应力测试 - 你需要真实测试来补充有限元分析

很多电子工程师没有考虑过应力测量—EEs 通常用电子可靠性来代替真实的结构测试. 但是对于飞机元件和半导体加工设备开发工程师来说, 应变测试是非常关键的. 即便电脑可靠性分析完成后，依然需要进行真实的应力测试.

大量的复合材料兴起和复杂结构的产生需要进行更精确的 应力测试。传统的应力测试方程式大量应用于汽缸，梁和其他同质材料制成的结构，但对于不规则形状和非同质材料暴露出很多缺点.

但当制造商努力缩小产品尺寸和重量，部件几乎达到应力承受极限时。仅通过计算机模拟和计算是不够的，因此需要进行高精度物理测试.

对于汽车，制药设备和半导体加工设备来说，对应力测试的测量分度要求已经达到微应变级别 (百万分之一英寸).以前机身和卡车底盘的测试只需50个测量点，10-100个微应变的测量分度，现在需要监控150个测量点，测量分度已经要求达到个位精度微应变或者更低.

这里有两个 HBM 参与的两个案例. 第一个,半导体晶体炉采用称重传感器上的应变片测量晶体生长的重量变化. 其需要应变的测量分度达到 1.06 微应变.第二个,飞机起落架测试需要同样的测量分度来验证采用轻质材料的设计质量.

设计测试步骤

如何通过高精度的应力测试保证获得可靠的测试结果?首先, 要知道你在测试中希望获得什么.

例如，最近一个客户要要订购应变片和放大器来进行产品原型测量. 我首先问你知道应变的方向吗？他回答不知道. 我们最终为其选择了应变花，其可以测量三个方向的应变.

一旦你知道你能获得的结果, 你的应力测试系统需要以下三个基本步骤:.

对于个位数级别微应变测量, 正确的选择是采用箔式电阻应变片. 尽管半导体应变片有很好的稳定性, 但其在一定条件下容易产生很多误差，如温度变化以及光线变化.

箔式应变片是建立在长度改变导致电阻相应变化的理论上的.通过惠斯通电桥，电阻的变化产生一个高精度，非常可靠的测量信号. 应变栅丝的材料一般是康铜，有时也可以是镍铬合金.应变片有不同的电阻，长度和尺寸.

这8个指导意见覆盖了我们会经常遇到的问题::

对于复合和非均质材料，应该选择最长可能的应变片.更长的长度可以捕获材料整体的平均应变.
对于潮湿环境，应该选择阻值最低的应变片. 更低的阻值可以抵消由于潮湿引起绝缘体肿胀造成的误差.
对于应力测试周围存在很多不规则和应力集中的区域，选择最小可能的应变片，你可以获得真实的测试结果.
对于湿度-温度应用，使用康铜基底应变片更好.对于温度超过 200°C 情况，应选择镍铬合金应变片. 必须保证在应变片安装表面，没有潮湿空气. 即使在72°F 情况下,金属也会在阳光下变热.
对于需要长期使用的应力测试，要使用镍铬合金应变片. 其具有更高的疲劳寿命.
使用封装过的应变片，封装过的应变片可以更好的保护免受操作时产生的损伤.
使用内置引线的应变片，不仅可以节约安装时间，还可以减少由于安装过程中对应变片的损伤.
如果知道应变方向，请使用单直片，如果不确定，应该使用应变花. 其可以测量单轴，双轴和剪应力.

同选择合适的应变片一样，为保证测量精度，放大器的选择也是同样重要的。

如果你仔细比较放大器参数, 你将会发现很大的区别，可以极大地影响测试性能. 以下是放大器选择的几个小技巧:

关键的参数是总线频率和分度. 高总线频率可以更好地捕获瞬间变化. 分度决定你采集数据的精度. 放大器的精度特性会对应力测试的精度产生很大的影响.
对于需要高精度的应力测试 , 应该选择 24-bit 分度和更高的总线频率. 例如, 19.2-kHz 放大器可以捕捉 1-ms 瞬间值，而低频率的放大器则一无所获.但是大部分结构瞬间变化都非常快速.
多样性，应该选择同时带有载波频率和直流放大模式的放大器. 在应力测试时，应该采用载波频率方式.此模式自动消除很多测量误差源，如电子和热噪声，将产生纯粹的信号用于存储和分析.
另外，要保证放大器可以处理2线，3线，4线连接 (图 1). 这样的电路可以在应变计和放大器之间长电缆不可避免的情况下提高测量精度 (关于电缆请参阅以下 "安装一个系统" 部分)
其他还包括是否结实，是否可用在多种环境下等等，毕竟你希望放大器可以使用很多年..
为简化安装过程，你应该选择内置显示和控制面板的放大器.这样，在没有电脑的情况下，你依然可以进行设置和检查.

安装应变片时，应该小心处理，保持他们平整，不要放任何物体在其上面，这里有四件事情需要牢记:

即使所有的设备已经到位，你依然要小心处理外界因素对测量的影响。最近，我们在帮客户准备飞机的负载和应力测试 .

所有的应变片，引线和电缆连接已经完成，并且连接到高精度放大器上，但是第二天早上我们发现在没有负载状况下，依然产生了应变。这是因为机翼上隔夜的露珠的重量所引起的.