062AP單柵片。做出這樣的選擇，應(yīng)當(dāng)注意到所有這三種式樣都可以在WK系列中可行，可滿足指定工作溫度范圍

3. 應(yīng)變計系列——最大工作溫度以及靜態(tài)動態(tài)應(yīng)變測試的需求，明確指定需要K合金作為柵格材料。SK或WK都可選擇，但WK為首選，因為他們帶引線。

4. 可選項——為了簡化安裝，帶焊接端子的可選項W最佳。但是，這一選項不適用于層疊應(yīng)變花，并且只適用于單柵片。

5. 電阻值——可行的話，在這個案例中，應(yīng)當(dāng)指定350歐姆，因為高電阻能提供需多優(yōu)點。

6. S-T-C號碼——翼尖部件用到的鈦合金型號為6Al-4V，熱膨脹系數(shù)4.9×ppm/°F [8.8ppm/°C]。S-T-C號碼為05的K合金是合適的選擇。

應(yīng)變計名稱：

WK-05-062AP-350/Option W
WK-05-060WT-350
WK-05-060WR-350