用光纖對物體的形變進行監控是光纖傳感重要的研究方向。今天聊一下應力與應變，用一個視頻對比光纖應力傳感的性能和應變片（strain gauge）的性能；最后介紹一下應變片。

（一）應力與應變曲線（stress-strain curve）

每一種材料的應力與應變關系稱為該材料的應力-應變曲線（stress-strain curve）。每一種材料都有唯一的應力-應變曲線，該曲線可以通過記錄材料在不同的拉伸和壓縮加載（應力）下的形變（應變）來獲得。這條曲線也提供了很多該材料的特性，例如：彈性模量、屈服強度（彈力限）、極限拉伸強度，也可以看出材料是脆性材料還是延展性材料。

一般而言，有關任何變形下，應力和應變的關系都可以視為是應力-應變曲線。應力和應變可以是正應力及正應變，剪應力及剪應變，也可以是混合的。可以是單一軸向、雙軸或是多軸的，甚至可以是時變的。變形可以是壓縮、拉伸、扭轉、轉動等。若沒有特別標明，應力-應變曲線是指在拉伸測試下正向應力及正向應變之間的關系。

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（二）光纖與應變片的應力檢測對比

可以用光纖檢測材料的應力，更傳統的辦法是使用應變片（foil strain gauge）。視頻基于對一個懸臂梁（cantilever）的測試，通過光纖和應變片不同的技術，進行效果對比（光纖技術是luna公司提供Luna Reflectometers（反射儀））。

懸臂梁（cantilever）是在材料力學中為了便于計算分析而得到的一個簡化模型，懸臂梁的一端是固定支座，另一端為自由端。在荷載作用下，可根據力的平衡條件求得懸臂梁的固定端的支座反力，包括水平力、豎向力以及彎矩，并可據此畫出軸力圖、剪力圖與彎矩圖。由于梁一般承受豎向的集中荷載或均布荷載的作用，故支座的水平反力為0。

（三）應變片（straingauge）

應變片（strain gauge）是一種用來測量物體應變的測試工具。1938年，它先后由Edward E. Simmons和Arthur C. Ruge各自獨立地發明出來。應變片由絕緣基片與金屬敏感柵組成。應變片需要使用正確的粘合劑與物體相連接（這其實也是光電子傳感器要解決的核心技術），比如使用502膠水。

當被測部件受外力變形時，敏感柵也隨之變形，因此敏感柵的電阻值會產生相應的變化。通過惠斯通電橋（Wheatstone bridge）可以測量到這個微小的阻值變化量，而通過應變片生產廠商標明的應變片系數可將測量得到的電阻變化量轉換成實際應變值。

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應變片很好地利用了導體的物理特性和幾何特性。當一個導體在其彈性極限內受外力拉伸時，其不會被拉斷或產生永久變形而會變窄變長，這種形變導致了其端電阻變大。相反，當一個導體被壓縮后會變寬變短，這種形變導致了其端電阻變小。通過測量應變片的電阻，其覆蓋區域的應變就可以演算出來。

應變片的敏感柵是一條窄導體條曲折排列成的一組平行導線，這樣的布置方式可將基線方向的微小變形累積起來以形成一個較大的電阻變化量累計值。應變片的測量對象只有其所覆蓋區域的變形量，足夠小的應變片可在諸如有限元式的應力分析當中使用。它被廣泛應用于材料的疲勞測試研究當中。

審核編輯：劉清