对比光纤应力传感的性能和应变片的性能

用光纤对物体的形变进行监控是光纤传感重要的研究方向。今天聊一下应力与应变，用一个视频对比光纤应力传感的性能和应变片（strain gauge）的性能；最后介绍一下应变片。

（一）应力与应变曲线（stress-strain curve）

每一种材料的应力与应变关系称为该材料的应力-应变曲线（stress-strain curve）。每一种材料都有唯一的应力-应变曲线，该曲线可以通过记录材料在不同的拉伸和压缩加载（应力）下的形变（应变）来获得。这条曲线也提供了很多该材料的特性，例如：弹性模量、屈服强度（弹力限）、极限拉伸强度，也可以看出材料是脆性材料还是延展性材料。

一般而言，有关任何变形下，应力和应变的关系都可以视为是应力-应变曲线。应力和应变可以是正应力及正应变，剪应力及剪应变，也可以是混合的。可以是单一轴向、双轴或是多轴的，甚至可以是时变的。变形可以是压缩、拉伸、扭转、转动等。若没有特别标明，应力-应变曲线是指在拉伸测试下正向应力及正向应变之间的关系。

 

（二）光纤与应变片的应力检测对比

可以用光纤检测材料的应力，更传统的办法是使用应变片（foil strain gauge）。视频基于对一个悬臂梁（cantilever）的测试，通过光纤和应变片不同的技术，进行效果对比（光纤技术是luna公司提供Luna Reflectometers（反射仪））。

悬臂梁（cantilever）是在材料力学中为了便于计算分析而得到的一个简化模型，悬臂梁的一端是固定支座，另一端为自由端。在荷载作用下，可根据力的平衡条件求得悬臂梁的固定端的支座反力，包括水平力、竖向力以及弯矩，并可据此画出轴力图、剪力图与弯矩图。由于梁一般承受竖向的集中荷载或均布荷载的作用，故支座的水平反力为0。

（三）应变片（straingauge）

应变片（strain gauge）是一种用来测量物体应变的测试工具。1938年，它先后由Edward E. Simmons和Arthur C. Ruge各自独立地发明出来。应变片由绝缘基片与金属敏感栅组成。应变片需要使用正确的粘合剂与物体相连接（这其实也是光电子传感器要解决的核心技术），比如使用502胶水。

当被测部件受外力变形时，敏感栅也随之变形，因此敏感栅的电阻值会产生相应的变化。通过惠斯通电桥（Wheatstone bridge）可以测量到这个微小的阻值变化量，而通过应变片生产厂商标明的应变片系数可将测量得到的电阻变化量转换成实际应变值。

 

应变片很好地利用了导体的物理特性和几何特性。当一个导体在其弹性极限内受外力拉伸时，其不会被拉断或产生永久变形而会变窄变长，这种形变导致了其端电阻变大。相反，当一个导体被压缩后会变宽变短，这种形变导致了其端电阻变小。通过测量应变片的电阻，其覆盖区域的应变就可以演算出来。

应变片的敏感栅是一条窄导体条曲折排列成的一组平行导线，这样的布置方式可将基线方向的微小变形累积起来以形成一个较大的电阻变化量累计值。应变片的测量对象只有其所覆盖区域的变形量，足够小的应变片可在诸如有限元式的应力分析当中使用。它被广泛应用于材料的疲劳测试研究当中。

审核编辑：刘清