以應變規進行應變量測

應變規與應變規架構的感測器，均可進行多種量測。從負載與力，到壓力與力矩。可點選下列連結以了解更多應變相關主題，並觀看應變力/負載/力矩/壓力特定的應用範例： 

  針對應變量測設定 DAQ 系統

  尋找應變資料擷取應用的範例

  尋找應變規

應變規架構量測的硬體解決方案

	應變規架構的感測器
	模組	說明	圖片
內建訊號處理功能的 DAQ	PXI-4220	可程式化的雙通道高速應變輸入裝置
高效能訊號處理功能	SCXI-1520 或 SCXI-1521	可程式化的 8 個通道應變輸入模組 可程式化的 24 個通道應變輸入模組
低價位的每通道訊號處理功能	SCC-SG0x 或 SCC-SG24*	雙通道應變輸入模組
分散式 DAQ	cFP-SG-140	8 個通道的應變輸入模組

* 適用於荷重元與壓力/力/力矩感測器

 

高效能訊號處理：SCXI

SCXI 為高效能的訊號處理平台，適用於電腦架構的儀控應用。SCXI 系統包含抗雜訊式機箱，可容納整合的訊號處理輸入與輸出模組，執行多種訊號處理功能。使用者可直接將 SCXI 模組連接至多種不同的感測器，包含應變規。SCXI 系統可做為前端訊號處理系統，適用於 PCI、PXI，或 PCMCIA 資料擷取裝置。若要了解更多相關資訊，請至 SCXI 產品頁面，或回到 頂端。

低價位的每通道訊號處理：SCC

 SCC 為低價位的可攜式訊號處理系統，適於搭配使用E 系列與基礎的多功能DAQ 資料擷取卡。SCC 產品可處理各種類比輸入與數位 I/O訊號。透過此模組化的設計，可依每通道為基礎，選擇所需的處理作業。SCC 提供客制化的連結選項，可搭配所需的感測器或訊號連結類型。SCC DAQ 系統屬於短版接線盒，不僅可搭配使用PCMCIA DAQCards 於可攜式應用，亦適用於機架固定式或桌上型的應用。若要了解更多相關資訊，請至SCXI 產品頁面，或回到頂端。

內建訊號處理功能的 DAQ：435x

NI 4350 與4351 介面卡為電腦架構的高精確度儀器，特別設計用於溫度量測(包含熱電偶、RTD，與熱敏電阻)、層析(Chromatography) 量測，與±15 V 以內的低頻類比訊號。此2 組介面卡可提供卓越的量測品質，並可緊密整合如LabVIEW、CVI，與Measurement Studio 的開發環境，以簡化量測應用的開發作業。NI 亦提供PCI、PXI、PCMCIA，與USB 介面的資料擷取卡。若要了解更多相關資訊，請至SCXI 產品業面，或回到頂端。

分散式 DAQ：FieldPoint & Compact FieldPoint

若量測、控制，或資料記錄應用，均必須牽涉本端或遠端的多種感測器與致動器陣列，則可考慮採用網路連接架構的FieldPoint 系統。NI FieldPoint 為簡單易用、高擴充性的量測與控制系統，並整合工業級的獨立I/O模組與通訊介面。NI FieldPoint 完全為可靠的功能所設計，並讓使用者可在嚴苛環境中提高產能。若要了解更多相關資訊，請至Compact FieldPoint 產品頁面，或回到頂端。

何謂應變？

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 1 所示。

圖 1. 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1 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。物質的蒲松比為應變的負比例：橫向(與力呈直角) 的應變負比例/軸向(與力呈平行) 應變；或可表示為n = e_T/e。舉例來說，鋼的蒲松比為0.25 ~ 0.3。

若需更多應變的相關資訊，請至應變線上教學，或回到頂端。

何謂應變規？

雖然有多種方式可量測應變，但是最常見的方法即為應變規。此裝置的電子電阻將隨裝置中的應變總數，產生不同的比例。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 (圖 2)。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。格線將固定至稱為載體 (Carrier) 的輕薄內襯中，並直接附加至測試樣本。因此，測試樣本的應變將直接傳輸至應變規，並於電子電阻中反應出線性變化。一般市面上的應變規，為 30 ~ 3000 Ω 的名目電阻值；最常見的為 120、350，與 1000 Ω 電阻值。

圖 2. 合金應變規

應變規必須以正確的方式固定至測試樣本，才能透過具有黏性的應變規內襯，從測試樣本精確傳輸應變至金屬薄片。

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(GF) 一般約為2。

若需要更多應變規的相關資訊，請至應變規線上教學，或回到頂端。

以應變規進行應變量測 

事實上，應變量測極少大於Millistrain (e x 10^-3)。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。

若要量測電阻中的極小變化，則應變規必須使用於包含電壓激發源 (Excitation source) 的橋接設定中。如下方所示的一般 Wheatstone bridge，則包含 4 組電阻臂 (Resistive arm) 與 1 組激發電壓 V_EX；激發電壓則套用至整組橋接。

圖 3. Wheatstone Bridge

橋接的輸出電壓為 V_O，將等於：

從此方程式來看，當R₁/R₂ = R₄/R₃時，電壓輸出 V_O則明顯地為零。在這些條件下，則橋接為所謂的平衡狀態。任何電阻臂的電阻若發生變化，則輸出電壓必不為零。

因此，若將圖 3 中的 R₄替換為作動 (Active)應變規，則當應變規電阻發生任何變化時，橋接均將成為非平衡狀態，並造成不為零的輸出電壓。若應變規的名目電阻設定為 R_G，則 DR 為電阻中由應變導致的變更；可表示為 DR = R_G·GF·e。假設 R₁ = R₂且 R₃ = R_G，上列的橋接方程式可重新寫為 V_O/V_EX，代表應變的函式 (參閱圖 4)。請注意，以應變為著眼點，則算式 1/(1+GF·e/2) 則表示 1/4 橋接輸出的非線性特性。

圖  4. 1/4 橋接電路

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。

若於橋接中使用 2 組應變規，則更能降低溫度的影響。舉例來說，圖 5 的應變規設定，則表示 1 組作動 (Actvie)應變規 (R_G + DR) 與另 1 組橫向於應變的應變規。因此，應變將影響第二組應變規，稱為非作動應變規 (Dummy gauge)。然而，溫度若發生任何改變，均將以相同方式影響此 2 組應變規。由於 2 組應變規的溫度變化均相同，因此電阻比例與電壓 V_O並不會發生變化；而其所造成的影響將可降至最低。

圖 5. 使用非作動 (Dummy) 應變規降低溫度的影響

若在半橋接設定中同時啟動應變規，則可加倍橋接對應變的敏感度。舉例來說，圖 6 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)。此半橋接設定的電路簡圖亦如圖 6 所示，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。

圖 6. 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。全橋接電路正如圖 7 所示。

圖 7. 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。

上述方程式的 1/4 橋接、半橋接，與全橋接應變規設定，均假設為可忽略的導線電阻。忽略導線電阻之後，即可輕鬆了解應變規量測的基礎概念；但若於實際情況中，則可能導致極大的錯誤。舉例來說，如圖 8a 中所顯示應變規的雙線式連結。.假設連接至應變規的每條導線均為 15 m 長，並包含 1 W 的導線電阻 R_L equal to 1 W。因此導線電阻將新增 2 W 的電阻至橋接臂。除了發生偏移錯誤之外，導線電阻亦將失去對橋接輸出的敏感度。

使用者可量測導線電阻 R_L以改正此項錯誤，並將之納入應變計算中。然而，由於溫度變化，導線電阻可能引起更多複雜的問題。針對銅線的一般溫度係數 (Temperature coefficient) 來看，即便是極小的溫度變化，亦可產生數個 me 的量測錯誤。

由於導線電阻將影響橋接的鄰近接腳 (Leg)，因此可透過 3 線式的連結功能，將多種導線電阻的影響降至最低。如圖 8b 所示，僅改變導線電阻 R₂，而不要改變橋接接腳 R₃與 R_G 的比例。因此可互相抵銷由溫度所導致的電阻變化。

圖 8. 1/4 橋接電路的雙線式與 3 線式連結

若需更多應變的相關資訊，請至 應變線上教學，或回到 頂端。