用光纖對(duì)物體的形變進(jìn)行監(jiān)控是光纖傳感重要的研究方向。今天聊一下應(yīng)力與應(yīng)變，用一個(gè)視頻對(duì)比光纖應(yīng)力傳感的性能和應(yīng)變片（strain gauge）的性能；最后介紹一下應(yīng)變片。

（一）應(yīng)力與應(yīng)變曲線（stress-strain curve）

每一種材料的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系稱為該材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（stress-strain curve）。每一種材料都有唯一的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，該曲線可以通過記錄材料在不同的拉伸和壓縮加載（應(yīng)力）下的形變（應(yīng)變）來獲得。這條曲線也提供了很多該材料的特性，例如：彈性模量、屈服強(qiáng)度（彈力限）、極限拉伸強(qiáng)度，也可以看出材料是脆性材料還是延展性材料。

一般而言，有關(guān)任何變形下，應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系都可以視為是應(yīng)力-應(yīng)變曲線。應(yīng)力和應(yīng)變可以是正應(yīng)力及正應(yīng)變，剪應(yīng)力及剪應(yīng)變，也可以是混合的。可以是單一軸向、雙軸或是多軸的，甚至可以是時(shí)變的。變形可以是壓縮、拉伸、扭轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)動(dòng)等。若沒有特別標(biāo)明，應(yīng)力-應(yīng)變曲線是指在拉伸測試下正向應(yīng)力及正向應(yīng)變之間的關(guān)系。

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（二）光纖與應(yīng)變片的應(yīng)力檢測對(duì)比

可以用光纖檢測材料的應(yīng)力，更傳統(tǒng)的辦法是使用應(yīng)變片（foil strain gauge）。視頻基于對(duì)一個(gè)懸臂梁（cantilever）的測試，通過光纖和應(yīng)變片不同的技術(shù)，進(jìn)行效果對(duì)比（光纖技術(shù)是luna公司提供Luna Reflectometers（反射儀））。

懸臂梁（cantilever）是在材料力學(xué)中為了便于計(jì)算分析而得到的一個(gè)簡化模型，懸臂梁的一端是固定支座，另一端為自由端。在荷載作用下，可根據(jù)力的平衡條件求得懸臂梁的固定端的支座反力，包括水平力、豎向力以及彎矩，并可據(jù)此畫出軸力圖、剪力圖與彎矩圖。由于梁一般承受豎向的集中荷載或均布荷載的作用，故支座的水平反力為0。

（三）應(yīng)變片（straingauge）

應(yīng)變片（strain gauge）是一種用來測量物體應(yīng)變的測試工具。1938年，它先后由Edward E. Simmons和Arthur C. Ruge各自獨(dú)立地發(fā)明出來。應(yīng)變片由絕緣基片與金屬敏感柵組成。應(yīng)變片需要使用正確的粘合劑與物體相連接（這其實(shí)也是光電子傳感器要解決的核心技術(shù)），比如使用502膠水。

當(dāng)被測部件受外力變形時(shí)，敏感柵也隨之變形，因此敏感柵的電阻值會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。通過惠斯通電橋（Wheatstone bridge）可以測量到這個(gè)微小的阻值變化量，而通過應(yīng)變片生產(chǎn)廠商標(biāo)明的應(yīng)變片系數(shù)可將測量得到的電阻變化量轉(zhuǎn)換成實(shí)際應(yīng)變值。

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應(yīng)變片很好地利用了導(dǎo)體的物理特性和幾何特性。當(dāng)一個(gè)導(dǎo)體在其彈性極限內(nèi)受外力拉伸時(shí)，其不會(huì)被拉斷或產(chǎn)生永久變形而會(huì)變窄變長，這種形變導(dǎo)致了其端電阻變大。相反，當(dāng)一個(gè)導(dǎo)體被壓縮后會(huì)變寬變短，這種形變導(dǎo)致了其端電阻變小。通過測量應(yīng)變片的電阻，其覆蓋區(qū)域的應(yīng)變就可以演算出來。

應(yīng)變片的敏感柵是一條窄導(dǎo)體條曲折排列成的一組平行導(dǎo)線，這樣的布置方式可將基線方向的微小變形累積起來以形成一個(gè)較大的電阻變化量累計(jì)值。應(yīng)變片的測量對(duì)象只有其所覆蓋區(qū)域的變形量，足夠小的應(yīng)變片可在諸如有限元式的應(yīng)力分析當(dāng)中使用。它被廣泛應(yīng)用于材料的疲勞測試研究當(dāng)中。

審核編輯：劉清