應變測量淺析（一）：概述

最近的許多工作都牽扯到應變片。這東西雖然簡單，我卻發現有很多同事對其原理、使用方法和數據分析存在誤解。

從物理原理上來說，我們測量“應變”的過程，其實通常是在表征物體變形所引起的一些其它的物理效應，而非直接測量變形本身。根據這些物理效應的不同，我将我所知道的應變傳感器或應變測量裝置大緻分為五個主要類型：

1）電阻型：此類傳感器實際測量的是變形帶來的材料電阻變化，進一步細分則又有金屬絲型、金屬箔型、半導體型等各種形态。我們在工作中所說的“應變片”，通常指的是呈薄片狀的金屬箔型傳感器，即下圖所示的這些。此外，引伸計雖然尺寸較大，但其測量原理與金屬絲型應變片基本相同，也可歸于此類。

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金屬箔型應變片

2）壓電型：此類傳感器利用半導體材料的壓電效應，直接将應變反饋為電壓信号。有人将其與電阻型的半導體應變片混淆，事實上彼類應變片利用的是材料的壓阻效應而非壓電效應，原理上存在本質區别。

3）光學型：顧名思義，這類傳感器利用變形産生的光學效應來表征應變的大小。此處所謂的“光學效應”是很籠統的，實際上測量原理非常多樣。例如貼附在物體表面的布拉格光栅會随着物體形變而出現栅距變化，引起中心波長偏移，光纖型應變片利用的便是這個效應；而光彈性測試儀則是利用應力雙折射現象，測量o光和e光的相位差變化來确定應變。

4）振弦型：其原理是将一根拉緊的金屬弦固定在被測物體上，形變會引起弦的張力變化，從而使其固有頻率出現偏移，偏移量的大小與形變量呈正相關。

5）數字圖像相關法（DIC）：與上述方法不同，DIC通常是一套分析裝置（包括攝像機、鏡頭、光源、分析軟件等），而非一個“傳感器”。相較于其它測量方法，DIC的測量對象可能更接近“應變”這一物理概念的本質，即通過連續攝影和圖像處理軟件，捕捉物體表面上點與點之間的相對位移來直接計算應變。

這些應變測量方法相互之間各有長短和适用範圍，因此應用的工程領域也不盡相同。我的感覺是，即使是相同專業的材料或結構工程師，因為行業背景的不同，他們所認知和熟悉的測試都有很大差異。有些方法對于某個領域的工程師來說，可能根本就沒有聽說過。想必一定也有很多其它的設備、裝置、實驗和測試方法，是我所不了解、沒有列舉在上面的。

今天先寫到這裡，明天會更新對于電阻型應變片的分析和仿真心得。