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    建立日期 :
    04/11/2006
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    應變規(Strain Gauge)誕生五十年之演變
    主題內文 :
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    一、前言
      在人生的過程中五十歲是大生日!也是一個重要的里程碑。相同地,在兩年前(1988),在美國亦為應變規發明五十周年,擴大舉辦了一項慶祝會。為何會這麼轟動呢?讓我們來探究其歷史演變。一般大家都認定 1938 年是應變規的生日,當時,人類首次利用金屬線受機械應變產生之電阻變化來測試物體應變,並以該金屬線為計測器,粘著於被試體上面,這種形式視為現今應變規原理之誕生。其實應變規之原理早在l856 年,Lord Kelvin指導大西洋電纜之埋設時,就已利用測試因水壓不同所致之金屬電阻變化值計算出海底埋設深度。相關的實驗亦證明鐵之電阻值變化較銅為大,但不是定量的。l878年及l883年 Tomlinson,以定量方式測試每單位電阻之電阻變化量(△R/R)也就是所謂電阻線之係數。
      至l932年Mr.P.W.Bridgman,再度確認Kelvin之實驗,求出電阻之張力係數,於1925年從薄板電阻體之橫向與縱向之張力影響求出應變係數應用於壓力計。接著1930年 R.W Carlson將此原理應用於感應器(換能器 Transducer),並公開發表並定名為 Carlson型應變感應器。迄今尚廣泛應用於混凝土壩之觀測系統上,日本著名黑部峽谷大壩及我國德基水壩之觀測儀器均採用Carlson型。
      另一方面在美國由Statham Laboratory Inc.亦以非接著型電阻線應變規原理開始生產並將它商品化,同時發展成各種變換器。近來亦廣泛地被應用於核能廠,及太空方面之測試。筆者曾於1982 年拜訪居住於舊金山的 Dr.Carlson 之住宅。很榮幸受招待午餐,並向他請教關於Carlson 型儀器的展望。
    二、黏著型應變規〝SR-4〞之誕生
      1935年 A.Block先生試探將電阻體以黏著劑直接黏在被測物體的表面上以量測應變。由於受到飛機廠的委託,僅當成實驗性質的試作,在當時是以碳薄膜來做試驗而不是用電阻線。因為此種薄膜或合成Chloride狀之碳應變規其溫度係數大,磁帶(Hysteresis)及再現性(Repeatablity)有問題,因此只停留於實驗階段而未能將其商品化。

      一直到 1938 年 Edward E. Simmons,才發表利用金屬電阻線製造黏著型電阻線應變規,也就是今日應變規之基本形狀。當時 Simmons還在加州理工學院(CIT )念書,受託研究開發衝擊用力量變換器,將它用於棒之衝擊試驗。但為了專利權與大學爭議很久,最後判定因他尚在學生身份的時已發明而勝訴。在同一時期東部麻省理工年院(MIT)有位土木系助教Arthur C.Ruge也研發同樣形狀之黏型應變規,供地震對構造物影響之研究。這個時候Baldwin 公司想獨占應變規之市場,前後向 Cartson 及 Statham 交涉購買製造權,但因兩者均各自獨立設廠製造而做罷。
      而應變規能有今天的發展,深入工業界廣泛應用,功勞最大的應推BLH 公司之Frank TAtnall先生。他主修機械,1920 年畢業後,因經濟不景氣,找不到適當工作,於是在滅火器製造廠就職。後來轉材料試驗機廠,這是一所以建教合作專找研究所、大學共同研究開發新產品。之後廠商再取得製造權將產品轉為工業化。Tatnall先生在一次偶然機會中認識了製造火車頭的 Bladwin Locomotive 公司,而且被挖角了。於是他遵照公司的方針,積極尋找持有應變規技術及專利的廠家,以便收購專利權及販賣權。他有一位好友 de Foroest 先生發明了CARBONSTRIP型應變規,就是受當時相當有名氣之油壓式螺旋漿製造廠 HAMILTON STANDARD PROPEILER 之委託研究的成果。透過Dohore 先生的介紹認識了Ruge 先生後,立即取得金屬線應變規的專利權,並由Baldwin 公司另成立子公司請他們兩位負責開發推出市場。
      l939 年美國東海岸舉行ASTM 展示會,已商品化的電阻線應變規當然也參加展覽,但並未受參觀者的關心。同時麻省理工學院 MIT 明知 Ruge 先生係在MIT任職中申請專利權,且專利權已賣給 Baldwin公司,但也不重視此項發明專利而放棄學校應有權利。但這時從西部來參觀展覽的Rokeyd 公司之Toriprred先生看了才後告訴Baldwin公司的人關於Simmons 與 CIT之發展成果。於是Tatnall立即趕赴西部拜訪Simmons 先生,才知道美國東西兩岸在同一時期發明同樣的製品。而經查證的結果Simmons 之發明比較早,只是他申請專利偏重於被當作計測器之零件應用於各轉換器,而 Ruge 是以泛用的條片狀應變規為主題。於是由Tatnall擔任召集人Baldwin公司之董事會來主持Simmons 其合作人 Dr. Donald S. Clark,Ruge及A.V. de Forest,四個專家大會合,決議以 SR-4 為商品的名字來推廣於市場。而Baldwin 公司取得獨佔製造權,奠定今天的應變規之基礎,而今 SR-4 之名氣更成為當時應變規之代名詞。 SR-4 之 S 取自Simmons之頭字 R取自Ruge,至於4就是參與者有4人(Four In All)的意思。
      筆者於1900年初次訪美,有機會拜訪設於麻州WALTHAM市的 BLH Electronics INC., 由營業部經理 Raymind Lepore 陪同參觀工廠印象十分深刻。


    三、STRAIN GAUGE 在美國之演變
      雖然應變規於1938年誕生,而Baldwin 公司取得在美國的專利製造權。究竟SR-4 GROUP只有機械工程的概念,缺少感度放大機構之開發及降低成本的自動化製造技術,故很難把應變規的特性及優點發揮出來,也因技術落後所以在當時銷售成績並不好。
      反而在第二次世界大戰期間,航空業界受軍需景氣影響,無視於專利權各個自行開發,而且配合電氣計測器部門支援,因而有相當的發展。一直到 1945 年戰爭結束後,恢復專利權之實效,包括變換器之製造廠,亦需有授權才能製造。
      Baldwin 公司對應變規技術之推展有很大的貢獻。過去應變力之測試僅限於材料試驗室內之作業,因應變規的問世直接可以在現場以新的應力解析方法來廣泛利用。而該公司很熱心對使用者舉辦講習會,用心教育許多從事計測技術人員,使他們獲得彈性力學計測方面最新之技術。
      該公司於l950年為加強計測關係業務,將原設於費城之工作部門統合起來而改設於麻州Waltham 市並改名為 〝Baldwin-Lima-Hamilton Corp〞一直為營業企劃推展之中心人物 Tatnall先生因屆退休年齡,不願再遷移至麻州,在取得公司諒解後,單獨留守費城,結果,業務推行不如以前那麼理想。這時候同業在汽車製造廠 Badd
    公司,看好太空時代之來臨,設立計測部門並遊說Tatnall先生轉至Badd公司任職。而人類第一顆人造衛星發射就在此年底成功發設的。 自Tatnall轉任Badd公司後,該公司之應變規業務急速擴大,此時隨 Tatnall先生工作之成員後來均成為Vishay公司的幹部。而應變規部門也獨立為M.M(Misro Measurement)公司。以上是美國有關應變規業界之演變,總而言之原始是沿由Baldwin 公司發展分流出來的。

    四、日本之應變規開發沿革
      日本應變規的誕生應是第二次世界大戰以後。據說共和電業的初任社長渡邊理博士在大戰中,被徵召於日空軍之研究所,有一次在一架被打擊下來的美軍轟炸機B29 的機身上,發現附黏小塊紅色呢布之感測器便將它帶回研究,積極地開發。
      昭和二十四年(1951年)日本文部省舉辦外國製品之型錄展示會。初知Baldwin公司之應變規。同年東大船舶系的吉識教授訪問美國,回國後,引介當時在美國已相當普遍之 Baldwin的製品,因而成為今天共和電業公司之應變規事業的開端。接著昭和二十五、二十六年東大計測工學科磯部教授訪美參觀 Baldwin公司當時Baldwin 公司只有 30名左右之女作業員,完全以手工製造價格甚貴在1949年的當時出口價格為一枚為1-4美金。
      事實上日本這個國家當時很有信心的,它聯合德、義向世界宣戰,表示它本身在製造兵器及材料力學測試已有相當的科學潛力,並且也的確下了不少工夫。可惜戰敗後大部份的機密都被燒毀,所以僅能靠當時曾參與的科學家依過去研究經驗,從頭再來研究開發。
      初期是以共和電業、新興通信、東洋測器等為主,靠他們引進Baldwin 公司或Carlson公司之技術,再加上自己的研究技術,然後開始生產製造。Baldwin公司緣於日本對這種技術的需求,於是在日本設立東洋Baldwin 公司。戰後日本為了重建國家,撥出相當可觀的研究費來支援水力發電、船舶及鐵路。其中日本國鐵(l988年已開放民營)設立國鐵研究所,擔當鐵路、橋樑的復建工作,做幕後的研究計劃。同時在暗地裡訂定了長期計畫,為將來長距離區間的快速鐵道電氣化鋪路。(目前世界上很多國家仍都採用柴油發電機車,例如美國本土)。
      爾後為求高速化他們分頭研發測試,終於成功地完成了子彈快車。在不久的將來就可實現更快之Linear Motor Car。又東大生產技術研究所、船舶試驗所(目前改名為運輸技術研究所)與共和電業訂立長期建教合作的契約。由於他們的貢獻促使日本獲得造船王國的信譽。共和電業於此並建立了一套獨一無二的應變規校正設備,且獲得美國 MIL規格核可。日本不但在學校、研究所、政府機構、一般工商業作研究也熱衷引用應變規,在全國普及採用之下才提高應變規的製造及應用技術。

    經過四十多年來,應變規製造廠在日本除了共和電業尚屹立業界領導地位之外,其次還有新興通信,(現由Minibear公司併購,易名為新興Minibear公司)。另一東洋測器以〝TOM〞為商標,在紡織、化學、纖維業風光一時,但後來還是停業了。其他尚有昭和測器(石山社長過去曾在船舶試驗所任職)、東京測器等幾家。



    五、我國應變規應用技術
      第二次世界大戰以後,在台灣的日本人大都被遣送回國僅留少數專業人才。當時國內一時處在政經空洞的危機裡,受原殖民地政策的影響,基本工業等於零,重建國土的過程是很艱辛的。筆者當時從成功大學剛畢業(那時稱為台南工學院),電機系畢業後如願進入台灣電力公司,被派到東北部最偏僻之天送埤發電廠,此廠發電容量只有 10,000 仟瓦,屬於二次水力發電。但在當時的電力復建工程是非常重要,可惜一切維修操作運轉都要靠自己想辦法。每次大修後,從運轉試驗到水車

    之性能與安全都須注意。如調整不當可能導致壓力鋼管破裂或調速機不靈,超出機器構造的安全係數,都會引起嚴重事故。曾在東部一所發電廠就是因而主軸斷裂造成飛車而發生命案。另外在日月潭一所發電廠也因落差 500多公尺的壓力鋼管破裂造成電廠淹水事故。筆者還記得當時為了測試壓力鋼管的壓力上升率與調速機之動作桿位移、水流量及發電量等都要同步測定,且必需在動態下求其變化曲線。當時我們只有利用高電阻的鎳合金線,兩邊以絕綠針固定,變位指針裝電氣接點,將瞬
    間變化經過好幾段放大器電路,再由電磁示波記錄器費很大功夫才畫出來,但是仍然常常失敗而重做。
      時代變遷筆者有機會參加新發電廠的裝機工程,而且首次向日本三菱電機進口新水輪發電機,峻工試驗時,效率試驗採用瑞士發明的 A-OTT CURRENT METER。不再用傳統的鹽水法或 GIBSON METHOD,其中水車性能試驗的設備也是從日本帶來的,此外尚有利用應變規製造的壓力變換器、動態放大器及頻率感應相當高的 GALVANOMENTER,這種測試起來很方便又精確。記得當時三菱帶來設備的製造廠是新興通信。印象特別深刻,因此二十五年前筆者在台電服務十五年後離開,初次出國求學時,首先在一家自動控制儀器廠—北辰電機(現為橫河北辰)做了三
    個月一般工業自動控制系的訓練,因為筆者認為在台電廠所學到的電驛式程序自動控制與一般產業用的自動化流程不同須再進修,故利用這段期間積極尋找關於應變規的最新資料。第一次透過北辰的介紹拜訪新興通信工廠,做了二天半的研習。爾後再訪東洋測器,最後訪共和電業認識渡邊前社長,渡邊前社長是大學電機博士,技術本位,做人非常誠懇一點生意經都沒有,我倆談起來很投機一見如故。從那時後開始我與共和電業來往已經有二十五年了。為實現在我國能引進應變規應用技術,筆者回國後立刻策劃,並請求共和電業支援。在南海路植物園內的科學科工館(當時沒有松山機場展示中心及世界貿易中心)參加我國第二屆電子科學展覽會。由共和電業攜帶一批有關各型狀的應變規產品及使用的變換器。當時參觀的來賓都覺得很新奇。從英漢辭典上也找不出(STRAIN GAUGE)的名詞。在日本稱它作【歪計】,大家連想到做事不正也是歪,所以我們趕緊把它翻譯成〝應變規〝。接著


    我們舉辦國內的巡迥說明會,特邀請共和電業渡邊博士親臨主講,當時我認識成功大學造船系系主任黃正清教授,他很有遠見又很熱心地想把這種新的科技教給理工科學生。後來筆者向渡邊博士要求,請共和電業贈送一批應變規測試之設備給成功大學,因此學校還專設〝渡邊實驗室〞來紀念。
      此外台灣大學的陸志鴻教授(已去世)曾在日本留學且早就對應變規的應用有深厚的心得,現在我國土木結構之權威—高建章教授當時為陸教授的助教。我從兩位教授那裡學到更多關於應變規的理論及實地應用。有一次還與台大熱工實驗的楊旺欉教授及高建章教授在松山機場通宵達旦對一部有毛病的巨無霸 B-727做給油系統的應力試驗。
      在當時連接台北市與三重的交通要道—台北橋改建完工時(日據時代為鐵橋,光復後改為混凝土橋),由成大土木郭金棟教授主辦做載荷試驗,從晚間十點交通管制至第天二早晨五點以前,冒著摔下淡水河底的生命危險,筆者也跟其他工程師在橋樑的重要部位佈置應變規並完成橋樑應力試驗。

      號稱遠東大壩之一的德基水壩為考慮施工中及蓄水時的安全也規劃了應力、應變規、溫度變化以及位移、撓度等項的測試,因規模壯大,筆者專程赴日本在奈川渡大壩質習一週學習裝設技術。後來與鹿島建設的子公司—八千代工程公司合作承包埋設德基水壩的觀測儀器,甚至還提供有關壩體安全上之重要資料。去年(1989年)還由三聯公司改為電腦自動化量測。經過將近二十年效果仍十分很好。其它像台中港築工程、高雄過港隧道、中鋼建廠、核能火力電廠之建設以及中船第一艘五十萬噸油輪建造等等。早期國家十大建設中應變規及其變換器的測試系統之貢獻實
    在功小可沒。
      上是筆者於三十多年前初步認知應變規後所參與有關應變規及變換器的實地作業中值得的幾項回憶。很欣慰地由於這些年來之推展,加上留學歸國的學者與專家以及海外知交的大學教授,業界權威不嫌棄筆者的學識淺薄!不吝賜教,更加倍有信心累積三聯企業公司第二代在應變規方面專業技術,繼續為國家建設,工業技術之提升而服務。近年來也陸續完成了曾文水庫、鳳山水庫、鏡面水庫、石門水庫、榮華壩、新山水庫、中鋼儲煤碼頭、明潭抽蓄發電廠、翡翠水庫、高層大樓地基結構、山坡地開發等觀測與分析。

      科技發達應變規也從原始的Paper Gague 演變為Bakelite Gauge、Foil Gauge、 Semicondutor Gauge、High Temp Gauge、Spata Gauge 等多種系列,放大器、指示器、資料集錄器的機能精度亦有大幅度改進,高級化的資料集錄系統已逐漸成為今日應力測試系統之主流。
      電腦與繪圖機亦可以協助你做最好的結果。以現在之高級應變規及測試器所提供的答案,我們已可以信賴。但在這裡特別要提到計測工程師有時也要回到原點,至少對我們曾處過對測試儀的信賴度疑慮的時代。有時我們測試應變力時必須計算應變力後,再求證相對的構造物本身之撓度,才會領會心裡上覺的很踏實。個人覺的,從事應力測試解析的工程師除已能操作整合的測試系統,直接得到答案之外,實應不斷提昇自己並回到原點複習應變規之基本原理。使工作更具意義、更確實!
      展望未來國防、航空、電力、電信、造船、鐵路、產業機械的開發研究方面需求愈來愈多。只可惜我國至今未能自製應變規,完全依賴進口,渴望在未來工研院或大企業將來生產製造。真正提昇本國之基礎工業。