彭卫玲 何振永
通标标准技术服务有限公司广州分公司材料与可靠性实验室
摘要：应力应变是力学测试中重要而通用的物理量，杨氏模量表征材料抵抗变形的能力，俗称刚性。高分子材料力学测试中最常用的仪器是拉力机和引伸计，杨氏模量可以通过应力应变计算得到。当材料的刚性大导致应变非常小或材料表面容易打滑时，引伸计就无法应用得到精确的结果。应变电阻仪采用应变片测量材料的微小应变，精度很高，可以解决以上问题，并能获得不同方向的模量。
关键词：惠斯通电桥 拉伸模量 复合材料 纵横剪切 面内剪切 压缩 泊松比
1. 应变电阻仪的原理
应变电阻仪主要利用惠斯通电桥和应变片来进行微小应变的测定，即应变片将应变转换为电阻变化，通过惠斯通电桥来检测应变片电阻的微小变化。
如下图1所示，惠斯通电桥由四个同等阻值的电阻组合而成。如果：
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则无论输入多大电压，输出电压总为0，这种状态称为平衡状态。如果平衡被破坏，就会产生与电阻变化相对应的输出电压。如下图2所示，将这个电路中的R1与应变片相连，有应变（形变）产生时，记应变片电阻的变化量为ΔR，则输出电压的计算公式如下所示：
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上式中除了ε均为已知量，所以如果测出电桥的输出电压就可以计算出应变的大小。将应变片贴在被测定物上，使其随着被测定物的应变一起伸缩，这样里面的金属箔材就随着应变伸长或缩短。很多金属在机械性地伸长或缩短时其电阻会随之变化。应变片就是应用这个原理，通过测量电阻的变化而对应变进行测定。
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应变电阻仪由于其能准确测量到样品应变的变化，配合万能试验机使用，在高分子材料的力学测试中有着广泛的应用。下面介绍应变电阻仪在高分子力学测试中的应用实例。
2．在塑料拉伸模量中的应用
弹性模量是指材料在外力作用下产生单位弹性变形所需要的应力，它是反映材料抵抗弹性变形能力的指标。聚合物的拉伸模量可以衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度越大，亦即在一定应力作用下，发生弹性变形越小。使用得较多的就是两点法来计算（如以下公式）。
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对于一般的高分子材料，可以通过引伸计来测量拉伸模量，引伸计的精度要求是1%以上，下图说明了不同的试样标距对引伸计有不同的精度要求。
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对于样品尺寸较小，无法使用较大标距而无法保证引伸计的精度满足测试要求时，可以通过应变仪的方式进行测量。应变片的精度可以达到0.01%，所以用应变片精确的应变，同时测量出对应的力值，通过应变仪与拉力机的配合，能准确测量它的拉伸模量。以下图4为利用应变电阻仪测定玻纤增强尼龙材料拉伸模量的曲线图，可以看到曲线在弹性段有较好的线性拟合度，通过两点法可以准确计算出样品的拉伸模量。
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图4：应变电阻仪测定玻纤增强尼龙材料拉伸模量曲线图（横坐标-微应变，纵坐标-力值）
3．在复合材料力学性能测量中的应用
3.1 纵横剪切
在±45°铺层的连续纤维层合板样品中心表面粘贴纵向横向两个电阻应变片（如图5所示），然后按照GB/T 3355-2014操作步骤可以准确测定复合材料剪切强度、剪切弹性模量、极限剪切应变等纵横剪切性能（如图6、7所示）。
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3.2 面内剪切
将开有对称V型槽口的试样夹持在一对专用夹具上，通过试验机的拉伸在试样工作区内产生剪应力，通过应变电阻仪记录试验在剪切时的剪应变，最终使试样因剪切而破坏，最终计算得到复合材料面内剪切强度、剪切弹性模量、极限剪切应变等剪切性能（如图9、10所示）。
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3.3 压缩性能
压缩性能为复合材料常规力学性能之一，连续纤维增强树脂基复合材料的压缩力学性能的评价存在较大的难度，为规范其试验评价方法，国内外复合材料领域先后推出了多个标准试验方法，如表1所示。在诸多加载方式中，混合加载方式被普遍接受。在混合加载剪切测试中，由于压缩试样尺寸较小，空间有限，常规压缩引伸计无法测到样品的压缩应变，在试样两面中心分别粘贴轴向应变片，可以准确测定样品的压缩强度、压缩模量等性能（如图11、12所示）。
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4．在高分子材料泊松比测试中的应用
材料沿载荷方向产生伸长(或缩短)变形的同时，在垂直于载荷的方向会产生缩短(或伸长)变形。垂直方向上的应变εl与载荷方向上的应变ε之比的绝对值称为材料的泊松比。泊松比是反映材料横向弹性变形的一个系数，和拉伸模量一样，可以表征材料的刚性，材料越硬，泊松比就越小；材料越软，泊松比就越高。
一般情况下，可以使用纵向和横向引伸计同时测量纵横向的应变变化量来计算，但由于横向引伸计一般会有尺寸的限制。而通过在试样中心位置上粘贴横向和纵向的应变片，可以更为简单地取得更准确的结果（如图13,14所示）。
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5. 结束语
(1)应变片与拉力机配合使用，是除引伸计外另一种测试高分子材料模量和泊松比的方法。
(2)应变片在复合材料力学测试中，有着广泛的应用。
引用文献：
(1)GB/T 1040.1-2018≤塑料 拉伸性能的测定 第1部分 总则≥
(2)≤高分子物理≥ 复旦大学出版社
(3)GB/T 3355-2014聚合物基复合材料纵横剪切试验方法
(4)GB/T 28889-2012 复合材料面内剪切性能试验方法
(5)ASTM D6641-16ε1采用混合加载夹具（CLC）测定聚合物基复合材料压缩性能试验方法
(6)白光辉，张沫，郭悦 《先进复合材料力学性能测试标准图解》 北京：化学工业出版社，2015