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本文档提供的信息有助于您了解基本应变概念、应变计工作原理和如何选择合适配置类型。在确定要使用的传感器之后，还必须考虑所需的硬件和软件，以便适当地调理、采集和可视化载荷测量数据。您还可以考虑可能需要的任何其他信号调理。
在机械测试和测量中，您需要了解被测物体在各种力作用下的反应。材料在外力的作用下发生的形变量称为应变。应变是材料的长度变化与原始长度的比率，如图1所示。应变可以是因伸长导致的正拉伸应变，也可以是因收缩导致的负压缩应变。当材料沿一个方向受到压力时，与作用力垂直的两个方向出现的伸展趋势称为泊松效应。我们使用泊松比(v)来衡量泊松效应，指的是横向应变与轴向应变的负比值。应变没有量纲，但有时会以in./in.或mm/mm等单位表示。在实际应用中，测得的应变量级很小，因此常表示为微应变(µε)，即ε x 10 -6。
图1. 应变是材料长度的变化与原长度的比值。
四种不同类型的应变是轴向应变、弯曲应变、剪切应变和扭曲应变。轴向应变和弯曲应变是最常见的应变类型（如图2所示）。轴向应变测量的是材料在水平方向上受到线性作用力后的延展或压缩程度。弯曲应变测量的是材料由于在垂直方向上施加的线性作用力导致的正向延展和反向收缩。剪切应变测量的是水平方向上和垂直方向上由于线性作用力导致的形变量。扭曲应变测量的是垂直方向上和水平方向上的圆周力。
图2. 轴向应变测量的是材料的延展或拉伸程度。弯曲应变测量的是一端的拉伸和另一端的收缩。
应变通常使用应变计测量。应变计的工作原理是测量物体在轴向力、弯曲力、剪切力或扭转力作用下的电阻。由于在施加力时电阻与设备中的应变量成正比，因此可用于量化应变。应用最广泛的应变计是粘结金属应变计。金属应变计的组成材料是一根极细的金属丝，但更常见的是栅状金属箔。栅状结构可最大化平行方向上受到应变的金属丝或金属箔的数量。栅状结构粘贴在一块称为载体的薄板上，薄板直接与测试样本连接。因此，测试样本所经受的应变直接传输到应变计，电阻随之发生线性变化。
图3.金属栅的电阻变化与测试样本所承受的应变成正比。
应变计最重要的参数为应变计因子(GF)，用于表示应变灵敏度。GF是电阻变化百分比与长度或者长度（应变）变化百分比的比率：
金属应变计的GF通常约为2。通过传感器厂商或相关文档可获取应变计的实际GF。
事实上，应变测量值很少大于毫数量级(e x 10-3)。因此，进行应变测量时，必须对电阻中的细微变化进行精确测量。例如，假设测试样本承受的应变为500 me。GF为2的应变计的电阻变化仅为2(500 x 10-6)= 0.1%。对于120 Ω的应变计，变化值为0.12 Ω。
为测量电阻中如此细微的变化，应变计应采用惠斯通电桥配置。如图4所示，常见的惠斯通电桥由四个相互连接的阻力臂和施加于电桥的激励电压VEX组成。
图4. 应变计采用惠斯通电桥电路配置，可检测电阻的细微变化。
惠斯通电桥等价于两个并联的分压器电路。R1和R2为一个分压器电路，R4和R3为另一个分压器电路。惠斯通电桥输出Vo测量的是两个分压器的中间节点之间的电压。
从上面的等式中可以发现，当R1/R2 = R4/R3时，电压输出VO为0。在这些条件下，我们认为电桥处于平衡状态。任何电桥臂的任何电阻变化都会产生非零输出电压。因此，如果将图4中的R4替换为有源应变计，那么应变计电阻的任何变化都会使电桥失去平衡，并产生一个非零输出电压，该电压为应力的函数。
应变计类型
1/4桥、半桥和全桥这三种应变计配置的选择取决于惠斯通电桥中的有源元件数目、应变计方向和被测应变类型。
1/4桥电应变计
配置类型I
图5. 1/4桥应变计配置。
配置类型II
理想情况下，应变计电阻应仅随外加应变而变化。然而，应变计材料和使用应变计进行测量的样本材料会受到温度变化的影响。1/4桥应变计配置类型II在桥中采用两个应变计，有助于进一步减小温度的影响。如图6所示，通常一个应变计(R4)是有源的，而另一个应变计(R3)安装在靠近热接触点的位置，但不粘贴在样本上，并且垂直于应变的主轴。因此，应力对该补偿应变计的影响很小，但是任何的温度变化都会以相同方式影响两个应变计。由于两个应变计的温度变化是同步的，两者之间的电阻比值不会发生变化，输出电压(Vo)亦无变化，从而使温度的影响降至最低。
图6. 补偿应变计可更大程度降低应变测量中温度的影响。
半桥应变计
通过把半桥配置中的两个应变计设为有源，能够将桥对应变的灵敏度提升一倍。
该配置很容易与1/4桥类型II的配置相混淆，区别在于类型I拥有一个粘贴在应变样本上的有源R3元件。
仅测量弯曲应变
需要半桥补全电阻来完成惠斯通电桥
R4是测量拉伸应变(+ε)的有源应变计
R3是测量压缩应变(-ε)的有源应变计
图7. 半桥应变计的灵敏度为1/4桥应变计的两倍。
全桥应变计
全桥应变计配置具有四个有源应变计，包括三种不同类型。类型I和类型II适用于测量弯曲应变，而类型III则适用于测量轴向应变。仅有类型II和类型III能够补偿泊松效应，而所有三种类型的应变计都能够将温度的影响降到最低。
配置类型I：仅适用于测量弯曲应变
R1和R3是测量压缩应变(–e)的有源应变计
R2和R4是测量拉伸应变(+e)的有源应变计
R4是测量拉伸应变(+e)的有源应变计
配置类型III：仅适用于测量轴向应变
测量轴向应变
R1和R3是测量压缩泊松效应(–νe)的有源应变计
图8. 全桥应变计配置
应变计规格参数的考虑因素
在决定了要测量的应变类型（轴向或弯曲）后，其他需考虑的因素包括灵敏度、成本和运行条件。 对于同一应变计，改变桥结构可以提高其应变灵敏度。例如，全桥类型I配置的灵敏度比1/4桥类型I配置的灵敏度高出三倍。但是，相对于1/4桥类型，全桥类型I要多使用三个应变计，同时还要求能够接触到实测结构的两侧。另外，全桥应变计的成本要远远高于半桥和1/4桥应变计的成本。要了解不同类型的应变计，请参考下表。
测量类型
1/4桥
半桥
全桥
类型I
类型II
类型III
是
否
~0.5 mV/V
~0.65 mV/V
~1.0 mV/V
~2.0 mV/V
~1.3 mV/V
1
1*
2
4
单边
对边
2或3
3
0
栅格宽度
如不受安装位置限制，则可采用较宽的栅格来改善散热，并提高应变计稳定度。然而，如果测试样本垂直于应变主轴方向的应变梯度较为陡峭，则考虑采用较窄的栅格来最小化剪切应变和泊松应变效应所造成的误差。
额定应变计电阻
额定应变计电阻是应变计处于非应变状态时的电阻。通过传感器厂商或相关文档，可了解应变计的额定应变计电阻。商用应变计的最常见额定电阻值是120 Ω、350 Ω和1000 Ω。要减少激励电压所产生的热能，可以考虑采用较高额定电阻。较高额定电阻还有助于减少由于温度波动产生的导线电阻变化而导致的信号变化。
温度补偿
理想情况下，应变计的电阻应仅随所施加应变的改变而改变。然而，应变计的电阻率和灵敏度同样会随温度变化，从而导致测量误差。应变计制造商尝试通过加工应变计材料来补偿应变计所测样本材料的热膨胀，从而尽可能降低应变计对温度的敏感度。这些温度补偿的桥配置不太容易受温度影响。另外，还可以考虑采用可补偿温度波动影响的配置类型。
安装
应变计的安装需要花费大量时间和资源，具体主要取决于桥的配置。粘贴式应变计数量、连线数量和安装位置都会影响安装所需的投入。某些桥配置甚至需要在结构的相对两侧安装应变计，这非常困难甚至不可能实现。1/4桥类型I最为简单，原因在于它只需安装一个应变计和两至三根电线。
应变计测量十分复杂，并且有几个因素会对测量性能造成影响。因此，您需要正确地选择和使用桥、信号调理、布线和DAQ组件，来保证测量结果的可靠性。例如，没有施加应变时，使用应变计所诱发的电阻容差和应变会导致一定的初始电压偏移。同样地，较长的导线可能增加电桥臂的电阻，这就造成偏移误差增加，并降低电桥输出的敏感度。 为了获得准确的应变测量结果，请考虑是否需要采用以下操作：
