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应变测量是评估材料受力行为的关键过程，可为评估结构完整性和性能提供重要数据。 这一基本物理特性量化了材料相对于其原始尺寸的变形，使工程师和科学家能够了解材料在各种条件下的反应。 应变片（又称应变计）由 Edward E. Simmons 和 Arthur C. Ruge 于 1938 年发明，是获取此类数据的关键工具。 应变传感器显示拉伸或压缩时的电阻变化。 它们揭示了受力材料内部的微小变化。 其应用范围从简单的实验室实验到大型结构（如桥梁和摩天大楼）的全面监测。 这确保了安全性和耐用性。
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应变测量原理
应变测量的核心是应变计，这是一种基于材料电阻随机械变形而变化这一原理的设备。 一种常见的应变计是金属箔应变计，它由粘附在背衬材料上的薄金属箔组成。 这种应变计应用于测试样本的表面；当样本变形时，箔片也会变形，从而以可量化的方式改变其电阻。
除单个应变片外，还可使用应变片组全面测量材料表面不同方向的应变。 这些罗经由三个或更多相互成特定角度的应变片组成，可精确测定单点的完整应变状态。 这一功能在复杂应力分析中尤为重要，因为在复杂应力分析中，了解多向应变至关重要。
应变系数 (GF) 是应变计技术中的一个关键参数，它通过量化应变与电阻变化之间的关系来显示应变计对应变的灵敏度。 这种计算方法对于在惠斯通电桥设置中有效利用应变计放大器至关重要，可提高测量灵敏度和精度。 工程师可以选择三种不同的配置：1/4桥路应变片、半桥应变片或全桥应变片配置。 每种配置在灵敏度和温度补偿方面都具有独特的优势，适用于各种应变测量。
- 1/4桥路配置：包含单个有源应变计，通常用于简单的单轴应变测量或预期应变最小的地方。
- 半桥配置：在电桥的相对臂上使用两个应变片，使灵敏度提高一倍，并对温度引起的误差进行部分补偿。
- 全桥配置：采用4个应变片，最大限度地提高灵敏度，并对温度效应进行全面补偿，是精确双向应变测量的理想之选。
在哪里使用应变测量？
土木工程和岩土工程监测
应变仪有助于监测建筑物、桥梁、水坝和其他重要基础设施的结构健康状况。 考虑到结构性故障造成的灾难性后果，这些测量仪器被安排用于持续监测，获取可预测和预防导致人员伤亡事故的数据。 应变片的精度高、坚固耐用且维护要求低，因此即使在偏远或难以进入的地区也能进行长期部署。
航空航天应用
应变仪广泛用于结构测试，以验证机身和部件的完整性。 工程师使用模拟和测量方法来测试动态力对飞机结构的影响。 这可验证计算模型并确保符合安全标准。 湍流和空气动力应力就是这种力的例子。 应变片在航空航天测试中的应用包括静态和动态分析。 这种将实际测试与模拟（计算机辅助设计和有限元分析）相结合的双重方法提高了航空航天设计的可靠性，并有助于提高航空旅行的整体安全性。
汽车与移动
在汽车领域，应变测量技术使工程师能够优化结构，以提高强度、耐用性和效率，确保汽车能够承受严酷的运行条件，而不会产生不必要的重量。 电动汽车电池测试尤其受益于应变仪分析，可评估电池在运行过程中承受的机械应力，从而提供更安全、更可靠的储能解决方案。
可再生能源系统
可再生能源行业，尤其是风电行业，依赖应变片来监测风力涡轮机部件的结构完整性。 这些仪表有助于预测维护需求，延长涡轮机的使用寿命，防止出现可能导致停电或安全隐患的故障。 通过精确测量涡轮机叶片和塔架上的应变，工程师可以优化设计，即使面对多变和极端的环境力，也能保证耐用性和性能。
通过叠加高频信号增强应变计测量，减少噪音，使结果更清晰、更准确。
我们的模块能够测量全桥应变片、半桥应变片和1/4桥应变片，确保灵活满足任何项目要求。
对于高级应用，我们的通用模拟输入数采模块提供扩展功能，包括各种电桥测量、高达 12 V 的可编程传感器激励以及 ± 10 V 或 0-20 mA 模拟输出。
为什么要用Gantner来测量应变？
环境和电气噪声干扰
最主要的挑战之一是环境和电气噪声造成的干扰。 应变片是一种高灵敏度设备，可以接收到来自附近机器、电线甚至大气条件的外来电信号。 这种噪声会掩盖真实的应变信号，从而难以准确地分离和测量所需的数据。 工程师必须采用先进的降噪技术，如屏蔽、滤波和使用载波频率放大器，以减轻这些影响并确保应变数据的完整性。
热漂移和补偿
热漂移是另一个重大障碍。 温度变化会导致被测材料和应变片本身膨胀或收缩，从而产生并非源于机械应力的表观应变。 这种现象会导致读数错误，尤其是在温度波动较大的环境中。 为解决这一问题，应变计通常与温度补偿技术（如使用假应变计或有源温度校正电路）搭配使用，以从测量应变中减去热效应。
安装和仪表校准
准确性还在很大程度上取决于应变片的正确安装和校准。 不对齐的压力表会产生偏差数据，无法准确反映材料内部的应变。 确保量具的正确位置、方向和附着力至关重要，尤其是在测量复杂或不规则形状的物体时。 这通常需要对表面进行细致的准备，精确地使用量具，并进行严格的测试，以确认安装反映了真实的机械应力。
材料和表面特性
测试材料的特性带来了额外的挑战。 受各向异性、异质性和表面纹理等因素的影响，不同材料对应力和应变的反应各不相同。 这些特性会影响应变的分布和测量，因此需要定制量具的选择和放置策略。 此外，包括清洁和平滑在内的表面准备工作对于确保量具良好附着和提供精确测量也至关重要。
选择惠斯通电桥配置
选择惠斯通电桥配置–1/4桥、半桥或全桥–又增加了一层复杂性。 每种配置在灵敏度、温度补偿和测量不同类型应变（如轴向、弯曲、剪切）的能力方面都具有不同的优势。 工程师必须根据测量任务的具体要求，在平衡精度、灵敏度和环境补偿等因素的基础上，仔细选择合适的电桥设置。
校准和信号处理
应变计测量系统的校准和应变信号的处理对于获得准确的结果至关重要。 校准可确保应变计和测量系统准确地将应变转化为电信号，并考虑到应变计因数变化和系统非线性等因素。 然后使用信号处理技术从这些信号中提取有意义的数据，这需要先进的算法来过滤噪声、补偿漂移和分析应变模式。
测量挑战的技术解决方案
我们利用先进的数据采集技术，为工程师提供全面应变片测量所需的工具，实现精确的应力分析，提高各行业材料的性能和安全性。
Gantner Instruments为应变测量的挑战提供了全面的解决方案，其中包括以下先进功能：
- 高分辨率应变放大：我们的应变计放大器配备了 24 位 sigma-delta A/D 转换器。 这大大降低了量化噪声，提供了高信噪比 (SNR)，这对捕捉精确的应变测量结果至关重要。
- 可调测量范围：我们的现代测量放大器具有可调节的测量范围，增益精度为 ± 0.05%。 这种精度可将全量程误差降至最低，这对于需要进行详细应力分析和疲劳监测的应用至关重要。
- 最佳电桥激励电压：为了抵消应变片自热引起的热漂移，我们的放大器采用脉冲电桥激励。 这种方法可最大限度地减少测量误差，确保数据反映材料的实际变形情况。
- 自动导线电阻补偿：我们的数采系统可自动纠正导线电阻的变化，无需手动分流校准，从而提高了应变测量的可靠性。
- 载频技术：该技术可消除载频带宽之外的频率和谐波，从而提高测量过程中的信号质量。 这对于电气噪声较大的环境至关重要。
专业地测量DMS信号
我们的Q.series X 系列模块旨在克服应变测量的各种障碍，适应各种应变计麦氏电桥配置，并为全面应变计测量提供必要的应变计电阻优化、
- A101：采样率为 100 kHz 的多功能模块。
- A102：带模拟输出的快速模块
- A106：通用电桥模块，可选择直流和 TF 输入，用于多种应变计配置。
- A107：经济实惠的 4 通道模块，采样率为 10 kHz
- A116：是1/4桥、半桥和全桥测量的理想之选，具有 120Ω 和 350Ω 填充电阻，温度稳定性极高。
- A136：多功能 4 通道模块，可选择高达 10 V 的激励电压和 20 kHz 采样频率，非常适合动态应变计测量应用。
- A146：用于1/4桥的 16 通道模块，每通道 10 kHz
产品实例：测量模块A106
提供灵活的直流电压供应和载波频率馈电供应选项，可满足不同应变计设置的需要，并最大限度地减少电缆电容和环境噪声的影响。
直流电压供应
适用于高阻抗测量桥和换能器与测量设备之间的长电缆。 在直流电源下，电缆电容不显示任何影响。
载波频率馈电
只有调制的信号被传输。 因此，载频设备显示出更好的漂移、噪音和易感性行为。
TF 4.8 kHz
适用于DMS和电感式传感器。 然而，较长的电缆可能会引起电源和测量信号之间的相位偏移，导致灵敏度降低。
TF 600 Hz
这个载波频率适合于高精度的需求。 电缆电容没有显示相当大的影响。
产品实例：测量模块A116
适用于紧凑、精确的应变测量，支持多达 8 个通道的四分之一桥、半桥和全桥配置，并通过 120Ω 和 350Ω 填充电阻确保稳定性，适用于高温环境。
- 测量和调节多达8个10kHz的平行通道 – 无复用功能
- 通过同时参考测量电压降来补偿电缆的干扰
- 120-Ω和350-Ω填充电阻 – 0.05 ppm / K – 用于高温稳定性
- 分流电阻，用于检测测量过程中的变化
- 测量范围2,000 μm/m和20,000 μm/m，便于调整信号
- Q.station允许对几百个通道进行同步检测（抖动1μs）。
使用单DMS测量的稳定性主要取决于填充电阻的温度敏感性：
一条350Ω的带子在1000μm/m(k=2)时，其电阻变化为700mΩ。 A116填充电阻的温度稳定性为0.05 ppm / K，相当于每度温度变化0.025 μm / m或0.025% / 10 K。如果电阻稳定性只有5 ppm / K，例如，偏差将是每度2.5 μm / m或2.5% / 10 K。
产品示例：测量模块 A136
A136 是 Q.series产品中用途广泛、精度极高的测量模块，是各种应变计应用的理想之选。
- A136 可处理多达 4 个并行通道，提供每通道 20 kHz 的高采样率和 24 位 ADC 应变放大，无需多路复用即可捕获详细数据。
- 它支持各种桥式传感器，内置 120、350 和 1000 Ω版本的完成电阻器，确保了传感器的广泛兼容性。
- 它内置完成电阻器，兼容 4 线制和 6 线制配置。
- 该模块可选择高达 10 V 的激励电平，满足各种测量要求。
- A136 可与 Q.station 和 EtherCAT 系统无缝集成，确保了系统设置的多样性。
A136 能够提供高分辨率测量，这在动态环境中尤为重要，因为在这种环境中，精确度和快速数据采集至关重要。 其灵活的配置和与各种传感器类型的兼容性使其成为工程师在高级测量场景中不可或缺的工具。
想避免测量温度而不是应变吗？
使用应变片时，环境温度变化是造成测量误差的最常见原因。 与温度相关的电桥电阻变化只要达到 0.1%，就会导致 500 µm/m 的伸长率。 要避免应变测量变成温度测量。
下载我们的免费白皮书，了解选择正确的桥式完成电阻器的重要性。 此外，您还将了解到在长传感器电缆中降低噪音和补偿误差的有效技术，从而掌握优化应变片测量的知识。
Gantner公司的应变测量应用在哪里？
我们对创新和精度的承诺赢得了全球行业领导者的信任。
应用案例
Gantner公司的尖端数采技术在全球范围内，深受广大用户的信赖，产品应用于汽车、航空航天、土木工程和能源领域。您可以从以下行业示例中选择，寻找适合您所在行业的数采系统。
