技術指南:應變規量測原理、應用與不同種類詳解

二月 1, 2018
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 應變規(StrainGauge)的主要應用是應變量測。本文將協助您了解基本應變概念、應變規運作原理、應變規種類、以及如何選擇適合的組態類型。除了不同的應變規組態特性,您還需要考慮到所需的硬體,以正確處理並取得應變量測值。

何謂應變?

應變(Strain)可定義為物質長度相對於原始未受影響長度的變化比例(如圖1所示)。物質之所以會變形,是因為受到稱為應變的施力所致。在機器測試與量測作業中,您需要了解物件如何對各種不同的施力進行反應,因此應變量測非常重要。應變可為正(因為延長所致的拉伸力)或為負(因為收縮所致的壓縮力)。物質受到單向壓縮時,與此施力垂直之其他兩個方向的伸展趨勢,便稱為蒲松效應(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。雖然應變並無象限之分,但某些時候可用in./in.或mm/mm的單位表示之。實際上,量測的應變強度均極小,因此通常會以微應變(µε)表示,亦即εx10-6。
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圖1.應變指的是材料長度相對於原始未受影響長度的變化比例。
應變有四種不同類型: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)。軸向應變可量測物質因為水平方向線性力所造成的延伸或壓縮程度。彎曲應變可量測物質在受到垂直方向線性力影響下,其單邊延展與另一邊收縮的程度。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。
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圖 2.軸向應變可量測物質延展或拉動方式。 彎曲應變可量測單邊延展與另一邊收縮的程度。

應變規(StrainGauge)量測應變原理

應變量測雖然有多種方式,但最常見的仍為應變規。應變規應用於應變量測,基本原理是其電子電阻會隨裝置中的應變總數產生不同比例的變化。而最常使用的應變規,則是合金應變規(Bonded Metallic Strain Gauge)。金屬應變規包含品質極佳的接線,更常見的為格線(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。合金應變規(Strain Gauge)的原理總結如下:格線會黏至稱為載體(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,並於電子電阻中反應出線性變化。
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圖 3. 金屬格線中的電子電阻,將依測試樣本所承受的應變數量比例而有所不同。
應變規的基礎參數即對應變的敏感度,若量化表示即為應變係數(GF)。GF為「電子電阻的局部變化」與「長度(應變)的局部變化」之比例:
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金屬應變規的GF一般均為2。而特定應變規的實際GF,則可透過感測器製造商或說明文件取得。
實際情況來說,應變量測極少大於Millistrain(ex10-3)。因此,若要進行應變量測,則必須能夠精確量測電阻發生的極小變化。舉例來說,假設測試樣本承受500me的應變。則GF為2的應變規,將呈現僅為2(500×10-6)=0.1%的電子電阻變化。針對120Ω應變規來看,此變化僅為0.12Ω。

若要量測電阻中的極小變化,則應變規組態必須使用Wheatstone橋接概念。如圖4所示的一般Wheatstone橋接,則包含4組電阻臂(Resistivearm)與1組激發電壓VEX;激發電壓則套用至整組橋接。
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圖 4. Wheatstone 橋接電路使用應變規組態來偵測微小的電阻變化。
Wheatstone橋接電路等於2組分壓器電路。R1與R2為第一組分壓器電路;R4與R3則構成第二組。量測2組分壓器中間節點可得到Wheatstone橋接Vo輸出。
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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,則橋接為所謂的「平衡」狀態。任何電阻臂的電阻若發生變化,則輸出電壓必不為零。因此,若將圖4中的R4替換為作動應變規,則當應變規電阻發生任何變化時,橋接均將成為非平衡狀態,並產生不為零的輸出電壓。

應變規種類

應變規有三種組態類型:1/4、1/2、全橋接,取決於Wheatstone橋接裡的作動元素數量、應變規方向以及所量測的應變類型。
 
1/4橋接應變規
組態類型I

  • 可進行軸向與彎曲應變量測
  • 需要稱為非作動電阻器的被動1/4橋接補償電阻器
  • 需要1/2橋接補償電阻器來完成Wheatstone橋接
  • R4為作動應變規,用於量測拉伸應變(+ε)
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圖5.1/4橋接應變規組態
組態類型II
依據應變規(Strain gauge)的運作原理,在理想狀態下,應變規的電阻,應該僅跟著所套用的應變而產生變化。然而,所套用應變規的應變規材質與樣本材質,均將因應溫度產生變化。1/4橋接應變規組態類型II會透過橋接中的2組應變規,進一步降低溫度的影響。如圖6所示,一般來說第一個應變規(R4)為作動狀態,而第二個應變規(R3)則是採取近熱接觸(close thermal contact)方式安裝,但是並未與樣本黏貼,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個應變規。由於2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,溫度所造成的影響將可降至最低。
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圖6.非作動應變規會消除溫度對於應變量測作業的影響。
1/2橋接應變規
若在1/2橋接組態中同時作動這兩個應變規,則可加倍橋接對應變的敏感度。
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配置I
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配置II – 僅適用於量測彎曲應變
圖 7. 1/2 橋接應變規的敏感度,是 1/4 橋接應變規的兩倍。
組態類型I

  • 可進行軸向與彎曲應變量測
  • 需要1/2橋接補償電阻器來完成Wheatstone橋接
  • R4為作動應變規,用於量測拉伸應變(+ε)
  • R3為作動應變規,可補償蒲松效應(-νε)。

此種組態容易與1/4橋接類型II組態混淆,但類型I內含作動R3元素,能與應變樣本黏貼。

組態類型II

  • 僅量測彎曲應變
  • 需要1/2橋接補償電阻器來完成Wheatstone橋接
  • R4為作動應變規,用於量測拉伸應變(+ε)
  • R3為作動應變規,用於量測壓縮應變(-ε)

 
全橋接應變規
全橋接應變規組態具備4個作動應變規,並提供3種不同類型選擇。類型1與2可量測彎曲應變,而類型3可量測軸向應變。只有類型2與3會補償蒲松效應,但是這三種類型都能有效減少溫度影響。

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組態 I – 僅限彎曲應變
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組態 II – 僅限彎曲應變
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組態 III – 僅限軸向應變
圖 8. 全橋接應變規組態
組態類型I

  • 僅對彎曲應變高度敏感
  • R1與R3都是作動應變規,可量測壓縮應變(–e)
  • R2與R4都是作動應變規,可量測拉伸應變(+e)

組態類型II

  • 僅對彎曲應變敏感
  • R1為主動應變規,可量測壓縮蒲松效應(-νe)
  • R2為主動應變規,可量測拉伸蒲松效應(+νe)
  • R3為作動應變規,可量測壓縮應變(-e)
  • R4為作動應變規,用於量測拉伸應變(+e)

組態類型III

  • 量測軸向應變
  • R1與R3都是作動應變規,可量測壓縮蒲松效應(-νe)
  • R2與R4都是作動應變規,可量測拉伸應變(+e)

如何選擇正確的應變規?

如何在三種類型中選擇最合適的應變規,除了考慮量測的應變類型(軸向或彎曲)之外,其他考慮事項還包括敏感度、成本與作業條件。對於相同的應變規,改變橋接組態可改善其應變敏感度。舉例來說,全橋接類型I組態敏感度,可達1/4橋接類型I組態的4倍。但同時全橋接類型I也比1/4橋接類型I需要多安裝3組應變規,且需同步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橋接應變規又昂貴許多。如需多種類型應變規摘要,請參閱下表。
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格線寬度
使用較寬的格線(若未被安裝地點限制的話),可提升散熱效能並強化應變規穩定性。不過,如果測試樣本與應變主軸之間產生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(Poisson Strain)效應所產生的錯誤。

應變規額定電阻
應變規額定電阻,為應變規在未應變位置時的電阻。特定應變規的應變規額定電阻,可詢問感測器製造商或自說明文件中取得。最常見的商用應變規額定電阻值為120Ω、350Ω與1,000Ω。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量,這類變量是因為溫度波動使得導線出現電阻變化所造成。

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溫度補償
在理想情況下,應變規電阻應「僅隨著應變」而改變。但應變規的電阻性與敏感度,均會隨著溫度而變化,進而發生量測錯誤。應變規製造商處理應變規材質,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。這些溫度補償橋接組態,則可避免溫度影響量測結果。同時,請考慮使用有助於補償溫度波動影響的組態類型。

安裝作業
安裝應變規極為耗時費力,且根據橋接設定的不同,所需的應變規數量亦有差異。黏式(Bonded)應變規的數量、接線數量、安裝位置等,均將影響安裝效果。特殊橋接設定甚至必須於結構的反面安裝應變規,造成更高難度。1/4橋接類型I則為最簡單的橋接設定,僅需安裝1組應變規與2~3組接線。

應變規的訊號處理功能

應變規量測方式非常複雜,有多個因素將影響其量測效能。因此,若要產生可靠的量測值,則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(Resistance tolerance)與應變,會在沒有施加應變時產生某些初始偏移電壓。同理,長導線會對橋接臂增加電阻,除了發生偏移錯誤之外,亦將失去對橋接輸出的敏感度。若要確保進行精確的應變量測,請考慮下列要點:

  • 如果選用1/4橋接或1/2橋接應變規,則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導線的激發電壓錯誤
  • 透過電流放大來增加量測解析度,同時提升訊噪比
  • 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0V
  • 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

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