概覽

　　應變測量方法已有長足的進步。 而目前最先進的3項技術分別為電子箔片量表(electrical foil gage)、電子振弦 (Electrical vibrating wire)以及光纖布拉格光柵 (Fiber Bragg Grating，FBG)光學傳感器。

　　針對大部分的標準應變感測應用而言，電子感測目前已成為最高效率的解決方案，未來也將持續這一趨勢。 但在傳統的高難度應用中，光學傳感器另已崛起。 惡劣的環境、分布式系統或者長時間部署均體現了光學傳感系統的特性，且其效率遠高于傳統的電子傳感器。需要測量解決方案的應用，往往必須兼顧多種傳感技術的優點與特性。 因此混合方式就成為重要考量。 本文將簡要說明各種技術，并權衡其優缺點。

　　技術介紹

　　電子傳感: 金屬箔片量表

　　箔片應變量表是通過電阻與導體長度之間的關系，測得應變所發生的變化。 在箔片延展的同時，其長度也跟著變長，因此造成電阻短時間的變化。 若要精確測量電阻的微小變化，就必須通過額外的信號處理，也就是常見的Wheatstone電橋電阻網。 此處是跨電阻網而套用穩定的電壓，測得箔片上的等比例電壓壓降而得出應變。

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　　圖1. 常見的箔片應變量表

　　電子傳感：振弦

　　正如其字面意思，振弦(Vibrating wire)傳感是利用弦線張力與弦線震動頻率之間的關系。 常見的激發震動的方式是驅動電流，使其穿過弦線附近的線圈。 接著將產生磁場，并因其記性而排斥或吸引弦線。 一旦弦線到達穩定狀態，會再透過相同的振動線圈測量其震動情形。 接著分析頻率資料并將其轉換為應變。

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　　圖2. 常見振弦傳感器的配置

　　光學傳感：光纖布拉格光柵

　　光學傳感是通過光線特性而測量物理現象。 FBG即根據玻璃纖維折射率的一系列變化所構建。 先用光纖連至光源，當光線進入應變FBG傳感器時，即由光柵屬性而反射特殊波長。 在FBG延展的同時，這些光柵之間的間隙也隨之變大，進而改變反射光的波長。 接著測得反射光，并將波長中的漂移轉換為應變值。

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　　圖3. FBG延展圖

　　應用考量

　　表1. 應變傳感技術屬性摘要

　　箔片應變量表

　　在大多數的受控制環境中，箔片應變量表是最普遍、成本效益最高的解決方案。 箔片應變量表技術非常成熟，因此也具備最高產品系統效益的傳感器、信號處理電路、數據采集硬件(DAQ)硬件。 此外，箔片應變量表系統還整合了信號處理與DAQ組件，大大提升了測量效率。 NI C 系列與SC Express模塊就是最佳范例。

　　若是大范圍的分散式應用，就不適合采用箔片應變量表系統。 在長距離的情況下，讓所有箔片應變傳感器連接最多10組導線，安裝與維護就會變得非常困難。 因長距離導線所造成的電壓壓降，也讓箔片應變量表系統難以實現。 此外，一般箔片應變量表的使用壽命較短，因此長時間的測試和監控應用更需考慮淘汰問題。

　　在惡劣或不受控制的環境中，最好不要部署箔片應變量表系統。 一旦箔片應變發生變化，往往造成毫伏 (Millivolt) 單位的電壓變動，而傳感器與連線又容易受到電磁干擾(EMI)的影響。 若能讓應變量表盡量靠近測量系統，則可縮短導線長度從而降低外部噪音的影響。 但根據應用需求的不同，該方案不一定始終可行。

　　箔片應變量表是動態應變應用(包含風動與沖擊測試) 的最常見的傳感器。 主要是因為可輕松獲得測量硬件，且采樣率往往超過1 kHz。 若要實現高速應用時，則DAQ平臺也要能處理大量數據。 如PXI Express平臺的技術，將提供必要的帶寬與同步功能，以采集/傳輸大量數據。 因此在常見的小范圍、受控制的操作環境中，箔片應變是高成本效益、具備完整支持功能的傳感器，且同時適用靜態與高速動態測量。

　　振弦

　　由于振弦系統可穩定用于長時間部署，因此常用于結構監控應用。

　　只要振弦按其所固定/嵌入的材料完成校準之后，即可穩定且長時間運作。 又因為振弦技術可測量電子信號頻率中的變化，所以其本身就具備特定程度的電磁信號防擾功能。 但由于振弦采用的是電子導體，所以若發生如雷擊等高電壓，可能同時損壞傳感器與所連接的DAQ系統。 此外，振弦屬于低速傳感器(使用1 Hz 階次間隔)，因此必須先進行激活，達到穩定狀態，才能開始進行測量。

　　對精確的測量而言，傳感器應具備溫度補償功能。 而常見方式即為附加熱敏電阻(Thermistor)。 振弦系統中的各組傳感器需要2組還是4組導線一般取決于傳感器是否擁有溫度補償功能。 若是多組傳感器需共用單一接線組合，則可搭配多路架構。 雖然多路架構會降低采樣率，但對大多數的長期應變監控應用而言，每分鐘取得數個樣本就已足夠。 但若是為大型的分散式系統實現多路架構，就必須額外考量傳感器與DAQ硬件之間的龐大接線數量。

　　振弦系統適用于可能產生少量EMI的長時間部署應用;部署范圍最好限于數百米之內;且最好低于每秒1組樣本(1 S/s)的采樣率。

　　光纖布拉格光柵(FBG)光學傳感

　　與傳統的電子系統相較，FBG光學應變傳感器具有多項優點，特別適用于大范圍、長時間部署的惡劣環境。

　　FBG光學傳感系統沒有采用電子導體，因此可完全不受EMI與高電壓的干擾。 這非常適用于傳感器靠近噪音源(如電源轉換器、天線、電子馬達)的應用。 又因為FBG不受雷擊影響且抗腐蝕，進而可降低長時間維護成本，更適用于開放式的室外惡劣環境。

　　若是大范圍的應用，FBG光學傳感系統更適合替代電子傳感器。 而單一光線更可通過菊鏈(Daisy chained) 方式串聯數十組FBG傳感器，包含溫度、應變、壓力傳感器均可。 因此可減少必須的接線維護與安裝，讓公里計的系統部署達到更高成本效益。 此外，FBG光學傳感采用頻率而非振幅調制，無需信號處理即可傳播較長的距離(可超過10公里以上)。

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　　圖4. Micron Optics Inc.所制造的兩款FBG光學應變量表可黏貼或焊接于受測架構上。

　　類似于傳統電子傳感器，FBG光學應變量表易受溫度與應變的影響。 而FBG首應具備溫度補償功能。 只要在FBG應變傳感器的熱接觸(Thermal contact)附近，安裝FBG溫度傳感器即可達到溫度補償效果。 將FBG應變傳感器波長偏移減去FBG溫度傳感器波長偏移，即可得到溫度補償的應變值。

　　類似于箔片應變量表，FBG也可補償測試材料的熱膨脹(Thermal expansion)。 已有多家制造商提供傳感器調整方程式，提供受測材料的熱膨脹系數(Coefficient of thermal expansion，CTE)。

　　而部署于大范圍地區的應用，往往也必須能承受長時間部署。 FBG光學傳感器可穩定用于長時間安裝，且只要在初始安裝歸零之后，再不需要后續校準。 此外，如NI PXIe-4844等傳感解調器，直到儀器壽命中止時，也不再需要額外校準。

　　結論

　　電子傳感技術已普及于多種應用中。 若是將動態短期系統部署于受控制的環境中，則箔片應變量表是最高成本效益的選擇。 振弦系統則適用于長期部署，但必須評估可能的EMI暴露量。

　　在光學傳感問世之后，工程師與科學家可進一步達成之前高難度的應變測量;甚至振弦或箔片應變量表都不可能實現的應用，現在均可迎刃而解。 這些應用領域則可解決高EMI或高電壓，以及大地區的長期部署。

　　許多實際應用可能需要混合方式，以整合電子與光學測量的優點。 NI模塊化PXI硬件則可滿足混合式I/O的需求。 此外，NI LabVIEW圖形化編程設計軟件的強大功能更可靈活采集、分析、呈現數據。