風洞試驗是飛行器氣動外形設計與結構強度驗證的核心手段。在風洞運行過程中，試驗模型承受著高速氣流的沖擊、振動與溫度變化等多重載荷，其關鍵結構部位的應力狀態直接關系到飛行安全與氣動性能評估的準確性。日本共和電業（KYOWA）箔式應變片憑借其高精度、良好的溫度特性和豐富的產品線，在風洞試驗模型應力監測領域得到了廣泛應用。本文結合風洞試驗中的實測案例，系統梳理應變片選型、安裝、數據采集與結果分析的全流程要點。

一、風洞試驗應力監測的核心挑戰

風洞試驗環境對應變測量提出了極為嚴苛的要求：

1. 動態載荷與高頻響應

風洞運行過程中，模型表面受到的氣動載荷是動態變化的，尤其在顫振試驗、脈動壓力測試等場景中，應變信號頻率可達數百赫茲。應變片必須具備良好的動態響應特性，能夠捕捉瞬態應變變化。

2. 溫度效應與熱輸出

高速氣流帶來的氣動加熱會使模型表面溫度顯著升高，尤其在超聲速/高超聲速風洞中，模型前緣溫度可達數百甚至上千攝氏度。溫度變化引起的虛假應變輸出（熱輸出）若不能有效抑制，將嚴重干擾測量精度。

3. 曲面粘貼與空間限制

飛行器模型通常具有復雜的曲面外形，且內部空間狹小，應變片的粘貼位置往往受到嚴格限制。應變片需要具備良好的柔韌性，以適應不同曲率的表面。

4. 長期可靠性與抗振性

風洞試驗往往需要連續運行數小時甚至更長時間，應變片及其粘貼工藝必須經受住持續氣流沖擊與結構振動的考驗。

二、產品選型指南

根據風洞試驗的具體工況（溫度、載荷、模型材質等），KYOWA提供多款適配的箔式應變片：

（一）常溫/中低溫風洞試驗：KFGS系列通用箔式應變片

KFGS系列是KYOWA應用廣泛的通用箔式應變片，采用Cu-Ni系合金箔電阻元件與聚酰亞胺基底。其核心特點包括：

典型型號：KFGS-2-120-D16-11，柵長16mm，適合碳纖維復合材料機翼等大面積應變場采集。該型號精度等級達±0.3%，能夠精準捕捉微觀應變變化。

（二）高溫風洞試驗：KFU/KFHB系列高溫用箔式應變片

對于高超聲速風洞、電弧風洞等高熱環境，需選用高溫專用應變片：

• KFU系列（350℃） ：基底采用耐熱性強的聚酰胺樹脂，電阻元件使用Ni-Cr系合金箔，可有效減少熱輸出。

• KFHB系列（250℃） ：同樣采用Ni-Cr系合金箔，工作溫度范圍覆蓋-196℃至250℃。

• KHC系列點焊式高溫應變片（500～950℃） ：采用氣密結構的膠囊設計，通過點焊固定，安裝后可立即測量。

（三）風洞天平專用：應變片組合應用

風洞天平是風洞測力試驗的核心設備，在天平彈性元件上粘貼應變片并組成惠斯通電橋，每個電橋主要針對一個自由度上的載荷進行測量。風洞天平通常需要同時測量三個力（法向力、軸向力、橫向力）與三個力矩（俯仰力矩、偏航力矩、滾轉力矩）。

三、實測案例一：碳纖維機翼模型低速風洞應力監測

案例背景

在某型號無人機機翼氣動外形優化項目中，需要在低速風洞中對碳纖維復合材料機翼模型進行表面應變監測，評估不同攻角與風速條件下的應力分布，為結構優化提供數據支撐。

應變片選型

項目選用KYOWA KFGS-2-120-D16-11通用箔式應變片，以十字交叉布局粘貼在機翼表面關鍵測點。選型理由如下：

• 柵長16mm：既能保證局部應變場的完整采集，又不會因尺寸過大而影響復合材料本身的力學特性

• 聚酰亞胺基底：具有良好的柔韌性，可貼合機翼曲面

• 120Ω標準電阻：適配通用數據采集系統

配套傳感器與采集系統

應變片配合LIM3S傳感器使用，后者內置溫度補償模塊，可有效消除環境溫差對測量結果的干擾。LIM3S的數字化信號處理單元將模擬信號轉換為24位精度的數字量，通過CAN總線以500Hz的采樣頻率傳輸至監測終端。

粘貼工藝

1. 表面處理：對碳纖維機翼表面測點進行打磨與清潔，去除脫模劑與油污

2. 應變片定位：采用十字交叉布局，確保應變片方向與主應力方向一致

3. 粘貼固化：使用KYOWA CC-33A常溫硬化型瞬間粘合劑，手指加壓（100～300kPa）15～60秒初步定位，靜置24小時達到固化強度

測試結果

在風洞試驗中，該配置成功識別出0.0015με量級的異常形變，為氣動外形優化提供了關鍵數據支撐。高精度的應變數據使工程師能夠精準定位機翼表面的應力集中區域，針對性地進行結構補強與外形修整。

四、實測案例二：高超聲速前緣結構電弧風洞高溫應變測量

案例背景

高超聲速飛行器前緣在大氣層中長時間飛行時受熱嚴重（溫度可達600℃以上），熱應力對結構安全影響重大。在中國空氣動力研究與發展中心的電弧風洞中，研究人員對高超聲速飛行器前緣結構進行了高溫應變測量。

試驗條件

• 試驗設備：電弧風洞

• 試驗模型：碳基復合材料與耐熱合金兩種材料的前緣模型

• 測量溫度：最高600℃

應變片選型

高溫環境下的應變測量需選用專用高溫應變片。該試驗采用的高溫應變計能夠耐受600℃以上的高溫環境，并需經過嚴格的熱輸出標定。KYOWA的高溫用箔式應變片（如KFU系列350℃、KFHB系列250℃）以及點焊式高溫應變片（KHC系列500～950℃）是此類場景的適配選擇。

熱輸出標定

高溫應變測量的關鍵環節是熱輸出標定——即在無外力加載條件下，單獨測量溫度變化引起的應變片輸出，以便在正式試驗數據中予以扣除。這一過程對于確保高溫環境下應變數據的真實性至關重要。

測試結果

試驗成功獲取了前緣模型在600℃高溫環境下的應力應變數據，結果表明前緣模型側面平板的應力狀態處于合理水平。實測數據與有限元計算結果進行了對比驗證，證明了測量結果的真實性。這些數據對于前緣結構的優化設計起到了重要作用。

五、風洞應變片安裝與數據采集要點

（一）應變片篩選與匹配

風洞天平用應變片需經過嚴格篩選：同一組的應變片電阻相對平均阻值誤差應小于0.1%，溫度效應也要相近。基底需修剪到滿足天平貼片位置的尺寸要求。

（二）粘貼環境控制

風洞天平的粘貼工序對潔凈度有嚴格要求：潔凈間空氣潔凈度等級達到千級，溫度控制范圍±0.5℃，濕度控制范圍±5%。

（三）粘貼質量檢驗

粘貼完成的應變片需進行質量檢驗，包括：

• 真空檢測：檢查膠層是否存在氣泡

• 加壓固化：在烘箱中加壓固化，確保應變片與彈性梁貼合

• 電阻檢測：確認粘貼后電阻值無異常變化

（四）數據采集系統配置

風洞應變測量通常采用以下配置：

• 橋路連接：應變片組成惠斯通電橋，將電阻變化轉換為電壓信號

• 信號調理：通過A/D轉換將模擬信號轉換為數字量

• 采集設備：KYOWA PCD-400B或UCAM系列數據記錄儀，支持多通道同步采集

在飛行器模型頂端內壁、模型框架和天平上分別安裝三向應變片，對三個方向測出的應變信號進行頻譜分析，可計算出0～300Hz內各頻帶的能量特征值，用于評估模型的動態響應特性。

六、典型應用場景總結

七、采購建議

KYOWA箔式應變片及配套采集設備均為精密測量儀器，建議從正規授權渠道采購，以確保產品品質與技術支持的可靠性。

玉崎科學儀器（深圳）有限公司作為京都玉崎株式會社在中國的全資子公司，在KYOWA應變測量產品的引進與技術支持方面積累了豐富經驗。其優勢包括：

• 完整的產品線覆蓋：KFGS系列通用箔式應變片、KFU/KFHB系列高溫用應變片、KHC系列點焊式高溫應變片、風洞天平專用應變片組合方案，以及PCD-400B數據采集儀等全系列產品

• 原裝正品保障：承諾品質，已完成嚴格的入庫檢驗與質量核查

• 配套耗材齊全：CC-33A常溫硬化型瞬間粘合劑、高溫專用粘合劑、防護密封材料等全套配套產品

• 專業技術支持：可根據用戶的具體風洞試驗工況（風速/馬赫數、溫度范圍、模型材質、測點位置等）提供精準的應變片選型與安裝方案

建議用戶在風洞試驗項目啟動前，充分評估試驗工況的溫度范圍、模型材質與空間限制，必要時可聯系玉崎科學的技術團隊進行方案論證與產品演示，以確保選型精準、測試可靠。