摘要：隨著科學技術的發展和測試理論的不斷創新，新的工程用應力應變測試方法也在不斷地發展和進步，如基于材料雙折射效應的光彈性法、以光纖作為信號傳輸介質的光纖光柵法以及基于雙目視覺測量原理進行的三維變形測量技術等；本文將對以上各種測試方法的技術原理及其在汽車、航空和船舶領域的應用特點下文進行了闡述，并對部分關鍵參數進行了分析和比較。
目前采用電阻應變片電測法進行應力應變測量是對工程結構件設計、制造、裝配的可靠性和安全性進行測試、分析和評價的常用手段，廣泛應用在航空、機械、車輛、土木等工程領域；但是隨著近代工業的發展在許多領域，如汽車、航空航天和船舶等領域產品的結構、負載狀態越來越復雜，對應力應變測試技術和測試方法也提出了更高和更新的要求，如3D應變場測試問題、測試系統的抗電磁干擾問題以及接觸測量所導致的被測對象動態特性的變化問題等。
除了上面提到的應變片電測法目前發展的應力應變測試技術是光學測試；與應變片電測法不同的是:光學測試方法能夠運用光學手段研究和解決結構內部或表面的應力、應變、位移和振動等力學信號的測試問題，它的發展與現代光學技術或計算機圖像處理技術的發展息息相關，是力學測試中一個非常重要的分支之一；如基于材料雙折射效應的光彈性法和數字光彈法、在光纖傳感技術的基礎上發展起來的光纖光柵應變測試方法以及利用雙目立體視覺測量原理進行的三維變形測量技術等；以上各種測試方法在測量原理、測量精度和應用范圍上各有特點；以下為對各種測試方法的技術原理、系統構成和應用前景進行了闡述和分析比較：
1、應變片電測法
1.1、測量原理
應變片電測法是用電阻應變計測量結構的表面應變，再根據應變—應力關系確定構件表面應力狀態的一種試驗應力分析方法；測量時將電阻應變片粘貼在零件被測點的表面，當零件在載荷作用下產生應變時，電阻應變計發生相應的電阻變化，用應變儀測出這個變化即可以計算被測點的應變和應力，系統安裝結構示意見圖1：
1.2、電阻應變片測試方法特點
電阻應變片法是一種在技術上表面應力逐點測量方法，已經有60多年的歷史應用范圍涉及各種行業領域；
具有如下優點：
? 測量精度和靈敏度較高，常溫測量時精度可達到1%～2%；
? 量程大，可達 2×104με；
? 尺寸小，應變計柵長度最小為0.178mm，可以實現梯度較大的應變測量；
? 技術成熟，應用廣泛；
但是應變片的測量原理也決定了它的技術缺點：
? 屬于接觸式測量，只能測量構件表面的應變不能測量構件內部應變；
? 不能進行3D應變測量；
? 應變計測出的應變值是應變計柵長度范圍內的平均應變值；
? 屬于電測法一個應變片需有兩根導線構成測量回路，并且需要采取特殊的措施增強系統的抗電磁干擾能力。
2、光纖Bragg光柵應變測試法
2.1、光纖Bragg光柵傳感器測試原理
裸光纖光柵傳感器是一種未經封裝的傳感元件，它以裸光纖為載體通常由纖芯和外面的保護層組成；其中纖芯的直徑僅為0.125mm，光線在其內部進行全反射傳播；當芯層折射率受到周期性調制后即成為Bragg光柵，如圖2所示：
Bragg光柵會對入射的寬帶光進行選擇性反射，反射一個中心波長與芯層折射率調制相位相匹配的窄帶光，此中心波長稱之為Bragg波長為λB,λB=2neffΛ式中neff為光纖光柵的有效折射率，Λ為光柵周期，如果拉伸或壓縮光纖neff和Λ都會發生變化，Bragg波長就會發生變化；通過光纖光柵解調儀監測光柵反射光的波長，并通過相應的程序對測試數據進行計算、分析和處理，就能獲得光纖光柵傳感器處的應變值。
2.2、光纖光柵測試方法特點
光纖光柵測試方法是近20年來發展起來一種應力應變測量方法，由于非常容易構建分布式傳感網絡，目前廣泛應用于建筑、橋梁、船舶和化工等領域；該方法屬于光學測試技術范疇在應用上有獨特的技術優勢：
? 光纖光柵傳感器以光纖作為信號載體，傳感器體積小、重量輕，容易滿足被測結構件對狹小空間的安裝需求；
? 屬于光學測量方法、抗電磁干擾，適合用于長距離信號傳輸；
? 光學信號入射和反射線的輸入輸出回路僅為一根直徑0.25mm的光纖，能夠極大地簡化測試系統結構；
? 一根光纖上可以連續制作幾十個傳感器（被測對象變形越小，可以連續制作的傳感器也越多）便于構成分布式傳感系統；
圖3為美國水面戰斗中心在登陸平臺船塢LPD17上的艦船推進器上布置分布式光纖光柵測試系統圖片：
從圖中可以看出與其他方法相比光纖光柵測試方法在需要大范圍進行應力應變測量時具有很明顯的結構優勢。
3、光彈光學應變測量法
光彈性法是利用光學原理進行應力應變測量中具有代表性的方法之一，而其他方法如激光全息干涉法、散斑干涉法和云紋干涉法等由于視場測量范圍較小一般在1μm到1mm之間，常用于實驗室而很難滿足工程現場的測量需求。
3.1、光彈性法測量原理
光彈性法是利用材料的雙折射效應進行應力應變測試，如環氧樹脂之類的各向同性的非晶體材料在自然狀態下不會產生雙折射現象，但當其受到載荷作用而產生應力時，就會如晶體一樣表現出光學各向異性產生雙折射現象，而卸載后材料又恢復光學各向同性，這就是所謂的暫時雙折射效應；用具有雙折射效應的透明塑料如的環氧樹脂材料，按一定比例制成結構件模型或者在結構件表面直接采用光貼片處理后，將被測對象置于偏振光場中施加一定的載荷，模型上便產生干涉條紋；被測對象受力越大出現的干涉條紋越多，越密集；通過直接觀測結構上的條紋可以對結構的應力應變進行定性分析；圖4所示為北京機電研究所采用光貼片技術研究飛機座艙裝配應力的全場應變條紋圖：
從圖中可以看出：光彈性法非常直觀并且能夠進行3D全場應變應力測量；如果將傳統的光彈性法與計算機圖像處理技術相結合，即可對零件的全場應變和應力狀態進行定量分析稱為數字光彈性法。
3.2、光測法特點
光彈方法是國防、航空航天領域中的一種測試手段，與電測方法相比有許多優點：
?屬于非接觸測量方法，具有電測方法不能達到的全場測量優勢，既可以測量表面應力，也可測量內部應力；
?該方法直觀能夠清晰地反映應力集中現象，不僅很容易找到應力集中的部位，而且可以確定應力集中系數；
但是彈性方法也存在一些不足之處：
?工藝比較復雜測量周期比較長；
?通常需要使用環氧樹脂材料在被測結構表面進行平面和曲面貼片處理；對于一些大型構件需要按比例制作3D光彈性模型，制作工藝相對復雜；
?需要將被測對象置于偏振光環境中，光學系統相對復雜。
4、雙目立體DIC視覺測量方法
4.1、測量原理
雙目立體視覺測量方法（3D DIC全場應力應變測量）是適用于物體的形貌與變形的非接觸全場測量方法；它是在2D計算機圖像處理技術的基礎上發展起來的立體視覺測試技術，系統包括兩臺高分辨率的高速攝像機、一個照明裝置、一臺計算機及一組圖像分析軟件，系統結構如圖5所示：
測量時被測對象受力引起被測表面圖案發生畸變，該變化分別被兩臺攝像機記錄下來；兩臺攝像機同步采集測量視場范圍內的特征點圖像信息，并通過計算機圖像處理方法對兩幅圖像中同一特征點進行匹配計算，獲得該點在三維空間的坐標值；不論是在靜態還是動態環境中由于被測構件的變形，被測特征點的空間坐標會發生變化；通過計算被測構件上若干個特征點的三維坐標值及其變化量，即可得到被測結構的三維變形量、三維應變/應力及動態條件下的振動參數等信息。
4.2、3D DIC全場應力應變測量技術特點
雙目立體視覺是20世紀80年代逐漸發展起來的幾何量測量技術，與計算機圖像處理技術有著密切的相關性；在大型物體的形貌測量、逆向工程和車輛測距領域有著比較成熟的應用；基于雙目立體視覺原理該方法同樣能夠應用于3D應力應變測量領域，具有如下的優點：
? 量程大系統可以獲得亞像素級的成像精度，因而可以測量小至0.001％的微小應變，大至數倍2000％的大應變；
? 屬于光學非接觸測量、系統結構簡單，具有可移動性；
? 可以測量空間3D區域的力學特性，不受測點分布和數量的限制；
? 可以通過調整攝像機視場范圍的大小改變系統測量精度和量程；
雙目立體視覺三維應變測量技術的缺點：
? 系統測試精度與攝像機的性能及雙目立體視覺的標定技術、計算機圖像處理技術密切相關；
? 系統只能對攝像機視場范圍內的結構特性進行測量，對于同一個測試系統視場范圍越小，測量分辨率就越高測量精度也越高，否則反之。
5、應變應力測試方法總結
本文從測量原理入手對多種應力應變測量方法分別進行了闡述及分析，各種測試方法的主要技術指標如表1所示：
從表格中可以看出：不同的測量方法具有不同的技術特點，在實際工程應用中可以根據不同的被測對象、不同的應用場合和不同的精度指標選用測量方法以滿足不同的測試需求。
北京萬源恒興科技有限公司提供接觸式應變片電測法以及非接觸式DIC全場應力應變測量系統，請！
