應變規(strain gauge)
/ strayn gayj /
應變規感受一個東西被拉伸了多少。把一片薄金屬箔黏在樑上,再把樑彎曲:箔片隨之拉伸,而被拉長的導線會略微變長變細,使它的電阻微微上升。壓縮樑時箔片縮短、電阻下降。讀出這極微小的電阻變化,你其實就是在「看材料如何撓曲」——一種把力、重量、壓力或扭矩轉成電的方法。
應變規是一條細如髮絲的長導體,折成緊密鋸齒狀,使大量長度沿著你想量測的方向。它每單位拉伸的電阻變化由規係數(gauge factor)決定,金屬箔規通常約為 2。殘酷的事實是訊號有多小:典型應變或許是 0.001(拉伸 0.1%),以規係數 2 計算,一個 350 Ω 的規只變化 2 times 0.001 times 350 = 0.7 Ω——五分之一個百分比。你無法把它當成絕對電阻可靠地讀出,所以應變規幾乎總是住在惠斯登電橋裡,由電橋把微小的電阻變化轉成小小的差動電壓,再由儀表放大器放大。把多個規放進電橋的多個臂,可放大訊號並抵消溫度漂移。
為何重要:應變規是幾乎所有電子秤重與測力的核心——廚房秤與地磅、起重機安全限位、引擎測試台、橋樑與飛機的結構監測。誠實的提醒:訊號如此微弱,電橋平衡、放大器失調與溫度效應都極為要緊;應變規必須黏貼完美,整組還要對已知負載校準;而由於金屬也會因溫度改變電阻,你得仰賴電橋的配置把那份漂移減掉。這是建立在「你幾乎量不到的變化」之上的精密量測。
一顆 350 Ω、規係數 2 的應變規承受 0.0005 的應變(500 微應變)。它的電阻只變化 2 times 0.0005 times 350 = 0.35 Ω。單獨來看根本沒法讀,但放進 5 V 的惠斯登電橋,便產生約 1.25 mV 的差動訊號——很小,卻正是儀表放大器天生要處理的東西。
拉伸只讓電阻變化一絲;電橋讓那一絲變得可量測。
電阻變化只有零點幾個百分比,所以應變規幾乎從不直接讀——它需要惠斯登電橋,加上高增益、低失調的放大,以及內建在電橋配置中的溫度補償。