為應用選擇正確的應變規

應變 (Strain) 為作用力 (Applied force) 所造成的主體變形 (Deformation) 總稱。

更進一步來說，應變可定義為長度的局部變化；如下圖所示。

應變的定義

應變可為正(張力) 或為負(壓縮力)。雖然應變並無象限之分，但某些時候可透過in./in. 或mm/mm 的單位表示之。但實際量測的應變等級均屬極小。因此，應變往往以microstrain (me) 表示，即為e x 10^-6。

當橫桿如圖所示，以單軸的力進行應變時，則大家所熟知的蒲松應變 (Poisson Strain) 將造成橫桿周長(D) 進行水平或垂直收縮。此橫向 (Transverse) 收縮的強度，即為該蒲松比 (Poisson's Ratio) 所表示的物質屬性。物質的蒲松比為：橫向(與力呈直角) 的應變負比例/軸向(與力呈平行) 應變；或為  。舉例來說，鋼的蒲松比為0.25 ~ 0.3。

應變規

雖然有多種量測應變的方式，但最常見的仍為應變規。應變規的電子電阻，將依其上應變數量的比例而有所不同。最廣泛使用的應變規，為合金 (Bonded metallic) 應變規。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方式，最大化金屬接線或薄片的總數(如合金應變規圖中的「active grid length」)。並應將格線的交叉範圍降至最小，以降低剪力應變 (Shear strain) 與蒲松應變 (Poisson Strain) 的影響。

合金應變規

將應變規適當固定至測試樣本上，是極為重要的步驟。此將確保應變可透過應變規，從測試樣本中傳輸精確資料。

應變規的基礎參數為其對應變的敏感度，若量化表示即為應變係數(GF)。應變係數則為：電子電阻的局部變化/長度 (應變) 的局部變化之比例：

金屬應變規的應變係數 (Gauge Factor) 一般約為 2。

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。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。但受補償的應變規僅是降低熱敏感度，並非完全將之移除。舉例來說，鋁的溫度係數為 23 ppm/°C。若考慮到補償鋁的應變，則透過 1000 GF = 2 的名目電阻，則相對的應變錯誤仍可達 11.5 me/°C。因此，附加的溫度補償仍極為重要。

另請參閱：
溫度是如何影響應變量測的精確性？

量測應變

事實上，應變量測極少發生大於Millistrain (e x 10^-3) 的情況。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，假設測試樣本接受 500 me 的應變。則應變係數(GF) 為2 的應變規，將表現電子電阻的變化為2 * (500 x 10^-6) = 0.1%。針對 120 W 應變來看，此變化僅為 0.12 W。

1/4 橋接電路

即使方向不同，亦可同時啟動 2 個應變規，以加倍應變的橋接敏感度。舉例來說，半橋接電路圖顯示彎柄 (Bending beam) 應用，其中 1 組橋接以拉力固定 (R_G + DR)，另 1 組橋接則以壓縮力固定 (R_G - DR)。此半橋接電路圖亦顯示，此半橋接設定所產生線性的輸出電壓，並增加 1/4 橋接電路的輸出約達 1 倍之多。

半橋接電路

最後可於全橋接設定中，將橋接的所有 4 組應變臂設為作動應變規，以進一步提升電路的敏感度。全橋接電路即為下方全橋接電路圖所顯示。

全橋接電路

此處的 Wheatstone bridge 電路方程式，則假設 1 組為初始平衡的橋接，並可於未套用應變時產生零輸出。然而在實際情況下，由應變規應用所產生的電阻變化 (Resistance tolerance) 與應變，將產生某些初始的偏移電壓。這些初始的偏移電壓一般有 2 種處理方式。可使用特別的偏移消除 (Offset-nulling) 或平衡電路，調整橋接中的電阻，以重新平衡橋接為零輸出。另外亦可透過軟體，量測電路的初始非應變輸出與補償。

目前有多種常見的量測應變 (以相對的普遍性為順序)：

 

彎曲應變 (Bending Strain) – 以線性力 (F_V) 呈垂直方向施加。

軸向應變 (Axial Strain) – 以線性力 (Fa) 呈水平方向施加。

 

剪力應變 (Shear Strain) – 以線性力 (F_S) 同時呈水平與重直方向施加。

扭力應變(Torsional Strain) – 以旋轉力(F_T) 同時呈水平與垂直方向施加。

選擇正確的應變規類型

選擇應變規時的 2 項重要準則，即為敏感度與精確度。一般來說，若使用越多應變規 (以全橋接電路取代 1/4 橋接)，則量測作業的速度將越快，也更精確。另一方面來說，成本要素亦將影響所選擇的應變規。在正常情況下，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。多種應變與應變規的相關摘要，請參閱下表的應變規彙整。

應變規彙整