机械工程测试技术三级项目报告

1、机械工程测试技术三级项目报告题目：等强度悬臂梁的动态响应测量与数据分析 班级：13级机械装备-2班 小组成员：才旺 李同 孙向男 指导教师：胡福泰2016年7月目 录1、 摘要22、 前言33、正文6 3.1 等强度悬臂梁工作原理6 3.2 应变片的工作原理73.3 电测法基本原理93.4 实验内容及步骤.113.5 实验数据记录及实验结果.123.6 注意事项. 133.7 实验分析说明及结论.134、心得.14 摘要本实验目的在于掌握在不同的动态力作用下应变测量方法，是对基本测试方法的一次综合训练过程，通过对具体所要测试机械装备的工作状态进行分析、了解要测试的对象，最终确定测试实验方案以及

2、选择要采用的仪器。通过此过程了解静态、动态信号的采集及数据分析处理过程，熟悉从传感器到计算机之间各仪器的连接、测试软件的使用和机械信号测试方法。关键字： 动态力 悬臂梁 应变测试 软件辅助测量前言本次实验的实验目的是掌握在不同的动态力状态下，应变测量的方法。实验内容是悬臂梁在动态力作用下梁身应变的变化。此次实验采用电阻应变测量方法测量应变。研究强度问题可以有两种途径：理论分析和实验应力分析。实验应力分析是用实验方法来分析和确定受力构件的应力、应变状态的一门科学，通过实验应力分析可以检验和提高设计质量、工程结构的安全性和可靠性，并且可以达到减少材料消耗、降低生产成本和节约能源的要求。实验应力分析

3、的方法很多，有电测法、光测法、机械测量方法等。本实验主要是利用电测法。电测法有电阻、电容、电感测试等多种方法，其中以电阻应变测量方法应用较为普遍。电阻应变测量方法是用电阻应变片测定构件表面的应变，再根据应变应力关系确定构件表面应力状态。工程中常用此方法来测量模型或实物表面不同点的应力，它具有较高的灵敏度和精度。由于输出的是电信号，易于实现测量数字化和自动化，并可进行遥测。电阻应变测量可以在高温、高压、高速旋转、强磁场、液下等特殊条件下进行。此外还可以对动态应力进行测量。由于电阻应变片具有体积小、质量轻、价格便宜等优点，且电阻应变测试方法具有实时性、现场性，因此它已成为实验应力分析中应用最广的一

4、种方法。它的主要缺点就是：一个电阻应变片只能测量构件表面一个点在某一个方向的应变，不能进行全域性的测量。 电阻应变测量方法是用电阻应变片测定构件表面的应变再根据应变应力关系确定构件表面应力状态。工程中常用此方法来测量模型或实物表面不同点的应力它具有较高的灵敏度和精度。由于输出的是电信号易于实现测量数字化和自动化并可进行遥测。电阻应变测量可以在高温、高压、高速旋转、强磁场、液下等特殊条件下进行此外还可以对动态应力进行测量。由于电阻应变片具有体积小、质量轻、价格便宜等优点且电阻应变测试方法具有实时性、现场性因此它已成为实验应力分析中应用最广的一种方法。它的主要缺点就是一个电阻应变片只能测量构件表面

5、一个点在某一个方向的应变不能进行全域性的测量。应变片是一种能把被测试件的应变量转换成电阻变化量的敏感元件，它一般由基底、敏感栅、覆盖层和引线四部分组成。把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应变片。现在使用的称重传感器、力传感器，绝大部分都是电阻应变式传感器。随着传感器在科学技术领域、工农业生产以及日常生活中发挥着越来越重要的作用，对传感器技术的要求也越来越高。实验需要对悬臂梁的应变进行测量，所谓的悬臂梁，即一端固定，另一端可以动的弹性元件。应变是描述一点处变形程度的力学量，它是由载荷、温度、湿度等因素引起的物体局部的相对变形，主要有线应变和切应变两类。电阻应变片是一种将

6、机械构件上应变的变化转换为电阻变化的传感元件。悬臂梁在偏振电机的不同转速条件下偏置质量块产生动态力不同，在不同转速条件下悬臂梁发生的应变不同。测出梁身动态应变与动态力之间的关系，再根据机械工程测试技术基本实验中的应变片灵敏度测定实验所得到的应变片灵敏度准确得出在不同动态力下梁身发生的真实动态应变。而偏振电机转速变化是通过给定电压来实现。试验中悬臂梁上应变片是沿悬臂梁轴线两侧对称粘贴，可抵消偏置电机在旋转过程中对悬臂梁所产生的扭转力影响。我们需要了解和实验有关的原理知识和仪器设备的使用的知识，通过实验结果来分析动态力和应变的关系，进行测量数据、分析结果并最终得出结论。预期结果：开始时随着电压的增

7、加偏置电机转速随之增加，悬臂梁振幅增大，应变增加。当偏置电机与悬臂梁产生共振现象时悬臂梁振幅最大，偏置电机转速再增加时，振幅变小。正文结构在承受动载作用或强迫振动时，结构上各点的应变随时间改变而变化，这种应变成为动应变。例如：汽车在行驶中、机床在加工时，其上面的许多构件及部件都承受着动载荷的作用，它们所产生的应变是动应变。在电阻应变测量中，动态应变测量与静态应变测量不同。静态应变不随时间变化，可以直接读取或将数据打印出来。而动态应变随时间改变而发生变化，必须通过记录仪器进行实时记录或存储，然后进行信号处理。动态应变不但要测量其应变幅值，还要测量其随时间的变化规律，或者测量其变化频率。不失真地记

8、录动态应变是保证测量精度的基础。在电阻应变测量技术中，动态应变与静态应变的测量基本相同，只是测量系统有差异。由于被测应变的频率不同，各种动态应变记录仪器的频率适用范围都有限制，因此应根据动应变频率范围选择合适的仪器。除此之外还需考虑仪器之间的阻抗匹配以及数据处理方式。 本次实验装置是由加载装置、动态应变测试系统以及计算机三部分组成。在悬臂振动梁上安装一个带有偏心质量块的可调速小马达。如欲测量其某截面在振动过程中的应变，可根据需要在梁截面的上下表面沿轴线分别贴上应变计。当启动马达时，由于偏心质量块的旋转所产生的离心力作用，使简支梁发生振动，在梁的垂直方向上产生了一个按正弦规律变化的周期性动载荷。

9、逐渐提高马达的转速，当马达的转速接近梁的固有频率时，梁产生共振，此时梁及梁上测点将产生较大的振幅和动应变。将机械应变信号通过电桥盒输入动态应变测试系统，再通过计算机对信号进行分析和处理。3.1 等强度悬臂梁工作原理以弯曲为主要变形的杆件称为梁。一端固定，另一端自由的梁为悬臂梁。为了使悬臂梁各个截面的弯曲应力相同随着弯矩的大小相应地改变截面尺寸以保持相同强度，这样的悬臂梁称为等强度悬臂梁。 等强度悬臂梁实验仪由已粘贴好电阻应变片的等强度梁、支座、调节螺钉和加载砝码等组成。本实验用电测法测量等强度悬臂梁的应变。 图1 等强度悬臂梁基本构造示意图3.2 应变片的工作原理（1）电阻应变片的构造 电阻应

10、变片一般由敏感栅、引线、基底、覆盖层和粘结剂构成，其构造简图如图1。 敏感栅是用金属丝制成的应变转换元件，是构成电阻应变片的主要部分。为了使应变片有足够的电阻值，把一定长度的金属丝做成栅状。 引线作为测量敏感栅电阻值时与外部导线连接之用，一般采用直径0.150.3mm的镀银、镀锡或镀合金的软铜丝。制片时先将其与敏感栅焊接在一起。因为敏感栅直径比引出线细得多，焊接处容易折断，使用时必须特别小心。 基底的作用是保持敏感栅的几何形状和相对位置，而盖层是用来护敏感栅的。基底必须能保证金属丝和被测试件之间的绝缘，并且要求基底有一定的机械强度、热稳定性及易于粘贴。 粘贴剂是用来将敏感栅固结在覆盖层和基底之

11、间的，粘结剂粘结强度要高，绝缘性要好。 图2 电阻应变片基本构造示意图（2）电阻应变片的工作原理电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化。变化值和应变片粘贴的构件表面的应变成正比，最后通过测量仪器测电阻变化，进而得到构件表面的应变。现在对金属丝电阻与应变之间的关系作以下简单分析。由物理学可知，长度为L、横截面积为A和电阻率为的均匀金属丝，其电阻值R由下式给出： （1） 当金属丝受到轴向拉伸（或压缩）作用时，其电阻值R的变化，可由式（1）的微分得到，对式（1）进行微分，并除以总电阻R，得 （2） 式中

12、：为导线长度的相对变化，即应变；为金属丝中横向应变所造成的横截面面积的改变。由于横向应变等于-，如果把金属丝受轴向应变之前的直径记为,那么受应变以后的直径为： （3) 式中：为金属丝材料的泊松比。由式（3）可得 (4) 将上式代入式（2）得 (5) (6) 于是 （7）称为单根金属丝的应变灵敏系数。式（7）表明了金属丝的电阻变化率与其轴向应变之间的关系，如果为常数，则关系为线性的。应变片就是利用金属丝的这种电阻应变效应制成的。式（5）表明，导体的应变灵敏度是由两个因素引起的，一个是导体尺寸的改变，由（）项来表示；另一个是电阻率的改变，由项来表示。3.3 电测法基本原理 电测法基本原理，是将金属

13、丝等制成的电阻应变片贴在构件待测应变处，当构件受力变形时，金属丝亦随之伸缩，因而其电阻也随之改变。电阻改变量与金属丝的线应变之间存在一定的关系。通过电阻应变仪将电阻改变量测出，进而可得到构件所测部位的应变。电阻改变量与构件应变之间存在如下关系： （1） 式中，为电阻应变片电阻值的相对变化量，K为应变片的灵敏系数，对于本实验K为常数，为构件应变。测量等强度悬臂梁应力的电路，由于悬臂梁产生的应变一般都很小, 引起应变片的电阻变化也很小，要想把这种应变直接测量出来很困难。因此, 需要有专用的测量电路来测量这种由应变变化而引起的电阻变化。一般情况下，将悬臂梁上的应变片连接成电桥进行测量。可将一枚、二枚

14、或四枚应变片接入到桥臂中，分别称作单桥、半桥和全桥电路。接入应变片的桥臂称为工作臂，在输入端加电压E，则在输出端有输出电压U。本实验采用全桥电路，四个桥臂均接有应变片。电阻值分别为R1、R2、R3和R4。则有 当在砝码盘上加上砝码时，梁发生弯曲变形。电阻应变片也产生相同的应变，阻值发生变化。这时有 （2）若四个桥臂上应变片的灵敏系数均为K，则 则（2）式变为 (3)本实验中电路中的应变片均是相同的，因此则（3）式变为 (4)式中，为传感器的输出灵敏度，所以 (5)等强度悬臂梁所受的正应力与应变之间有如下的关系式： (6)又因为 (7)所以（7）式变为： (8)3.4 实验内容及步骤 1、根据下

15、图组装全桥电路 图3 全桥电路图 2、打开仪器、计算机，打开软件，实验通道选择默认即可。在设置完通道参数，正式开始采样前，一般需要对通道进行平衡。可以通过控制工具栏上的平衡按钮和清零按钮实现。然后进行通道子参数设置，点击通道子参数下的桥路类型。 3、开始测量。采用电机带动偏心质量块旋转来产生动态力，我们通过控制电机的转速来改变动态力的大小。改变直流电压，电机转动，测量转速，当转速稳定下来时，点击软件的暂停按钮，记录下最大值及最小值。增大直流电压，重复以上过程五次，将实验数据记录在表格中。 4、完成实验后，关闭电源，对实验器械进行整理。对数据进行分析、整理和归纳，做曲线图找规律。3.5 实验数据

16、记录及实验结果 序号转速对应应变（）平均应变值最大值最小值（）194713.319-13.0430.1382110620.083-20.442-0.1803137337.183-37.603-0.2104178570.243-70.551-0841-129.536-0.1533.6 注意事项1、 注意应变片的保护，要做好应变片的防潮、防湿工作，确保在应变片烘干后进行测量。2、 实验中应当注意仪器的保护，并在老师的正确指导下进行仪器的操作，特别是应变片的安装。3、 实验后应把仪器归类放好，并整理实验台。3.7 实验分析说明及结论1、当给出的转速（即动态力）不同，会产生不

17、同的应变，从图中可以看到应变随着转速的增大而增大。 2、根据所得应变值正负最大值可知，全桥法测量应变是近似对称的。 3、全桥法测量应变可以消除温度的影响，同时，可以消除偏心载荷的影响。实验心得 在我们小组三个人的辛勤付出下，从课题分析研究、进行实验、数据记录分析、整理归纳总结以及最后的项目报告的纂写，虽然中间有曲折、有疑惑，但最终我们都克服了这些困难，顺利完成了这次测试技术三级项目。通过本次测试技术三级项目，我们加深对了对测试技术基础知识的理解，并将所学的知识应用于具体的实验与实践中，锻炼了我们积极思考、主动学习的能力，提高了我们交流、沟通和表达能力以及团队合作能力，培养了我们的责任感和职业道

18、德。我们学到了很多课本上以及课本所延伸扩展出来的知识。在课本相关知识的研读中，在图书馆详实文献的阅览中，使我们学会了悬臂梁的结构构造，以及应变片的工作原理，掌握了悬臂梁应变如何布片。我们真切感受到自己对悬臂梁在动态力作用下梁身应变有了更高层次的认识，这些是仅仅从课堂上或者课本中所难以收获的。在实验中我们分工明确，团结协作，不断相互沟通，配合默契，每个人都时刻牢记自己的职责，快速高效的完成了实验，在很短的时间内就将实验数据记录完全。我们深知只有理论是远远不够的，必须要动手去操作，这样才能使理论与实践相结合，同时这样也可以加深对理论知识的理解。通过本次三级项目及其实验，我们认识到学习要与实践相结合，我们要在学习理论知识的同时，也要尽量实际操作，懂得实验原理，学会使用相关实验仪器。 通过这次三级项目，让我们认识到具备扎实的理论知识是非常重要的，拥有丰富的理论知识才能更好的去指导实验。由于知识往往不是独立的，因此需要对知识融会贯通。如在悬臂梁在动态力作用下梁身应变测试的过程中，涉及传感器，测试电路，误差理论分析，材料力学等学科。 通过这些天来的努力，我们深深感受到测试技术的魅力。老师课堂上教授的知识对我们帮助很大，