上篇 应变测量——强度测试

一个构件设计得合理与否，主要取决于其强度和刚度。

为什么要进行构件的应变测量（Strain Measurement）？因为力可使构件产生内应力而使构件表面产生应变，如果测试了构件在实际工作中应变的大小和变化规律，根据胡克定律或广义胡克定律建立应力应变关系，就等于掌握了应力的大小和变化规律，就可以校核构件的强度，为合理设计构件的几何尺寸和截面形状提供依据，使强度设计达到既经济又安全的目的。

通过实验对构件或结构进行应力分析的方法，称为实验应力分析（Experimental Stress Analysis）。实验应力分析的方法很多，有电测法、光弹法、云纹法、散斑干涉法和脆性涂层法等。但在机械工程测试领域应用最广泛、最实用的方法是电测法。那么，电测法除了能测试构件的应变外，还能测试哪些参量，其变换原理是怎样的呢？

第1章 电测法的基本原理和信号的变换

电测法属于测试技术范畴。所谓测试就是用试验（实验）的方法，借助于测试仪器或试验设备，得到被测量数据大小与变化规律的过程，即测试技术是研究对象的状态、运动和特征等信息的一门技术。

与测试技术密切相关的试验有基础理论研究试验、整机或零部件的强度试验、模拟试验、破坏性试验、安全性试验、可靠性试验、产品性能的验证性试验、正交试验等。

测试仪器包括信号的采集、测量、记录、采样、分析等仪器，如各种类型的传感器、应变仪、电荷放大器、磁带记录仪、数据采集系统、微机等。有时还需要通过试验设备，如振动试验台进行激振，使用试验机施加力，以获取通过直接测量无法得到的有用信息。

测试技术发展到今天已完全突破了原有的单一的测量意义，它综合了测量、控制、模型及仿真、信号处理和分析、网络、系统辨识和参数估计、人工智能、神经网络等技术，成为了一门独立发展的学科。这些内容中的每一部分，都在发展和完善着。

1.1 电测法的基本原理

测试的对象是机械量，又称非电量，而测试的手段是采用电测的方法。那么机械工程领域中的非电量包括哪些内容？

1.1.1 非电量测试的研究对象

机械工程领域中测试的对象主要有3部分。

1. 应变的测量

设计构件的结构，或校核构件强度的主要依据是构件的受力大小和方向。但是一个构件在一部机器工作中所受的载荷往往难以确定，因为载荷往往是动态的随机载荷，再加上构件结构复杂，受力分析困难，数学模型往往建立不起来，于是就要借助于现场实测构件的应力大小和方向。因此在机械工程领域测试的对象之一是应变（Strain）测量。构件的应变可以直接反映应力的大小和变化规律，测试应变相当于研究构件的应力和强度。

好比一个人肚子痛去医院看病，医生难以确诊，但可以让病人验尿、验血、做心电图、做CT……这其实就是医学上的检测技术。面对检验数据，医生心里有了数，对病情的诊断就有了把握，会立即制订出治疗方案。那么，对于一位机械设计师来讲，有了现场实测的构件的应力大小和方向，就相当于医生拿到了“化验单”，设计计算也就迎刃而解了。

应变测量可以在时域上获得构件的应力最大值（峰值、峰峰值）、最小值、平均值，以及最大主应力的大小、方向和变化规律。时域测量也叫做瞬态测量，主要测量被测量随时间的变化规律。当然对于动态信号的测量，还可将获得的时域信号进行频域分析，获得动态信号的频率结构组成。

应变测量的方法是在被测构件上沿主应力方向粘贴应变片，对构件实行静态加载或动态加载后，利用测量系统测试出应变的大小及其变化规律。

例如，重型矿用自卸汽车车架是各总成的安装基体，车架结构复杂，后安装架、纵梁、扭力筒、圈形横梁、前纵梁、保险杠等连接在一起构成了复杂的空间结构。它承受各总成的质量和载荷及各种工况下的动载荷，造成车架长期处于大的冲击载荷、扭转载荷和交变载荷的作用，所以车架必须有足够的强度、刚度及抗疲劳性。

通过CAE软件ANSYS对自卸汽车在满载状态下的车架进行静力学分析，可找到最大应力点及最大应力区域，图1-1所示是车架后纵梁中部燃油箱托架处的变形情况。再结合用户使用过程中实际发现的车架损坏报告，可确定车架测试的位置，部分测点位置如图1-2所示，在这些测点贴上应变片，使用静态测量系统和动态测量系统可以测试汽车在满载工况下的静应变、动态应变和应力。由于车架主要结构左右对称，所以测点主要布在一侧。

2. 机器的性能参数测试

机器的性能参数又可分为运动参数、动力参数及静止性能参数。这是电测量的另一主要测试内容。现场测试机器的性能参数，可以验证与设计值符合的程度。机器的性能参数代表了其工作能力、产品质量。

① 运动参数，常见的有位移x（如油缸位移量、某点变形量等）、速度v（如主轴转数、车辆行驶速度、工作台运动速度等）、加速度a（车辆的加速性能、减速性能、振动加速度等）、时间t（如启动时间、制动时间、加速时间等）。

② 动力参数，如振动性能参数（激振力、振幅、频率）、车辆的牵引力、回转阻力、油缸举升力、回转轴扭矩、切削力、噪声、温度、压强和流量等。

③ 静止性能参数，如最大外形尺寸、轴距、轮距、桥荷、车辆的质量等。

机器的性能参数在测量时要考虑测试工况，即在机器的什么状态下测得的数据。如测量某一工程车辆的振动性能参数时，就要考虑在怠速工况、某车速（如50km/h、80km/h）匀速行驶工况、柏油路行驶、沙土路行驶、碎石路行驶等工况。

传感器的安装位置、数量等要参考有关的国家测试标准。

图1-3所示为某客车方向盘Z测点在怠速工况下测得的加速度-时间历程曲线（上）和在软件上分析的频谱图（下）。

3. 外载荷参数测试

外载荷（如挖掘力、插入阻力、行走阻力、重心位置（工作装置位置不同，重心位置不同）等）的大小往往是设计构件及确定动力大小的依据，也是本行业科学研究的主要领域，因此外载荷的测量是测试的又一重要内容。

采用电测技术测量以上参量时，首先要把机械量转变为与之变化规律相同的电量，对电量进行测试以后，就等于掌握了机械量的大小及变化规律。

将非电量转换为与非电量成一定关系的电量再进行测量与分析，称为非电量电测技术，简称为电测技术。实现这种转换的器件称为传感器。研究及其应用电测的仪器、仪表技术从而正确和快速地测得非电量参数是我们研究的内容。

随着微电子技术、计算机技术、通信技术及网络技术的迅速发展，非电量的测量技术水平也相应地得到提高。

1.1.2 电测法的基本原理和测试环节

为什么要把非电量转变成电量？这是因为，目前对电量，如电压、电流、电功率、电阻、电容、电感等参数的测试技术已经十分成熟、精确，且简便易行。

另外电学中的一些常用电路也十分成熟、简便和有效，如放大电路、滤波电路、整流电路等。同时电信号的传输、处理技术也比较完善，便于与计算机联网处理数据。

所以对非电量参数只要是能够转变成电量，就可以实现高精度的测量。如何将非电量转换成电量，哪种非电量利用什么原理转换成何种电量是我们关注的。

下面举例介绍电测法的基本原理。图1-4所示为装载机工作装置，在进行铲斗插入、装满物料、举升装卸的过程中，多次出现了摇臂连杆断裂的现象，这说明摇臂强度不够。为了搞清摇臂处应力的大小和翻斗油缸的压力变化情况，在摇臂上粘贴应变片，在翻斗油缸处安装压力传感器，这样原来看不见、摸不着的应力和压力的变化规律被转换成电信号的记录曲线，对此记录曲线进行分析处理就知道了摇臂处的应力大小和油缸的压力大小。

以上测量过程包括如图1-5所示的几个环节。

以上几个环节组成了一个完整的测量系统。信号来源是指被测机械量参数，如杆件应力、传动轴的扭矩、外力、速度、加速度等；信号变换是指利用各类传感器把机械量变成电量的环节；信号测量是指把转换后的电信号利用应变仪、电荷放大器等进行不失真的放大、滤波、检波和测量；信号记录是指利用磁带记录器、光线示波器等把送来的信号记录下来，或者直接利用计算机进行信号存储；信号处理是指利用快速傅里叶变换器或相应软件等对数据进行数值分析、误差分析、频谱分析、相关分析等，从测试的数据中找出有用的信息；而信号传输存在于各个环节之中，为了保证信号在传递过程中不受噪声干扰，保证信号精度，常常采用屏蔽或接地等技术。

当然，某些简单的测量可以应用传感器或使用专门的仪器直接测量、显示，而不必具备以上所述的各个环节，如应用角位移传感器测量角度、应用声级计测量噪声、利用红外线测温仪测量温度、应用激光测距仪测量距离等。但对于常用的应变测量，则需要整个测试系统来完成。常用的测试系统主要分为静态测量系统和动态测量系统，对于振动参数的测量也需要调频测量系统来完成。

1.1.3 电测法的主要特点

电测法之所以得到了广泛应用，因为它有以下的主要特点。

① 测量精度高，灵敏度高，数据稳定可靠。

② 测量技术简单，易于掌握，使用方便，仪器价格较低。测试装置能方便地改变量程，测量范围广，应变测量范围可达20000με。

③ 能够连续、自动地对被测量进行测量和记录，准确度高，反应速度快，不仅能用于静态测量，还能用于动态测量和瞬态测量。

④ 电信号可以远距离传输，便于实现远距离测量、集中控制及组成控制网络等。

⑤ 可以方便地与计算机相连，进行数据的自动运算、分析和处理。

1.1.4 检测技术的发展方向

（1）向着高精度、高可靠性、微型化和集成化的方向发展。

在航空、宇航、生物医学工程中使用的传感器要求微型化、高精度、高可靠性，如世界上最大的能源号运载火箭由几千个传感器组成，只有传感器微型化才能应用。在医学领域，探测人体内部功能的传感器也必须是微型传感器。

（2）新技术、新材料和新工艺的应用，促生了新型传感器，从而不断地扩大了检测领域。

例如，在机器人工程的发展中，已经研制出了灵敏度高的新型的视觉、触觉、听觉、味觉传感器等。

（3）采用计算机技术，使检测技术由模拟式、数字式向智能化方向发展。

测量仪器向高精度和多功能方向发展，要求量程范围更加宽广。仪器精度提高后，可减少试验次数，缩短研制周期，减少试验经费，降低产品成本。

（4）参数测量与数据处理向自动化方向发展。

一个产品的大型、综合性试验，准备时间长，待测参数多，往往达到上百个数据通道，如果靠人工去检查和数据处理，不仅精度低，而且耗时、费力且周期长。采用以计算机为核心的多通道自动测试系统，可实现多路采集，自动校准、修正与故障诊断，自动分析、处理信号，打印与绘图。这些功能是通过计算机预定的程序来控制和完成的，可加快试验进度，大大提高测量精度，缩短试验周期，加快产品的更新与开发周期。

1.2 传感器概述

传感器（Transducer/Sensor）的作用就是把我们所关心的非电量参数转换成与其成一定关系的电量参数，因此信号变换是电测法的第一个环节。传感器是实现信号变换的工具，它获取的信息正确与否，直接关系到整个系统的测量精度。图1-6所示是机械工程领域常用的两种传感器，大家先有个感性认识。

人类社会正在由高度工业化社会向信息化社会转化，现代信息技术的三大基础是信息采集、信息传输和信息处理，即传感技术—通信技术—计算机技术的综合运用，构成了信息技术系统的“器官”—“神经”—“大脑”。

1.2.1 传感器是人感知的延伸

人的感官就是天然的传感器，如眼、耳、鼻、舌、皮肤具有感知视、听、嗅、味、触觉的功能。

工程技术中使用的传感器也是为了“感”和“传”，是人体感官的模拟物。

人的“五感”有局限性，如人感觉不到机器的杆件在受力后的微应变，看不见红外线（人眼只对光亮度超过10-3cd/m2的光才敏感，人眼敏感的光谱范围为0.38～0.78μm），听不到低频和超高频的声音（人语频率为300～3000Hz）。狗的嗅觉比人灵敏106倍，鸟的视觉为人的8～50倍，蝙蝠、海豚的听觉及蛇的接近觉（分辨率达0.001℃）都是人不可比拟的。

人类要进一步认识自然和改造自然，单凭自身的感觉器官就显得非常不够了，于是一系列代替、补充和延伸人类感觉器官功能的传感器应运而生。

比如，铁水的温度达到上千度，可以借助于温度传感器来测量；海底深度和形状的测量，也必须借助于相应的测量仪器，因为人潜水的极限深度只有30m，专业潜水员也不超过80m，即使氧气的问题解决了，人也无法承受水的压力。有一年我国棉花特别畅销，原因是发达国家通过遥测技术对全球扫描，发现当年各国棉花欠收，唯有中国的棉花长势最好，所以他们抢在前面大赚了一笔。

人与机器的机能对应关系如图1-7所示。

目前传感器的发展相对滞后于控制理论和计算机技术的发展，从而引起世界各国的高度重视。有人戏称，目前的工业有着聪明的“大脑（计算机）”、健全的“四肢（执行器）”和迟钝的“神经（传感器）”。

人类社会生产技术的发展历程是：手工化（人与简单工具）→机械化（动力机与机械）→自动化（自动测量与控制）→信息化（智能机械）。

人类一直不断地用机器替代和扩充自己的体力劳动和脑力劳动，不懈地探索机器的人工智能，这就要借助于各种传感器。

高度自动化的工厂可以说是传感器的集合地，如连续生产的轧钢生产线、几十万千瓦的大型发电机组、多功能装备攻击指挥系统、海洋探测系统等均需配备数以千计的各类传感器用来检测运行参数，达到运行监控的目的。

普通飞机在飞行时驾驶员要掌握飞行状态，如迎角、侧滑角、高度、航向、加速度、角加速度、发动机的温度、压力、流量、转速、推力及燃油的温度、油压、油量、流量、结冰状态、烟雾等，因此必须使用相应的传感器实时测量来获得各种参数。

航天飞机在试飞研究时，需要检测2570个缓变信号和几百个速变信号。航天飞机在执行飞行任务时，需要实时检测约3250个信号，这些信号必须通过传感器来完成。

仿生智能机器人更是传感器的集成。“机器人”这个名称是捷克的剧作家卡雷尔·察贝克（Karel Capek）1921年在剧本《Rossum’s Universal Robots》（罗松的万能机器人）中首先提出的。剧中机器人的名字是“Robota”（捷克语），意思是“劳役”、“苦工”、“农奴”。英文单词机器人“Robot”就是由此演变而来的。作者想象中的机器人不仅外形像人，而且具有人一样的智能和感性认识，现代仿生智能机器人正在向这个目标逼近。目前七自由度和多自由度的关节机器人安装了多种物理传感器（视觉、声觉、湿度、滑觉等）及化学和生物传感器（气味、嗅觉、味觉、鲜度、离子），具有了一定的“智能”。

传感器技术已成为各国相互竞争的核心技术之一。美国把当代看作是传感器时代，日本把传感器技术列为十大新技术之首。可以这么说，一个国家的传感器技术有多发达，它的科技就有多发达。

1.2.2 传感器的定义与基本组成

国标GB 7665—1987定义传感器为：能够感受规定的被测量并按照一定规律再转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件（Sensing Element）和转换元件（Transduction Element）组成。

定义中的“被测量”在机械工程领域是指机械量，“可用输出信号”是指便于处理和传输的电量。传感器即是一种以一定的精度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种电量的测量装置。例如，把拉力、扭矩的大小及变化规律转换成具有同样变化规律的电阻、电荷的变化。

传感器是一种把外界输入的非电信号转换成电信号的装置，所以一般也称传感器为变换器、技能器和探测器，日本人称之为工业侦查器。敏感元件是指传感器中能够直接感受或响应被测量的元件，是传感器的核心，如力传感器的敏感元件是钢制圆筒，它能把构件所受到的力变成位移量。

转换元件是指传感器中能将敏感元件输出的非电量转换成适于传输和测量的电量的部分。例如，力传感器的转换元件是应变片，它能把钢制圆筒产生的位移量转换成电阻的变化量。传感器的基本组成如图1-8所示。

电阻应变片也被称为传感器的一种，它可以直接粘贴在被测构件上，把位移量直接转换成电阻的变化量，其敏感元件是电阻丝或铂片。

1.2.3 传感器的分类

人们常习惯按照传感器的用途直呼传感器的名字，如位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器和温度传感器等。

早期发展的传感器，都是利用物理学场的定律（如电场、磁场、力场等）所购成的“结构型”传感器。其基本特征是通过传感器本身结构参数的变化来实现信号转换的。例如，电容式传感器通过电容器的极板间距发生变化而引起电容量的变化，电感式传感器通过活动衔铁的位移引起电感的自感或互感的变化等均是以其结构的部分变化或变化后引起场的变化来反映待测量（力、位移等）的变化的。

后来，人们开始利用敏感器件材料本身物理性质的变化来实现信号的检测。例如，用水银温度计测温，是利用水银的热胀冷缩现象，用压电测力计测力是利用石英晶体的压电效应等，这类传感器被称为“物性（理）型传感器”。物性型传感器是依靠敏感材料本身的物性，随被测量的变化来实现信号的转换的。因此这类传感器的开发实质上是新材料的开发。

目前发展最迅速的新材料是半导体、陶瓷、光导纤维、磁性材料和“智能材料”（如形状记忆合金、具有自增殖功能的半导体材料等）。这些材料的开发，不仅使测量热、光、磁、湿度、气体、离子等成为现实，也使集成化、小型化和高性能传感器的出现成为可能。当前控制材料性能的技术已取得长足的进步，这种技术一旦实现，将会完全改变原有敏感元件设计的概念，从根据材料特性来设计敏感元件，转变成按照传感要求来合成所需的材料。传感器正经历着从以结构型为主转向以物性型为主的发展过程。

按照传感器输出量的性质，可将其分为模拟式传感器和数字式传感器。将诸如应变、压力、位移、加速度等非电量转换成电模拟量（如电压、电流）输出的传感器一般称为模拟式传感器。为了便于计算机分析、计算数据，这些模拟信号需要经过A/D转换，将模拟量变成数字量。

数字式传感器是将被测非电量直接转换成数字信号输出，如光栅传感器、振弦式传感器等。

按传感器与被测量之间的关系，可将其分为能量转换型和能量控制型。能量转换型传感器（或称为无源传感器），是直接由被测对象输入能量使其工作的。例如，热电偶将被测温度直接转换为电量输出，由于这类传感器在转换过程中需要吸收被测物体的能量，所以容易造成测量误差。能量控制型传感器（或称为有源传感器）一般是由外部辅助能源供给传感器工作的，并且由被测量来控制能量的变化。例如，电阻应变计中电阻接于电桥上，电桥的工作能源由外部供给，由被测量变化所引起的电阻变化控制电桥的输出。

1.2.4 传感器的发展趋势

传感器的发展趋势可以从传感器结构变化的发展趋势和传感器使用发展趋势两方面来看。

1. 传感器结构变化的发展趋势

从传感器结构变化的发展趋势来看，传感器在向集成化、微型化、数字化、智能化和仿生化方向发展。

（1）集成化

在一块芯片上，将敏感元件、放大电路、运算电路和补偿电路等集成在一起，其实质是将传感器与测试仪器、处理分析技术等融为一体。

或者在同一个芯片上，将众多同类型的单个传感器件集成为一维、二维或三维阵列型传感器，使它们成为一体化装置或器件。

集成化的优点是体积小、可简化电路设计、节省安装和调试的时间、增加可靠性，缺点是一旦局部损坏就得更换整个器件或装置。

（2）微型化

微米、纳米技术的问世及微机械加工技术的不断实用化，可使传感器的体积和质量达到最小。微型传感器最显著的特征就是体积微小、质量轻，其敏感元件可由光刻、蚀刻、沉积、键合等微加工技术制作而成。

（3）数字化

数字化传感器便于把信号输入计算机，因此测量精度高、分辨率高、测量范围广、抗干扰能力强、稳定性好、自动控制程度高、便于动态和多路检测。性能可靠是该类传感器的主要特点。

（4）智能化

智能化传感器将普通传感器与专用微处理器一体化，兼有检测与信息处理功能，即不仅具有信号采集、转换和处理的功能，还同时具有信息存储、记忆、识别、自补偿、自诊断等多种功能。传感器智能化后，具备了认识广阔空间状态的能力，在复杂的自动化系统中，在机器人、宇宙飞船、人造卫星等领域都发挥着重要作用。

（5）仿生化

仿生传感器是人类在对生物界不断认识、不断研究的过程中发展起来的。例如，研究狗的嗅觉，鸟的视觉，蝙蝠、海豚的听觉等，分析它们的机理，利用生物效应和化学效应研制出实用的仿生传感器。随着科技的发展，仿生化的程度会越来越强。

2. 传感器使用发展趋势——“传感器网络”的应用

传感器的应用发展由单一使用、单一控制，逐渐扩大到采用“传感器网络”技术。

传感器网络，又称无线传感器网络（Wireless Sensor Network），是由许多在空间上分布的各种传感器，如温度传感器、湿度传感器、压力传感器、振动传感器、光照传感器、气体传感器等，通过无线的方式协作地实行实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象信息，如温度、声音、振动、压力、运动或污染物等，形成区域无线覆盖。如果使用有线传感器，则传感器网络成本较高且较难实现。

1.2.5 传感器网络技术

1. 传感器网络技术的优势

无线传感器网络最初起源于战场监测等军事应用，美国国防部高级研究所计划署于1978年开始资助卡耐基-梅隆大学进行分布式传感器网络的研究，这被看成是无线传感器网络的雏形。

（1）在军事领域的应用

在军事领域，传感器网络是由密集型、低成本、随机分布的节点组成的，自组织性和容错能力使其不会因为某些节点在恶意攻击中的损坏而导致整个系统的崩溃，这一点是传统的传感器技术所无法比拟的。这样可以使传感器网络非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括监控自己一方的兵力、装备和物资。战场上，指挥员往往需要及时、准确地了解部队、武器装备和军用物资供给的情况，而铺设的传感器将采集相应的信息，并通过汇聚节点将数据送至指挥所，再转发到指挥部，最后融合来自各战场的数据形成完备的战区态势图。

传感器网络可以监视冲突区和军事要地，侦察敌方地形和布防，定位攻击的目标，评估损失，侦察和探测核、生物和化学攻击的地点。通过铺设传感器网络，可以以更隐蔽的方式近距离地观察敌方的布防；当然，也可以直接将传感器节点撒向敌方阵地，在敌方还未来得及反应时迅速收集利于作战的信息。传感器网络也可以为火控和制导系统提供准确的目标定位信息。

在生物和化学战中，利用传感器网络及时、准确地探测爆炸中心将会为我军提供宝贵的反应时间，从而最大可能地减小伤亡。传感器网络也可避免核反应部队直接暴露在核辐射的环境中。

（2）民用传感器网络的应用

随着进展，传感器网络也从军用转向民用，如在森林火灾、洪水监测等环境应用中，在人体生理数据监测、药品管理等医疗应用中，在家庭环境的智能化应用及商务等方面的应用中。无线传感器可以长期放置在荒芜的地区，为野外随机性的研究数据获取提供了方便，用于监测环境变量，研究环境变化对农作物的影响；监测海洋、大气和土壤的成分，监测降雨量、河水水位，并依此预测爆发山洪的可能性；可以跟踪候鸟和昆虫的迁移；还可以对森林火灾进行准确、及时的预报。此外，传感器网络也可以应用在精细农业中，以监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。如果在病人身上安装特殊用途的传感器节点，如心率和血压监测设备，医生就可以利用传感器网络随时了解被监护病人的病情，进行及时处理。还可以利用传感器网络长时间地收集人的生理数据，这些数据在研制新药品的过程中是非常有用的。

传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等。

（3）在工业界中的应用

传感器网络在工业界中主要用于监测数据，包括视频监视地面交通、控制航空交通、用于机器人研究、用于汽车和工业自动化等。将大量的传感器节点遍撒指定区域，通过无线电波将数据传回监控中心，可以做到目观千里、耳听八方。例如，应用于冷轧机的故障自诊断系统，对故障点进行迅速、准确的定点定位监控，可以发现早期的故障苗头，极大地缩减找到故障点的时间，减少停机时间，减小损失；还可以监控数百个润滑点，保障机器正常运行。

2. 传感器网络的基本组成

传感器网络主要包括感应、通信和计算（硬件，软件，算法）三部分。因此无线传感器网络可以看成是由数据获取网络、数据分布网络和控制管理中心三部分组成的。其主要组成部分是集成有传感器、数据处理单元和通信模块的节点，各节点通过协议自组成一个分布式网络，再将采集来的数据通过优化后经无线电波传输给信息处理中心。

传感器网络的每个节点除配备了一个或多个传感器之外，还装备了一个无线电收发器、一个很小的微控制器和一个能源（通常为电池）。

节点的数量巨大，而且还处在随时变化的环境中，这就使它有着不同于普通传感器网络的独特“个性”。首先是无中心和自组网特性，这样网络便不会因为单个节点的脱离而受到损害。

在不同应用中，传感器网络节点的组成不尽相同，但一般都由数据采集、数据处理、数据传输和电源4部分组成的。被监测物理信号的形式决定了传感器的类型，处理器通常选用嵌入式CPU。

在传感器网络中，节点任意散落在被监测区域内，这一过程是通过飞行器撒播、人工埋置和火箭弹射等方式完成的。节点以自组织形式构成网络。

3. 传感器网络技术的应用简介

（1）传感器网络技术在智能交通系统（ITS）的应用

智能交通系统（ITS）在城市交通中的应用主要体现在微观的交通信息采集、交通控制和交通诱导等方面。

传感器网络主要由信息采集输入、策略控制、输出执行、各子系统间的数据传输与通信等子系统组成，如图1-9所示。

信息采集子系统通过终端节点，采用非接触式地磁传感器，定时采集和感知区域内车辆的速度、车距等信息。当车辆进入传感器的监控范围后，通过磁力传感器采集车辆的行驶速度等重要信息，并将信息传送给下一个定时醒来的节点。策略控制子系统根据设定的目标，采集通行量最大、平均候车时间最短等信息。当下一个节点感应到该车辆时，结合车辆在两个传感器节点间的行驶时间估计，就可估算出车辆的平均速度。多个终端节点将各自采集并初步处理后的信息通过汇聚节点汇聚到网关节点，进行数据融合，获得道路车流量与车辆行驶速度等信息，从而为路口的交通信号控制提供精确的输入信息，然后运用计算方法（如模糊控制、遗传算法等）计算出最佳方案，并输出控制信号给交通信号控制器等执行子系统，引导和控制车辆的通行，达到交通管理的目标。

用于交通信息采集的无线传感器网络部署如图1-10 所示。通过给终端节点安装温湿度、光照度、气体检测等多种传感器，还可以进行路面状况、能见度、车辆尾气污染等检测。

（2）无线传感器网络的远程医疗监护系统

为了使经常需要测量生理指标的慢性病人或老年患者能够在家中，在随意运动的状态下测量某些常规指标，可以采用无线传感器网络的远程技术。网络式监护装置及系统，利用高频率的无线多通道数据传输方式，传递医疗传感器与监护控制仪器之间的信息，减少监护设备与医疗传感器之间的连线，使得被监护人能够拥有较多的自由活动空间，在获得较准确的测量指标的同时，免除病人在家庭与医院之间奔波的劳苦。

同时，在医院病房内建立无线监测网络后，很多项测试可以在病床上完成，极大地方便了病人就诊，并加强了医院的现代化信息管理和工作效率。另外，远程监护系统还可以扩展，使远离医院等医护机构的病人也能够随时得到必要的医疗监护，并且在必要的时候得到远程医生的咨询、指导。

由监护基站设备和无线专用传感器节点可以构成一个微型监护网络，其网络和传感器节点结构如图1-11所示。医疗传感器节点主要包括4部分：处理器部分、数据存储部分、传感器模块和RF射频通信部分。医疗传感器节点被用来测量各种人体生理指标数据，如体温、血压、脉搏、血糖、血氧等，同时传感器还可以对某些医疗设备的状况或者治疗过程的情况进行动态监测，并通过射频通信的方式，将数据传输至监护基站设备。所获得的数据信息通过无线通信的方式被传输到医疗监护基站设备上。传感器节点上使用中央控制器对所需要监测的生命指标进行控制来采集数据，通过无线通信方式将数据发送至监护基站设备，并由该基站装置将数据传输至所连接的PC或者其他网络设备上，再通过Internet网络将数据传输至远程医疗监护中心，由专业医疗人员对数据进行统计观察，实现远程医疗。

1.3 电阻式应变片

电阻式应变片（Resistance Strain Gage）属于电阻式传感器，简称应变片。顾名思义，它的用途就是测量构件表面的应变。

按构件的受力状况，将应变片用胶水粘贴在被测构件上。当构件受力变形时，应变片的电阻值就发生相应的变化。通过应变仪将这种变化测量出来，并换算成应变值或输出与应变成正比的模拟电信号，并记录此电信号，再作分析与处理，从而得到应力、应变值与其他物理量。

电阻应变测量技术起源于1856年，W.Tomson对金属丝进行拉伸试验，发现金属丝的应变与电阻的变化有一定的函数关系，并用惠斯登电桥可以精确地测量该关系。1938年人们制造出第一批实用的应变片。

1.3.1 应变片的基本结构

应变片由敏感元件、基底及引线构成，如图1-12所示。

敏感元件（Sensing Element）是用来感受应变的。早期的敏感元件一般采用直径0.015～0.05mm的电阻丝（康铜丝、镍铅丝、铁铬铝丝、镍铬铝丝及镍铁合金丝等）在专用工具上绕制而成。目前广泛使用的箔式应变片的敏感栅是用厚度为0.003～0.01mm的高阻值的金属箔片经光刻、腐蚀等工艺制成的，其常用材料是康铜、镍铬合金。箔片薄而柔软，可粘贴于复杂形状的构件表面，较真实地反映其应变值。箔式应变片具有粘贴牢固、散热性好、疲劳寿命长、蠕变小等优点。箔式应变片敏感栅的横向部分可以做得比较宽，所以其横向效应（Transverse Sensitivity）小。

基底是用来保护敏感栅、传递应变并使敏感元件和试件之间具有极好的绝缘性能的。基底包括基层（下基底）和覆盖层（上基底）。基底通常根据应用范围的不同而采用不同的材料制成，常见的有纸基、胶基和金属薄片。纸基一般用多孔性、不含油分的薄纸制成。胶基常用缩甲乙醛胶经半固化处理后制成厚度为0.03～0.05mm的膜片。金属薄片通常由镍铬铝片和不锈钢片制成。

引线用来将敏感元件接到测量电路中。为了减小引线的电阻，早期的引线由镀银铜丝制成，目前引线主要由0.1～0.2mm的低阻镀锡铜丝制成。在高温应变片中常用镍铬铝丝制成。

1.3.2 应变片的工作原理

应变片是根据应变效应的原理进行工作的。所谓应变效应（Strain Effect）是指金属导线的电阻随其变形而发生变化的现象。以一根电阻丝为例，如图1-13所示。

在不受力时，其初始阻值为

式中

R——金属导线的初始阻值，Ω；

L——金属导线的长度，mm；

A——金属导线的横截面积，mm2；

ρ——金属导线的电阻率。

受力时，电阻丝的长度变长，横截面积变小，L与A都是变量；同时由于电阻丝的变形引起晶格的变化，所以其电阻率也发生了变化，因此ρ 也是变量，所以电阻的增量dR为全微分。

式（1-3）中，等号右边第一项，根据材料力学为

根据材料力学关于泊松比的定义，可得

把式（1-4）代入式（1-5），得

对于金属材料，常取μ=0.285≈0.3。

所以，式（1-3）中，等号右边第二项等于

式（1-3）中，等号右边第三项等于

式中

c——比例系数，对于确定的材料，它是常数；

V——金属导线的体积。

故

因此

因为c与μ 都是常数，所以设K0=1+2μ +c(1-2μ)=常数。

因而

从式（1-11）中可见，电阻丝受力后，其电阻的变化率与电阻丝产生的应变成正比，这就是应变片的工作原理。当应变片粘贴在构件上时，如果构件受力产生应变ε，就会引起应变片电阻的变化，测试了电阻的变化值，就可以知道应变ε 的大小了。

K0称为电阻丝的灵敏系数，其值在电阻丝拉伸的比例极限内为常数。

K0一般用实验的方法确定，康铜的K0一般为1.9～2.1，镍铬合金的K0一般为2.1～2.3。

1.3.3 线应变的单位与国际单位制

1. 线应变的单位

线应变无量纲，无单位，常用με 表示，这样人们往往以为线应变的单位是με。根据材料力学，线应变的代号用希腊字母ε 表示，而不是单位。这里的μ 表示“微”的意思，是10-6，因此线应变往往称为微应变。构件的应变值一般均很小，约为10-6～l0-3。这涉及国际单位制问题，国际单位制由“SI单位”和“SI词头”两部分构成。

2. SI词头

国际单位制规定一个物理量只有一个SI单位，实际使用起来有时会带来不便。例如，长度的单位为“米”，符号为“m”，对于一个小的长度，如0.000001m，显然小数点后面的位数太多，特别是在测试领域，在弹性范围内构件受力所产生的长度都很小；对于一个长距离的长度，如两地距离可能为10000m，这样数字的位数又太多，对于读数和记录十分不方便。为此，国际单位制规定了一套“词头”，用它和SI单位组合，形成SI单位的十进倍数单位和十进分数单位。有了词头，上面两个数字就可以分别表示成1μm和10km。这里的“μ”、“k”就是词头，分别读为“微”和“千”。词头永远不能单独使用。

常见的SI词头见表1-1。

3. SI单位

“SI单位”包括“SI基本单位”、“SI导出单位”和“SI辅助单位”三部分内容。

机械工程所用的基本单位、辅助单位和导出单位应符合表1-2的规定。

1.3.4 应变片的工作特性

1. 应变片粘贴的方向性

应变片粘贴在试件上时，其纵轴方向应与试件的主应力方向一致。

构件在载荷作用下，其形状和尺寸都将发生改变，即产生变形。构件发生变形时，内部任意一点将产生移动，这种移动称为线位移。线应变的物理意义是构件上一点沿某一方向的变形量大小。

先引入应变片的灵敏系数（Gage Factor）的概念。

所谓应变片的灵敏系数是指在单向应力状态下，应变片的纵轴方向与主应力方向一致时，

应变片电阻的变化率与试件主应力方向上的应变值ε 之比。灵敏系数用K表示，则

这里的“单向应力状态”是指杆件的拉伸（压缩）、扭转、弯曲和剪切等基本变形。轴向拉伸和轴向压缩是指杆的变形由大小相等、方向相反、作用线与杆件轴线重合的一对力引起，表现为杆件的长度发生伸长或缩短；扭转是指杆的变形由大小相等、转向相反、作用面都垂直于杆件轴的两个力偶引起，表现为杆件的任意两个横截面发生绕轴线的相对转动；弯曲是指杆的变形由垂直于杆件轴线的横向力，或由作用于包含杆轴线的纵向平面内的力偶引起，表现为杆件轴线由直线变为曲线；剪切指杆的变形由大小相等、方向相反、相互平行且作用线相距很近的一对力引起，表现为受剪杆件的两部分沿外力作用方向发生相对错动。

“应变片的纵轴方向与主应力方向一致”是说应变片粘贴的方向，如杆件受到拉伸时，主应力方向如图1-14（a）所示，应变片的纵轴方向可以为R1、R2、R3、R4（在R2的对面，不可见，用括弧表示）的任何位置；当杆件受到扭转时，主应力方向与轴线成45°或-45°，如图1-14（b）所示，那么应变片的纵轴方向也应与轴线成45°或-45°。

那么，如果杆件受弯曲时，应变片的纵轴方向应该如何确定呢？请同学们自己确定。试验时，应变片应沿主应力方向粘贴。

应变片的灵敏系数K是制造厂抽取5%的应变片，在等强度梁上或纯弯曲梁上试验而得的。康铜的灵敏系数K从弹性区到塑性区基本保持不变，因此大应变的应变片常用康铜制成。

应变片的灵敏系数K与电阻丝的灵敏系数K0不一样，它恒小于电阻丝的灵敏系数K0。这是因为试件上应变片的应变要通过试件和应变片基底之间的胶层、基底及基底和丝栅之间的胶层传给电阻丝，且依据剪应力形式进行传递。理论分析和实验表明，应变片两端所受的剪应力最大，中点的剪应力为零，由此传给电阻丝的轴向力两端的轴向力为零，向中间以指数曲线的形式上升，至某一定值后均匀分布。尽管应变沿轴向分布均匀，但电阻丝的应力分布不均匀，电阻丝参加变形的长度比原来的长度减小，所以灵敏度降低了。

同时由于试件纵向拉伸变长，横向缩短，应变片的纵向部分电阻值增大，而横向部分电阻值减小，因而电阻的变化率将减小，应变片灵敏系数也下降了。

常用的应变片（半导体应变片除外）的灵敏系数K为2左右。

根据公式（1-12），可以描绘出电阻的变化与应变的关系表达式：

2. 应变片的温度特性

应变片的温度特性（Temperature Characteristics）是指应变片的电阻随温度的变化而发生变化的现象。

发生变化的原因有两种。

（1）电阻丝本身热胀冷缩。电阻随温度的变化而变化，由温度引起的电阻增量ΔRt1为

式中

α0——电阻丝的电阻温度系数；

Δt——温度的变化值；

R——电阻丝的初始电阻。

（2）试件和电阻丝的线膨胀系数的差异。

因为试件与电阻丝的材料不同，线膨胀系数不一样，因而当温度变化时，两者的伸长或缩短就不同，这就形成一个因温度变化而引起的电阻值ΔRt2。

假定试件和电阻丝的线膨胀系数分别为βf 和βs，则当温度变化Δt 时，其长度的变化量分别为

Δl′=l βf Δt

Δl″=l βs Δt

假定Δl′＞Δl″，则 Δl=Δl′-Δl″=l(βf-βs)Δt，由此产生的电阻的变化量为

式中

l——应变片的基长；

K——应变片的灵敏系数；

R——初始电阻值。

总的因温度变化而引起的电阻增量为

由温度引起的电阻变化对测量的影响很大，有时会使整个测量数据失去意义。因此，必须在测量的过程中采取温度补偿措施予以消除。

3. 温度补偿方法

温度补偿的目的是为了消除应变片由于温度而引起的电阻变化。常见的补偿方法有自补偿

法、选择补偿法等，但目前最常用的是桥路补偿法。

桥路补偿法的原理是基于电桥的加减特性。当电桥的两个相邻桥臂的温度附加电阻增量符号相同时，反映在电桥的输出上是相互抵消的作用，其工作原理将在第2章介绍。

桥路补偿的条件应满足“三同”，即工作应变片和温度补偿片初始电阻相同、灵敏系数相同（简称“同参数”）。因此工作应变片和温度补偿片应采用同一批应变片，工作应变片和温度补偿片应粘贴在相同的材料上（简称“同材料”），两个应变片应同处于一个温度场中（简称“同温度”），这样则将起到温度补偿的效果，消除因温度引起的误差。

4. 应变片的动特性

应变片的敏感元件有一定的长度，它所感受的应变实际上是该长度的平均应变。

在动态测量时，应变以波动的形式在构件中传递。因此，在某一瞬时反映在应变片基长内的应变波的波速，将对测量结果有很大的影响。

应变片的中心应变值和平均应变值的相对误差为

式中

l——应变片的基长；

f——应变变化的频率；

v——应变波速。

从式（1-17）中可以看到，为了减少相对误差δ，当应变波速v一定时，测量误差取决于应变片的基长l和应变变化的频率f，δ 与二者的平方成反比。为了保证由此而引起的测量误差限定在一定的范围内，如果被测试件在频率较高的情况下工作，则应采用小基长的应变片。当应变片基长一定时，一定要注意被测试件的频率必须限制在一定范围之内。

1.3.5 应变片的基本特性

应变片的基本特性是指应变片的输出与输入之间的关系特性，常常用以输入量为横坐标、以输出量为纵坐标所画出的特性曲线来描述。

1. 应变片的线性

应变片的线性是指应变片电阻变化率和应变变化之间的关系应呈线性关系（Linearity）的程度，如图1-15所示。

试验表明两者之间的关系基本呈线性，非线性误差很小，且在对应变片多次反复加载后将获得改善。因此，贴好应变片后，在正式试验之前要给被测结构预加载4～5 次，以减小非线性误差。

2. 应变片的滞后

应变片的滞后（Hysteresis）特性分为机械滞后和热滞后两种。

机械滞后是指在构件上粘贴好的应变片，在温度不变的条件下，当受到同一组载荷的循环加、卸载时，加载特性曲线和卸载特性曲线的不重合程度，以加载曲线和卸载曲线中的最大差异值来表示。

实践表明，多次加、卸载后，这种不重合程度将减小。因此，在正式试验之前预先加载、卸载若干次，可以减少机械滞后的影响。

热滞后对高温测量有影响，它是指在某一恒定的应变作用下，在温度从室温增至极限温度，又从极限温度降至室温的热循环过程中，升温特性曲线和降温特性曲线的不重合程度，以两曲线中的最大差值来表示这种不重合程度。

3. 零点漂移

零点漂移（Zero Drift）是指应变片粘贴在试件上后，在试件没有被加载、不受力且温度不变的情况下，应变仪指示值调为零以后，应变的指示值随时间变化而从零点漂移的特性，简称“零漂”。一般以三小时内指示应变的最大值与时间之比，称为零点漂值。具有零点漂移的应变片不能使用，应清除后重新粘贴新的应变片。

4. 蠕变

“蠕动”是指虫子慢慢地爬动，这里借指应变仪的指针发生的“蠕动变化”。蠕变是指应变片粘贴在试件上后，在试件承受某种恒定的机械应变的条件下，贴在试件上的应变片的指示应变值随时间而发生变化的特性。比如对试件加载了5t静载荷，应变片产生了100με，可是过了半个小时，应变片的应变值慢慢地由100με变成120με，此种现象称为蠕变。

具有蠕变特性的应变片不能使用，应清除后重新粘贴新的应变片。一般对力传感器所用的应变片的选择比较严格，往往将各个厂家的应变片粘贴在试件上，然后同时加上一个固定载荷，如砝码，24h以后再来观察蠕变情况，最终确定选取哪家的应变片。

5. 疲劳寿命

应变片的疲劳寿命是指在恒幅交变应力的作用下，应变片连续工作到产生疲劳损坏时的循环次数。疲劳寿命是反映应变片对动态应变适应能力的参数，一般要求疲劳寿命达106～107循环次数。在制作传感器或粘贴在测量零部件的疲劳载荷时应查一下应变片的疲劳寿命，若只用于短时的强度测量，则不必理会这个指标。

为了提高疲劳寿命，要特别注意引线的连接方式和焊接点的质量，引线和敏感栅的连接处都与应变片的轴线呈45°，可提高应变片的疲劳寿命。

6. 极限应变值

极限应变值是指应变片能够测量应变的最大值。将应变片贴在特制的试件上作拉伸试验，逐步加大应变值，当仪表指示应变值为实际应变值的90%时，认为应变片失去了工作能力，此时的应变值就为应变片的极限应变值。应变片的极限应变值一般不标注在包装盒上，若有特殊需要，可以向应变片的生产厂家询问。

7. 绝缘电阻值

绝缘电阻值是指应变片被粘贴后，其敏感栅和引线与被测试件之间的电阻值，一般要求在500MΩ以上，最好达到∞。可用万用表或兆欧表（又称摇表）进行测量。

绝缘电阻值低，会使测量灵敏度下降，并引起零漂。提高绝缘电阻值的途径，主要是选用电绝缘性能良好的黏结剂和采取防潮措施等。如果绝缘电阻值低于80MΩ，则一般废掉粘贴后的应变片，重新贴一片新应变片。在粘贴应变片以后，都要进行绝缘电阻值的测量。

测量绝缘电阻值，把电表的一端与引线接触，另一端与打磨过的试件接触即可。

1.3.6 应变片的种类

1. 按敏感元件的材料和形状分类

按敏感元件的材料和形状，应变片可分为丝栅式应变片、箔式应变片和半导体应变片。

丝栅式应变片分为圆角（U形）和直角（H形）两种，如图1-16所示。圆角丝栅式应变片制造方便、设备简单，是最早也是最常用的一种形式，但横向效应较大。直角丝栅式应变片虽然横向效应小，引线常采用镀银铜丝，但制造工艺复杂。随着箔式应变片的出现，丝栅式应变片正在退出历史舞台。

箔式应变片的线栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成的，如图1-17所示。箔式应变片具有横向效应小、厚度薄、疲劳寿命高、散热性能好、允许通过的电流大、易于制成适于各种用途的形状和尺寸、柔性好、阻值离散性小、便于批量生产等特点，是一种最常用的应变片。由于采用了光刻技术，所以敏感栅尺寸精确，能制成小尺寸或各种复杂形状的应变片，满足某些特殊测量的要求。半导体式应变片的敏感栅是一狭长的单晶硅半导体，硅片两端镀有黄金膜，引线自黄金膜上焊出，其基底一般都是酚醛树脂，如图1-18 所示。半导体式应变片具有灵敏系数大、横向效应小、机械滞后小等优点。常见的有体型、薄膜型、外延型、扩散型、PN结及其他形式。

但半导体式应变片电阻灵敏系数的温度稳定性差，在测量较大的应变值时，非线性严重，在机械工程测试领域的应变测试中一般不采用。它仅适用于测量小应变，常用来制作某些灵敏度高、体积小的传感器。

2. 按基底材料分类

按基底材料，应变片可分为纸质的、胶质的和金属薄片式的三种。

纸基应变片生产工艺简单，粘贴方便，一般无需特殊固化处理。但是，它的热稳定性和防潮性能差，适用于温度低于60℃、干燥条件下的短期测量。目前机械工程测试领域一般不采用纸基应变片。在建筑领域测试桥梁的水泥墩等的应变时往往采用纸基应变片，使用914胶进行粘贴。

胶质应变片，防潮性能好，使用温度可达80℃，短时间时可在100℃左右使用。现在进行金属构件的应变测量时绝大部分采用胶质应变片。

金属薄片式应变片应用于高温条件下，使用时将基底用点焊机焊在试件上。

3. 按应变片的用途分类

按用途可分为单轴应变片和多轴应变片（又称应变花）。

（1）单轴应变片

测量单向应力使用单轴应变片，简称应变片，即在一个基底上只有一个敏感元件。

（2）多轴应变片

多轴应变片又称应变花，一般在一个基底上由两个或两个以上的应变片拼合而成。通常应变花是将几个敏感栅固定在同一基底上制版的。

① 专门测量用的直角形两轴应变片。直角形的两个应变片组成的应变花常用的有两种，一种是测量机械拉力、压力的直角形应变花，如图1-19（a）、（b）所示。这种应变花在粘贴时，只要保证一个应变片与轴线重合，就能保证另一个应变片与之垂直；另一种是测量扭矩的专用应变花，是在与水平面成±45°以后，两个应变片成直角排列的，如图1-19（c）所示。这种应变花在粘贴时，只要其十字线与试件上的十字线对中，就能保证两应变片与轴线成±45°，十分方便，两应变片接半桥即可进行扭矩的测量。

② 平面应力测量用应变花。由3片应变片组成的应变花主要用于测量主应力方向未知的平面应力，常用的有45°、60°应变花，如图1-20所示。应变花主要用来测试框架、桁架的节点，铰接支架，底架平面等处的平面应力，如图1-21所示。将测量的3个方向的应变值，代入计算公式中就可求出最大主应力及其最大主应力与水平线的夹角。目前数据处理软件多有相应的程序，将测试数据直接输入即能得出结果。

还有一些种类的应变花，如图1-22 所示。其中图1-22（b）、（c）所示的四片式应变花能利用多余的一个应变读数来校验其他三个读数的准确性。

（3）特殊用途的应变片

还有一些特殊用途的应变片。

图1-23 所示的应变片是用来测量断裂裂纹的专用应变片。随着断裂力学的研究和发展，往往需要测定结构或试验部件在应用或试验中所产生裂纹的延伸长度和传播速度，这就要使用裂纹扩展应变片来测量。裂纹扩展应变片又称断裂丝片，是利用构件或材料裂纹的延伸扩展，使箔栅断裂，随之其电阻发生变化的原理来工作的，常使用应变仪或转换器来进行测量。

裂纹扩展应变片的代号，如“LWP 05-10-3-AA”，其中第一组字母为应变片代号，第一组数字为丝栅之间的中心距，第二组数字为丝栅根数，第三组数字为应变片长度，第四组字母为应变片形状。

还有一种MBP系列的锰铜压阻应变片，用来研究冲击波、爆炸力学效应及高静水压力的影响，如图1-24所示。锰铜压阻应变片具有良好的压阻效应，其压力灵敏系数约为0.23%/千巴，适用于冲击波等瞬态压力、静水压及接触压力的测量，测量范围可从几千巴至500千巴，在小于170千巴的脉冲压力下具有良好的线性。锰铜压阻应变片的阻值有0.2～100Ω等各种系列，结构形式有螺旋无感形及栅形，引出线有长短两种形式。锰铜压阻应变片的代号，如“MBP5-5-JA-20-W”等。

4. 从被测量的温度场来分类

有常温应变片、中温应变片和高温应变片。

图1-25所示为低温自补偿应变片，标准阻值为120Ω，型号如“BBD120-3AA-23”等。

处在高温或低温下的机械和结构的电阻应变测试，称为高（低）温电测技术。近年来由于工程中热应力和低温工程结构测量问题的迫切需要，国内外都很重视高（低）温电测技术，它较常温电测技术复杂，是一门发展中的技术。

测量高温用应变片采用高温应变金属丝制作。高温应变金属丝除需满足常温应变丝的要求外，还应具有尽可能低的电阻温度系数及各种温度特性的均一性及不变性，以减小高温应变片的热输出及其温度特性的分散度。常用的高温应变合金丝有康铜丝、卡玛丝、镍铬丝、铁铬铝丝和铂钨丝、铂钨铁丝等。目前用于制作500℃以上的静态测量用高温应变片的只有铁铬铝和铂钨两种类型的丝材。

高温应变片应使用专门的高温胶，如204胶、4107胶、日本的HC-25胶、美国的GA-100胶、CER-1200胶等。除了粘贴外，高温应变片还采用焊接法进行固定。焊接式应变片的基底采用不锈钢、卡玛或铁铬铝制成，应变片在室内进行充分的高温稳定化处理后，再用小型专用焊机焊于被测物体上，焊点之间的距离为1.5mm左右，除单排焊以外也常用双排焊。

5. 从被测量的材料要求来分类

有用于测量均质材料或应变梯度较大的小标距应变片和测量非均质材料的平均应变值的长标距应变片。

膜片式应变压力传感器常常采用圆形箔式应变片，如图1-26 所示。圆形箔式应变片能最大限度地利用膜片的应变效果，可获得最大的测量灵敏度。膜片式应变压力传感器的弹性敏感元件为周边固定的圆形金属平膜片。膜片受到均布压力变形时，产生径向和切向应力，中心处径向应变和切向应变均达到正的最大值，而边缘处径向应变达到负的最大值，切向应变为零。测量时，在膜片的中心附近（正应变区）贴一应变片，在膜片边缘处附近（负应变区）贴一应变片，并接成相邻桥臂的半桥电路。

1.3.7 应变片特征参数

应变片特征参数主要包括型号、尺寸、阻值、灵敏系数及绝缘阻值等。

1. 应变片的型号

购买应变片时，首先要向厂家提供应变片的型号。应变片的型号由汉语拼音字母和数字组成，如常用的型号：

BXC120-3AA-11-W

① 第一个字母代表应变片的类别，其中S—丝绕式；B—箔式；A—半导体式；D—短接式；T—特殊用途。

② 第二个字母代表基底材料的类别，其中Z—纸；Q—纸浸胶；X—缩醛类；H—环氧类；B—玻璃纤维布浸胶类；F—酚醛类；J—聚酯类；A—聚酰亚胺类；Y—有机硅；P—金属薄片类；L—临时基底类。

③ 第三个字母代表使用温度范围，其中C—常温（静态一般测温范围为-40～+80℃，动态一般测温范围为-80～+140℃）；Z—中温（静态一般测温范围为-40～+250℃，动态一般测温范围为-100℃～+300℃）；G—高温；D—低温，测温范围为-269～+60℃；T—特种。

④ 第一个数字代表标准电阻值。

⑤ 第二个数字代表应变片基长（栅长），单位为mm。标准基长有0.2、0.3、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、10、15、30、50、100、200mm等尺寸。

⑥ 第四组字母代表敏感栅的结构形状，其中AA—普通应变片，常用“—”符号表示；BA—直角应变花，常用“∟”符号表示；CA-45°—应变花；CC-60°—应变花（常用“Δ”符号表示）；HA—测扭矩用应变花，常用“＜”符号表示。敏感栅的种类有近30种，最常用的是列出来的几种，具体使用时可参考各应变片生产厂家的产品目录。

⑦ 第三个数字代表可温度自补偿材料的线膨胀系数（×10-6/℃）。

⑧ 最末字母代表特种标记，其中W—无引线；D—镀铜。

其型号图解如图1-27所示。

应变片在出厂时，其包装盒上通常标有三项主要特征参数，即应变片的尺寸参数（应变片的大小）、应变片的初始阻值和应变片的灵敏系数。

2. 应变片的尺寸参数

应变片的尺寸参数是以敏感元件的长度L和宽度b来表示的，即b×L，如2×3（mm）、3×5（mm）等。

其长度L称为标距或基长。对于圆角丝栅应变片，标距以圆的顶部起算。对于箔式应变片，标距以横向粗线内起算。

3. 应变片的初始阻值

应变片的初始阻值是指应变片在室温时，在未经安装和不受外力的情况下测定的电阻值。

应变片的初始阻值有标准阻值和平均名义阻值之分。

标准阻值是指国家推荐的标准名义电阻值，单位为Ω，主要规格有60，（90），120，（150），200，（250），350，500，600，（650）和1000等。在允许通过同样工作电流的情况下，选用较大的阻值可以提高测量灵敏度。

实际上每个应变片的阻值都不等于标准阻值，它们之间存在偏差。因此，对批量出厂的应变片是将该批阻值的平均值作为名义阻值的，故称平均名义阻值。

电阻应变仪等常用应变测量仪器的桥臂电阻习惯上按120Ω设计，故l20Ω的电阻应变片为最常用的应变仪。其次应用较多的是350Ω，遥测仪一般需要350Ω的电阻应变片。

不同等级的应变片规定不同的相对偏差要求。试验时应尽可能选择平均名义阻值一样的应变片接桥，偏差一般不要超过±0.5Ω，否则电桥不易平衡。

4. 应变片的灵敏系数

应变片灵敏系数的名义值等于2。

应变片灵敏系数的平均名义值是通过抽样试验获得的，也是一个平均值，每一个应变片的真实灵敏系数与它均有偏差。

不同等级的应变片有不同的偏差要求。试验时，务必注意在同一个试验中采用同一灵敏系数的应变片，并根据灵敏系数值的大小，在应变仪上进行调整。

1.3.8 黏结剂和应变片的粘贴工艺

应变片要粘贴到被测部位，所用的胶特别重要，胶层起到正确无误地传递应变的作用，它直接影响应变片的工作特性，如蠕变、滞后、零飘、线性等。

测试的成败往往取决于对黏合剂的选用及粘贴方法。过去曾用多种胶粘贴应变片，但目前绝大多数选用有机合成胶——氰基丙烯酸酯黏合剂进行应变片的粘贴。这种胶属于热塑性黏合剂类。

氰基丙烯酸酯黏合剂的主要型号有KH501和KH502两种。人们习惯上称为501胶、502胶。

1. 501胶、502胶的基本特性

501胶、502胶的研制目的，据说原来是准备用于医学外科手术对刀口的黏合，因此这种胶属于快干胶，室温下只需十几秒钟的时间即可迅速固化，要求贴片者手法要快。因此容易造成操作者操作紧张，不易准确定位。此胶对纸基片、胶基片均能较好地粘贴。

所谓固化，是指溶剂挥发或单体聚合的过程。现场测试时若遇紧急情况，如临时粘贴的应变片，待30min后就可进行测量。但真正使应变片完全固化好则需要10～24h才能达到高黏合强度。一般选取固化24h后才进行测试，即前一天的某时贴好，第二天的某时才可进行测试。

501胶、502胶又称“万能胶”，黏合材料广泛，如金属、木材、三合土、橡胶等粘贴后有较高的剪切强度，但不能黏合聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等塑料和有机硅。粘贴时切勿用手立刻接触胶液，若手指被粘则可用丙酮浸洗，切忌硬拉硬扯，以免损伤皮肉。

501胶、502胶的温度使用范围为-50～80℃，极限工作温度可达100℃。但根据实际使用经验，在0℃以下粘贴应变片十分困难，往往需要数分钟才能贴上，然后必须进行红外线灯照射或进行热吹风机进行烘烤才能固化。冬天如果是在室外操作，则往往要使用60W以上的高热量的烙铁，否则风一吹，烙铁头就凉了。

这种胶最大的缺点是储存期短，室温下只能保存半年，在5～10℃的冷库可存放1～1.5年。所以购买时，一定要看胶水的出厂日期。

2. 应变片的粘贴工艺

应变片的粘贴技术是我们每一个人都应该掌握的本领，它是应变测试的重要环节。笔者曾与某外国测试组交流测试经验，发现他们是专人负责粘贴应变片。这当然可以保证粘贴质量，但熟能生巧，我们只要多练习，也能够保证粘贴质量。

（1）使用放大镜观察应变片的外观质量，看有无断丝、引线焊接不牢等现象。如果应变片存在质量隐患，应坚决淘汰。

（2）使用万用表测量应变片阻值，同时注意防止应变片的污染，不能用手摸基底。同一组应变片的阻值误差最好控制在0.1Ω范围内，便于仪器调平衡。

（3）使用角磨机或砂纸打磨试件表面，表面光滑以后，再用细砂纸打成45°交叉网纹（粗化处理，便于表面存胶）。选择砂纸时，对钢件多用180目，对铝件多用360目。合格后，用角尺、钢板尺和划针画十字定位线。角磨机的砂轮片应该配备硬片和砂纸型的两类。

（4）使用镊子，夹脱脂棉，蘸丙酮或甲苯擦洗试件表面，开始时允许来回擦拭，但到最后一道工序时，一定要沿一个方向擦拭，之后严禁用手抚摸清洗后的表面。如果使用甲苯，则要注意防毒保护，如带口罩等。

（5）用右手握应变片引线，注意区分应变片的正反面；左手拿502胶水，轻轻地在应变片背面滴一滴胶水，千万不可多滴，然后用右手轻轻甩一下，把多余的胶水甩掉，接着迅速把应变片放在十字定位线上找正。因为胶水几秒后就会凝结，所以这个过程一定要迅速。

（6）左手用聚乙烯塑料布（或玻璃纸）覆盖在应变片上，右手拇指在塑料布上对应变片进行滚压，使多余的胶水挤出来，然后按住应变片约20s左右，切忌前后搓动和上下抬动，因为这样容易出现气泡。

（7）确信应变片粘住，用手轻轻地把塑料布揭下来，一定要从应变片后面的无引线端开始，不要垂直上提。

（8）盖上502胶水的盖子，防止胶水挥发，同时立刻把被粘住的应变片的引线轻轻揭起来，否则时间太久，引线容易被粘牢。注意不要把引线拉断或提不到位。

如果室外作业，气温低，可用红外线灯烘烤粘贴好的应变片，或用热吹风机进行热吹，帮助固化效果。

（9）使用502胶水粘贴接线端子（简称端子，又称接线块），注意端子位置应紧靠应变片（引线方向），以便于应变片的引线与连接块的焊接。一旦连接块粘贴的位置与应变片距离较远，为了防止短路，应该用套管套住引线。应变片引线要焊在接线端子上，为了方便焊接导线，往往同时焊接上细导线，这样导线可以与细导线对焊，防止直接焊接导线时又把焊好的引线融化开，注意细导线长度不要太大，否则对屏蔽不利。当然，随着技术的提高，也可把导线直接焊接在端子上。有了端子，一旦导线被扯动，就不会直接损坏应变片。

接线端子的外形如图1-28所示，它是由厚度为0.2～0.3mm的酚醛或环氧树脂作基底，在上面覆铜箔板制成。这种基底材料具有耐焊、防潮及绝缘性能好的特点。用缩醛胶膜作基底的端子具有柔韧性好、易弯曲，便于在曲面上粘贴的特点。接线端子可以直接在应变片厂家购买，因为它已经规格化且系列化了。

（10）使用电烙铁融化焊丝，先把连接块上面的铜片挂上焊锡，再把应变片的引线焊上，焊接时最好一只手用镊子夹住引线，防止热传导到应变片，另一只手持电烙铁。为防止假焊，一定要保证焊锡融化透，然后平移电烙铁。不要直上直下地提起电烙铁，以防止焊点有尖划伤手指。电烙铁可以选择20～50W。

（11）使用数字万用表测量应变片的阻值和进行绝缘（也可使用兆欧表）检查。应变片阻值变化很大、不通或绝缘阻值很小都属于不合格，应查找原因。

3. 应变片的保护

应变片的保护分防潮保护和防机械损伤保护。

防潮保护是为了防止黏合强度和绝缘电阻降低。其方法较多，最简单的方法是将医用凡士林软膏（中性凡士林）涂抹在应变片上；最好的方法是使用蜂蜡（不是石蜡）防潮，用电烙铁把蜂蜡溶化，滴在应变片上，但这种方法对垂直地面的应变片实施起来比较困难。也可以使用硅橡胶、914胶等均匀地涂抹在应变片表面进行防潮处理。应变片如果长期使用，则最好使用硅橡胶而不是914胶。

把测量导线焊在端子上，为了防止导线数量多而引起接线出现混乱，应立即用白胶布粘在每一条导线两端，写上测点的编号，同时填写在记录纸上。实测时，一定要有布点示意图和测点的编号，防止测点的测值混乱。

为了防止因扯动导线而将应变片拉坏，导线与应变片在焊接前或焊接后，使用布带或绳捆扎在与被测试件无相对运动的机架上，进行防机械损伤保护。