外文翻译(带图)

外文翻译

通常，应变计应用在两个方面：在机械和结构的实验力分析中和应用力，扭矩，压力,流量以及加速度传感器结构中。非粘贴丝式应变计通常是当作专门的转换器来使用，其结构是使用一些有预载荷的电阻丝连接成惠斯登电桥，如图4.11：

在最初的预载荷中，四根金属丝的应变和电阻在理论上是相等的，它们组成一个平衡电桥，并且e0 = 0 （参考第10章电桥电路特性）。输入端一个小的位移（满量程≈0.04 mm）将会使两根金属丝的拉力增大而使另外两根的拉力减小（假设金属丝不会变松弛），引起电阻阻值的变化，电桥失衡，输出电压与输入位移成比例。金属丝可以由砷镍、镍铬和铁镍等多种合金制造，直径约为0.03 mm，可以承受的最大应力仅为0.002 N，灵敏系数为2到4，每个桥臂的电阻为120Ω到1,000Ω, 最大激励电压5到10V，满量程输出典型值为20到50mV。

粘结丝式应变计（现在主要被粘贴箔式结构的应变计取代）应用于应力分析和作为转换器。具有很细丝式敏感栅粘贴在待测试件表面，来感受应变。金属丝被埋入矩形的粘合剂中，不能弯曲从而如实地反映待测试件的压缩和拉伸应力。因为金属丝的材料和尺寸与那些非粘贴应变计相似，所以灵敏度和电阻具有了可比性。

粘贴箔式应变计采用与丝式应变计相同或类似的材料，现在主要用于多用途力分析任务及多种传感器中。

其感应元件是利用光腐蚀工艺加工成厚度小于0.0002的薄片，当其形状改变时，它具有很大的灵活性。如图4.12：

例如，这三个线形敏感栅应变计被设计成端部宽大的形状。这种局部的增大将会减小横向灵敏度，以及在测量应变沿敏感栅单元的长度方向的分量时产生的干扰输入信号。在丝式应变计中，这种端部形状也应用在纵向单元的连接处，以便增加横向抗干扰能力。并且在制造过程中也非常方便在图4.12上的全部四个应变计上焊接焊盘。

采用蒸发沉积工艺制成的金属薄膜应变计与采用溅镀沉积工艺制成的应变片一样通常都作为转换器。两种工艺首先都是使用一个合适弹性元件来转换局部应力的大小，就像使用粘贴箔式应变片一样。就应力转换元件来说，它应该是一个薄的圆形金属光栅。蒸发沉积工艺和溅镀沉积工艺都是使所有的应变计单元直接放在应变表面；而不是单独放上的，和粘贴式应变计一样。在蒸发沉积工艺中，光栅在一个真空腔中，其外有绝缘材料。加热绝缘材料让其蒸发，之后再冷凝，这样就会形成一个绝缘膜在光栅上面。之后把合适的成型模板放在光栅上面，让金属应变材料重复的蒸发和冷凝。在绝缘底层上形成我们想要的应变计的形状。

在溅镀过程中，一个薄的绝缘层在真空中再次沉积在整个光栅表面；但是，沉积的具体方法与蒸发沉积所用的方法不同。之后把全部的金属应变材料层（不是模板）溅镀在绝缘底层上面。现在把光栅从真空腔中移出来，并利用微缩图像技术，使用感光材料来描述出应变计的形状。把光栅在放回到真空腔中，我们现在使用溅镀沉积来除去所有没有被掩盖的金属层，仅留下完整的应变计的形状。箔膜应变计的电阻和灵敏系数通常和那些粘贴式箔应变计类似。由于没有像粘贴式箔应变计那样使用粘合剂，所以薄膜式电阻应变计展现出了良好的频率特性和温度稳定性。现在的溅镀技术发展为喷气发动机涡轮刀刃测量提供了的非常有用的耐高压、耐高温、耐腐蚀传感器。

粘贴半导体式应变计通常被用作转换器；但是，它们经常应用在应变非常小的地方。它们是从采用特殊工艺的硅晶体上面切割下来的，并且N型和P型都可使用。P型应变计在有拉伸应力的情况下电阻会增加，而N型应变计则减小。它们的主要特点是具有特别高的灵敏系数---可以达到150。式（4.14）表明这些高的灵敏系数主要取决于压阻效应，基于半导体的转换器一般叫做压阻转换器。不幸的是，高的灵敏度系数通常伴随着高的温度系数，非线性和高的装配难度。解决这些存在问题的方法，就是将其应用在传感器制造行业，但是这种转换器是无法应用到常规的应力分析中的。

扩散半导体式应变计（通常作为专用转换器），采用了在电子集成电路制造业中使用的扩散工艺。以压力转换器为例，敏感栅采用硅材料而不是金属，而且可以通过在敏感栅上沉积杂质从而在特定的位置得到固有的应变单元以实现应变计的功能。这种结构可以在某些场合降低成本，特别是在一个硅晶片上制造大量的敏感栅的时候。

这次讨论的余下内容主要集中在粘贴金属箔式应变计上面，因为它们是最有可能被那些单独的工程师应用在力分析和自制的转换器中。这些应变计被安在一个绝缘薄膜上（聚酰亚胺，玻璃纤维增强酚醛等）其厚度约为0.001；由于粘结薄膜的厚度的存在，使厚度仅为0.0002的金属敏感栅在待测体的表面看起来比厚度为0.001绝缘薄膜苗条很多。当我们想要测量弯曲应力而待测体又非常的薄的时候，这种转变非常有意义，因为应变计可以感受与待测体表面相近应变。在力分析中，我们目标是想测量一个点的受力情况；而这在应变计中是无法实现的，因为敏感栅覆盖了一个有限的区域并且应变计显示的是这个区域的一个平均值；如果应变成线性变化，那么这个平均值就是这个应变计长度方向中点的值，如果应变不是成线性变化的话，应变计所显示的应力点就不确定了。但是，这个不确定的范围随着应变计的尺寸减小而减小,所以当应变变化梯度很快的时候就需要尺寸小的应变计。而实际的应变片的最小尺寸是由制造业的制造工艺和处理工艺还有装备问题所限制；最小的应变计的尺寸其长度大约在0.015（0.38mm）。应变计可以应用在弯曲的表面。最大弯曲半径在一些应变计中可以达到0.06。

应变计电阻的典型值一般是120，350和1000Ω，允许电流一般取决于热传导的环境，但我们一般还是取5到40mA；灵敏度系数是2 到4。一个应变计的电阻是很容易测量的，但是测量灵敏度系数却需要把应变计粘贴到待测元件上面以便我们可以通过理论计算出应变的大小。因为贴上的应变计无法从待测体上面拿下来，所以应变计的灵敏度系数并不是你买到的那个的实际灵敏度系数，而是在相同条件下对同一批应变计测量出的一个平均值。因而我们利用制造业的统计质量控制技术来维持灵敏度系数的精度。通常允许1%的误差，这也是力分析中精度的最低要求。注意，这并不限制应变计的精度，因为转换器的校准是采用“端对端”（比如说在压力转换器中，输入压力，输出电压）所以我们并不需要知道应变计的灵敏度系数。最大的测量误差可以在0.5%到4%；但是在特殊场合应变计设备允许测量达到0.1英寸/英寸。应变计的疲劳特性由使用环境决定；但是通常1千万次弯曲允许±1,500微应变（即45,000磅/平方英寸在钢铁中，是常见的箔式应变计的设计满量程值）。粘贴半导体式应变计工作满量程比较低（一般是20με），它可以设计成具有可在粗糙表面使用和具有快速响应的转换器以便应用在小范围的输入测量，而箔式应变计则需要比较平缓的弹性元件。

许多粘合剂都在改进以便可以更好的把应变计粘贴到待测体上。应变片和粘贴方法都允许工作在-425℉ (-269℃) 到 1500℉ (816℃)的范围内。在温度特别高的场合应采用焊接或者火焰喷涂的方法而不是采用粘合剂。有些粘合剂可以在室温晒干，而有的需要烘焙。晒干的时间可以从几分钟到几天。粘结处的质量显然与应变计粘贴的正确性有关，因为我们完全依靠应变计把待测量体的形变转换到应变计的敏感栅上。这种问题在高温、潮湿和长时间工作的环境里面尤为突出。所以保护性的防水材料通常被用来提高可靠性。

除了单元件应变计，应变计联合起来的形式叫做应变花（如图4.13）：