材料力学实验34

1、一、电测法的基本原理概述一、电测法的基本原理概述 电测法的基本原理电测法的基本原理 力力&应变综合参数测试仪系统原理示意图应变综合参数测试仪系统原理示意图 电测法的优点电测法的优点（1 1）灵敏度高，测量范围广。例如应变测量范围为）灵敏度高，测量范围广。例如应变测量范围为1-1041-104应变，力或重力的测量范围为应变，力或重力的测量范围为1010-2-2-10-105 5N N等。等。（2 2）能进行静、动态测量，频响范围为）能进行静、动态测量，频响范围为0 050KHZ50KHZ。（）轻便灵活，适用于现场及野外等恶劣环境下进（）轻便灵活，适用于现场及野外等恶劣环境下进行测试。电阻

2、应变片最小标距仅行测试。电阻应变片最小标距仅0.0.mmmm。（4 4）能在高、低温及高压液下等特殊条件下进行测量。）能在高、低温及高压液下等特殊条件下进行测量。（5 5）便于与微机联结进行数据采集与处理，可广泛应）便于与微机联结进行数据采集与处理，可广泛应用于生产管理的自动化及控制。用于生产管理的自动化及控制。电测法的应用领域电测法的应用领域直接应用于工业生产的现场实测与控制。直接应用于工业生产的现场实测与控制。生产新产品前的模型设计实验。生产新产品前的模型设计实验。高技术、现代科学领域中的应用。如机器人工业、高技术、现代科学领域中的应用。如机器人工业、原子能反应堆、航空、航天等诸方面的参数

3、测试。原子能反应堆、航空、航天等诸方面的参数测试。应用于运动力学测试。如运动步态测力平台、足底应用于运动力学测试。如运动步态测力平台、足底压力分布测试、重心运动轨迹测试等。压力分布测试、重心运动轨迹测试等。应用于生物医学及康复事业，如患者行走步态测试，应用于生物医学及康复事业，如患者行走步态测试，假肢参数测试等。假肢参数测试等。制造各种传感受器，如力、位移，压力传感器等。制造各种传感受器，如力、位移，压力传感器等。直径为直径为0.003mm0.01mm的合金丝绕成栅的合金丝绕成栅状而成状而成 1. 构造与种类构造与种类 二、电阻应变片的工作原理二、电阻应变片的工作原理0.003mm0.01mm

4、的箔材经光的箔材经光刻腐蚀工艺制刻腐蚀工艺制成敏感栅成敏感栅 2、电阻应变片的工作原理、电阻应变片的工作原理 lRARlARlAllKllmRR/ 2121RKR-电阻应变效应电阻应变效应 三、电测法测量电路及其工作原理三、电测法测量电路及其工作原理 1.1.电桥基本特性电桥基本特性惠惠斯斯登登测测量量电电路路ERRRRIU21111ABERRRU434ADE)RR)(RR(RRRRERRRERRRUUUBD43214231434211ADAB)RRRR)(RRRR()RR)(RR()RR)(RR(EUBD4433221144223311 4433121122121RRRRRRRR)RR(RR

5、EUBD RRRRRRRRE43214 4321RRRR（当 时）43214KEUBD4321d4KEUBDRKR电桥基本特性电桥基本特性：两相邻桥臂电阻所感受的应变：两相邻桥臂电阻所感受的应变代数代数值相减；而两相对桥臂电阻所感受的应变值相减；而两相对桥臂电阻所感受的应变代数值相代数值相加。这种作用也称为电桥的加。这种作用也称为电桥的加减性加减性。利用电桥的这一。利用电桥的这一特性，正确地布片和组桥，可以提高测量的灵敏度、特性，正确地布片和组桥，可以提高测量的灵敏度、减少误差、测取某一应变分量和补偿温度影响。减少误差、测取某一应变分量和补偿温度影响。4321d4KEUBD3.3.应变片在电桥

6、中的接线方法应变片在电桥中的接线方法（1 1）半桥接线方法）半桥接线方法1211ttd212211ttd21d（2 2）全桥接线方法）全桥接线方法31d31433211ttttd4321d（3 3）桥臂系数）桥臂系数测量出的应变仪的读数测量出的应变仪的读数d 与待测应变与待测应变之比之比 /dB FF1单向应力状态单向应力状态四、几种常见应力状态下的布片方式及应力计算四、几种常见应力状态下的布片方式及应力计算轴向拉压、纯弯曲、横力弯曲上下缘轴向拉压、纯弯曲、横力弯曲上下缘FFR1R211 E R1R2温度自补偿，测量温度自补偿，测量电压得到有效放大：电压得到有效放大：12()4BDTTEUK1

7、)1(4 KE2已知主应力方向的二向应力状态已知主应力方向的二向应力状态扭转、横力弯曲的中性轴、均匀内压的薄壁圆筒扭转、横力弯曲的中性轴、均匀内压的薄壁圆筒R1R245o45o 13111 E沿已知主应力方向沿已知主应力方向贴片，采用温度自贴片，采用温度自补偿的半桥接法补偿的半桥接法12()4BDTTEUK12 KE 3不知主应力方向的二向应力状态不知主应力方向的二向应力状态45o3应变花：应变花：29045245090031)()()1(2)()1(2 EE)()()()(2tan450904545090450 90o0o45o120o0o60o60o3应变花：应变花：20120212060

8、260012060031)()()()1(32)()1(3 EE)()()()(32tan600120060012000 应变计的粘贴工艺和防护措施 应变计粘结剂1氰基丙烯酸脂粘结剂 牌号为501、502、504和661等的粘结剂均属此类型。这是一种化学反应型粘结剂。2环氧树脂粘结剂 这种粘结剂是以环氧树脂为粘料，加入适量的固化剂、增塑剂而成。环氧树脂是含有环氧基的线型高分子化合物，加入固化剂后形成体型结构，具有很强的粘结力。这种粘结剂具有绝缘电阻高、防水、耐油、耐化学药品以及固化不收缩，不会造成应变计残余应力等优点。虽然性脆，但加入适量的增塑剂可提高韧性。3酚醛树脂粘结剂 酚醛树脂应变胶，一

9、般由酚醛树脂加入聚乙烯醇缩醛等成份组成。市售的1720胶， JSF2胶和JSF4胶等属此类。这是一种热固型粘结剂，具有强度高、耐温、 耐油、 耐水、耐老化和绝缘性能好等优点。由于需加热固化，现场测试难于应用。应变计的粘贴工艺应变计的粘贴工艺 应变计的粘贴工艺包括： 1、构件测点部位的表面处理； 2、应变计的粘贴、固化； 3、导线的焊接； 4、应变计和引线的防护； 5、贴片质量检查。 这是电测技术中的一个关键环节，其中任何一道工序的质量未能保证，都将直接影响测试结果。应变计准备 贴片前，将待用的应变计进行外观检查和阻值测量。外观检查可凭肉眼或借助放大镜进 行，目的在于观察敏感栅有无锈斑，缺陷，是

10、否排列整齐，基底和覆盖层有无损坏，引线是否完好。阻值测量可用4位惠斯登电桥或数字欧姆表，目的在于检查敏感栅是否有断路、短路，并进行阻值分选，对于共用温度补偿的一组应变计，阻值相差不得超过0.5。同一次测量的应变计，灵敏系数必须相同。构件表面处理 对于钢铁等金属构件，首先是清除表面油漆、氧 化层和污垢；然后磨平或锉平，并用细砂布磨光。通 常称此工艺为“打磨”。打磨光洁度应达5左右。对非 常光滑的构件，则需用细砂布沿45方向交叉磨出一些 纹路，以增强粘结力。打磨面积约为应变计面积的5倍 左右。打磨完毕后，用划针轻轻划出贴片的准确方位。 表面处理的最后一道工序是清洗。即用洁净棉纱 或脱脂棉球蘸丙酮或

11、其它挥发性溶剂对贴片部位进行 反复擦洗，直至棉球上见不到污垢为止。 1、除油、除绣和除污； 2、磨平 、抛光； 3、清洗干净 构件表面处理总结 502胶贴片工艺 贴片工艺随所用粘结剂不同而异，用502胶贴片的过程是，待清洗剂挥发后，先在贴片位置滴一点502胶，用应变计背面将胶水涂匀，然后用镊子拨动应变计，调整位置和角度。定位后，在应变计上垫一层聚乙烯或四氟乙烯薄膜，用手指轻轻挤压出多余的胶水和气泡。待胶水初步固化后即可松开。 粘贴好的应变计应保证位置准确，粘结牢固、胶层均匀、无气泡和整洁干净。一、贴片条件： 加压同化，用高温橡胶保护应变片，用一般的 夹子加压。二、固化方法：两次加热固化； 1、

12、第一次加热到135 恒温时间：2小时 2、自然冷却到室温； 3、第二次加热到165 恒温时间：2小时 4、处理应变片周围清洁，涂上一层薄薄的704保 护胶水； 5、加工结束601胶贴片工艺 601胶贴片示意图试样应变片加压板高温橡皮应变片导线的焊接与固定 粘结剂初步固化后，即可进行焊线。常温静态测量可使用双芯多股铜质塑料线作导线，动态测量应使用三芯或四芯屏蔽电缆作导线。 应变计和导线间的连接最好通过接线端子，焊点应确保无虚焊。导线最好与试件绑扎固定，导线两端应根据测点的编号作好标记。 贴片质量检查 贴片质量检查包括外观检查、电阻和绝缘电阻测量。外观检查主要观察贴片方位是否正确，应变计有无损伤，

13、粘贴是否牢固和有无气泡等。测量电阻值可以检查有无断路、短路。绝缘电阻是最重要的受检指标。绝缘好坏取决于应变计的基底，粘贴不良或固化不充分的应变计往往绝缘电阻低。应变计及导线的防护 应变计受潮会降低绝缘电阻和粘结强度，严重时会使敏感栅锈蚀；酸，碱及油类浸入甚至会改变基底和粘结剂的物理性能。 为了防止大气中游离水分和雨水、露水的浸入，在特殊环境下防止酸、碱、油等杂质侵入，对已充分干燥、固化，并已焊好导线的应变计，应立即涂上防护层。 常用室温防护剂有： 1凡士林；2蜂蜡；3石蜡，炮油和松香混合物；4环氧树脂 应变片灵敏系数应变片灵敏系数 K K值的测定值的测定应变片灵敏系数应变片灵敏系数K K值的测

14、定装置值的测定装置补偿片工作片等强度悬臂梁加力点砝码等强度梁 我们知道： 则有： 在这里: 式中：f 为等强度梁加力点处的挠度 (此挠度从百分表上读出) H 为等强度梁的厚度 L 为等强度梁的标距测测仪仪KK测仪仪测KK2Lhf 测等强度梁装置测测 的优缺点优点： 避免等强度梁弹性模量E值带来的误差缺点： 受固定端不够牢和百分表头与等强度量接触的不稳定性的影响， 挠度值f不易测准。黄陂蟠龙大桥T形梁检测现场热电厂玻璃钢托架挠度检测粮仓屋顶检测粮仓屋顶检测洛阳热电厂烟囱检测现场材料（钢筋混凝土）高211米洛阳热电厂烟囱检测现场洛阳热电厂烟囱检测现场洛阳热电厂烟囱检测现场洛阳热电厂烟囱检测现场洛阳

15、热电厂烟囱检测洛阳热电厂烟囱检测武重C5250/2-13020横梁检测 武重C5250/2-13020横梁检测现场应变片粘贴位置及弯矩图200200140P22Phb千分表R1R5M=P/2 a=2000Nmm温度补偿片工作片中性轴540粘贴应变片 应变片粘贴位置实验三实验三 纯弯曲梁的正应力实验纯弯曲梁的正应力实验 一、目的与要求一、目的与要求 1 1、用电测法测量受纯弯曲梁的正应力的分布，验证、用电测法测量受纯弯曲梁的正应力的分布，验证 弯曲应力的理论计算公式的正确性。弯曲应力的理论计算公式的正确性。2 2、学习电阻应变仪使用操作方法、学习电阻应变仪使用操作方法 3 3、测量纯弯曲梁的最大

16、挠度及验证梁挠度计算公式。、测量纯弯曲梁的最大挠度及验证梁挠度计算公式。多功能电测试验装置二、实验设备和工具二、实验设备和工具1.XL34161.XL3416型纯弯曲梁实验装置型纯弯曲梁实验装置2.XL2118C2.XL2118C型力应变综合参型力应变综合参 数测试仪数测试仪3.3.游标卡尺游标卡尺纯弯曲梁实验装置纯弯曲梁实验装置XL2118CXL2118C型力应变综合参数测试仪型力应变综合参数测试仪实验现场实验现场三、实验原理三、实验原理1. 1. 验证纯弯曲梁的正应力计算公式验证纯弯曲梁的正应力计算公式由梁的内力分析知，由梁的内力分析知，BCBC段段的剪力为零，弯矩为一常的剪力为零，弯矩为

17、一常量，量，因此梁的因此梁的BCBC段为纯弯段为纯弯曲段。曲段。在纯弯曲条件下，根据平在纯弯曲条件下，根据平面假设和纵向纤维间无正面假设和纵向纤维间无正应力的假设，可得梁横截应力的假设，可得梁横截面上任一点的正应力计算面上任一点的正应力计算公式为公式为 ZIMy 为了测量梁在纯弯曲时横截面上正应力的分布规律，为了测量梁在纯弯曲时横截面上正应力的分布规律，在梁的纯弯曲段沿梁侧面不同高度，平行于轴线贴有在梁的纯弯曲段沿梁侧面不同高度，平行于轴线贴有应变片，如图所示。应变片，如图所示。 实验采用半桥单臂、公共补偿、多点测量方法。加载实验采用半桥单臂、公共补偿、多点测量方法。加载采用增量法，即每增加等

18、量的载荷采用增量法，即每增加等量的载荷F F，测出各点的应，测出各点的应变增量变增量 ，分别取各点应变增量的平均值，分别取各点应变增量的平均值 ， i实实 依次求出各点的应变增量依次求出各点的应变增量 ，将实测应力将实测应力值与理论应力值值与理论应力值 进行比较，以进行比较，以验证弯曲正应力公式。验证弯曲正应力公式。 i实实 iE实实实实 iziziiIFay/IMy 21纯弯矩截面正应力分布中性轴上表面下表面四、实验步骤四、实验步骤1.1.设计好本实验所需的各类数据表格。设计好本实验所需的各类数据表格。2.2.测量矩形截面梁的宽度测量矩形截面梁的宽度b b和高度和高度h h、载荷作用点到梁、

19、载荷作用点到梁支点距离支点距离a a及各应变片到中性层的距离及各应变片到中性层的距离 。 iy3.3.将实验装置上传感器的五芯航空插头连接到力应将实验装置上传感器的五芯航空插头连接到力应变综合参数测试仪背面的五芯航空插座上，插上电源，变综合参数测试仪背面的五芯航空插座上，插上电源，将开关置开，预热将开关置开，预热2020分钟，并检查该装置是否处于正常分钟，并检查该装置是否处于正常实验状态。实验状态。4.4.输入传感器量程及灵敏度和应变片灵敏系数（一般输入传感器量程及灵敏度和应变片灵敏系数（一般首次使用时已调好，如实验项目及传感器没有改变，可首次使用时已调好，如实验项目及传感器没有改变，可不必重

20、新设置）。不必重新设置）。5.5.拟订加载方案。先选取适当的初载荷拟订加载方案。先选取适当的初载荷P P0 0（一般取（一般取P P0 0 =10=10P Pmaxmax左右），估算左右），估算P Pmaxmax，分，分4 46 6级加载。级加载。6.6.分清各测点应变片引线，按实验要求接好线，调整分清各测点应变片引线，按实验要求接好线，调整好仪器和实验加载装置，检查整个测试系统是否处于正好仪器和实验加载装置，检查整个测试系统是否处于正常工作状态。常工作状态。7.7.根据加载方案加载。首先在不加载的情况下将测力根据加载方案加载。首先在不加载的情况下将测力量和应变量调至零；然后均匀缓慢加载至初载

21、荷量和应变量调至零；然后均匀缓慢加载至初载荷P P0 0，记，记下各点应变的初始读数；再分级等增量加载，每增加一下各点应变的初始读数；再分级等增量加载，每增加一级载荷，依次记录各点电阻应变片的应变值，直到最终级载荷，依次记录各点电阻应变片的应变值，直到最终载荷。载荷。实验至少重复两次。实验至少重复两次。8.8.做完实验后，卸掉载荷，拆除接线，关闭电源，整做完实验后，卸掉载荷，拆除接线，关闭电源，整理好所用仪器设备，清理实验现场，实验资料交指导教理好所用仪器设备，清理实验现场，实验资料交指导教师检查签字。师检查签字。 五、实验结果处理五、实验结果处理六、实验报告六、实验报告实验与理论的应力分布曲

22、线实验与理论的应力分布曲线 数据表的填写格式序号荷载P（N）测点1测点2累计增量累计增量累计增量00200120-1312012-13-12201324025-252012-1336037-382014-1448051-5220-1314510065-65平均值13 1320P 误差原因分析误差原因分析 应变片的选择、焊接、应变片的选择、焊接、粘贴；粘贴； 理论公式；理论公式； 力传感器的误差；力传感器的误差； 应变仪的精度；应变仪的精度； 装置和矩形截面梁的相关参数、几何装置和矩形截面梁的相关参数、几何尺寸误差；尺寸误差； 操作技术熟练程度操作技术熟练程度七、思考题七、思考题 1.1.若在梁

23、的同一高度处沿轴线方向两面都贴有应变片，若在梁的同一高度处沿轴线方向两面都贴有应变片，请考虑是否有其他接线方法，并在实验时应用。请考虑是否有其他接线方法，并在实验时应用。2.2.影响实验结果准确性的主要因素是什么？影响实验结果准确性的主要因素是什么？3.3.弯曲正应力的大小是否受弹性模量弯曲正应力的大小是否受弹性模量E E的影响？的影响？4.4.梁弯曲的正应力公式并未涉及材料的弹性模量梁弯曲的正应力公式并未涉及材料的弹性模量E E，而实测应力值的计算却用上了弹性模量而实测应力值的计算却用上了弹性模量E E，为什么？，为什么？5.5.实验时没有考虑梁的自重，会引起误差吗？为什么？实验时没有考虑梁

24、的自重，会引起误差吗？为什么？实验四实验四 弯扭组合应力测定实验弯扭组合应力测定实验一、目的与要求一、目的与要求1.1.用电测法测定平面应力状态下一点的主应力的大小和用电测法测定平面应力状态下一点的主应力的大小和方向，并与理论计算值进行比较。方向，并与理论计算值进行比较。2.2.测定薄壁圆筒在弯扭组合变形作用下的弯矩和扭矩。测定薄壁圆筒在弯扭组合变形作用下的弯矩和扭矩。3.3.掌握电阻应变花的使用。掌握电阻应变花的使用。二、实验设备和工具二、实验设备和工具1.XL34151.XL3415型弯扭组合实验装置型弯扭组合实验装置2.XL2118C2.XL2118C型力应变综合参数测试仪型力应变综合参

25、数测试仪3.3.游标卡尺游标卡尺实验现场实验现场三、实验原理和方法三、实验原理和方法 当在扇臂端加一当在扇臂端加一集中外力时，薄集中外力时，薄壁圆筒将产生弯壁圆筒将产生弯扭组合变形，实扭组合变形，实验装置及其计算验装置及其计算简图和内力图如简图和内力图如图。图。 贴片截面贴片截面B BD D为被测位置，截面上的各种应力分布如图。为被测位置，截面上的各种应力分布如图。 贴片截面贴片截面B BD D各点的应力状态分析如图所示。由应力各点的应力状态分析如图所示。由应力状态分析可知构件表面上的、点为平面应力状态，状态分析可知构件表面上的、点为平面应力状态，B B点的应力有点的应力有 和和 ，在测量时可

26、分别测量；、，在测量时可分别测量；、点为纯剪切应力状态。点为纯剪切应力状态。 弯扭1.1.测定主应力大小和方向测定主应力大小和方向2.2.测定弯矩测定弯矩3.3.测定扭矩测定扭矩（2 2）其他方法：利用）其他方法：利用A A、C C两点处的应变花两点处的应变花四、实验步骤四、实验步骤1.1.设计好本实验所需的各类数据表格。设计好本实验所需的各类数据表格。2.2.测量力臂的长度测量力臂的长度a a和测点距力臂的距离和测点距力臂的距离L L，确定试，确定试件有关参数。件有关参数。3.3.将实验装置上力传感器的五芯航空插头连接到力将实验装置上力传感器的五芯航空插头连接到力应变综合参数测试仪背面的五芯

27、航空插座上，插上应变综合参数测试仪背面的五芯航空插座上，插上电源，将开关置开，预热电源，将开关置开，预热2020分钟，并检查该装置是否分钟，并检查该装置是否处于正常实验状态。处于正常实验状态。4.4.输入传感器量程及灵敏度和应变片灵敏系数（一输入传感器量程及灵敏度和应变片灵敏系数（一般首次使用时已调好，如实验项目及传感器没有改变，般首次使用时已调好，如实验项目及传感器没有改变，可不必重新设置）。可不必重新设置）。5.5.拟订加载方案，根据设计要求，初载拟订加载方案，根据设计要求，初载P P0 0100N100N，终载终载P Pmaxmax500N500N，分，分4 46 6级等增量加载。级等增

28、量加载。6.6.分清各测点应变片引线，将薄壁圆筒上的应变片分清各测点应变片引线，将薄壁圆筒上的应变片按不同测试要求接到综合参数测试仪上，并调整好仪按不同测试要求接到综合参数测试仪上，并调整好仪器，检查整个测试系统是否处于正常工作状态。完成器，检查整个测试系统是否处于正常工作状态。完成以下列参数的测定：以下列参数的测定：（1 1）主应力大小、方向测定：将）主应力大小、方向测定：将B B、D D两点的两点的 00045045,方向的应变片按半桥单臂、公共温度补偿法组成测量方向的应变片按半桥单臂、公共温度补偿法组成测量线路进行测量。线路进行测量。 （2 2）测定弯矩：将）测定弯矩：将B B和和D D两点的两只两点的两只 方向的应变片方向的应变片按半桥双臂组成测量线路进行测量（按半桥双臂组成测量线路进行测量（ ， 为为仪器读数）。仪器读数）。 002/dMd（3 3）测定扭矩：将）测定扭矩：将B B点的点的-45-450 0，45450 0和和D D点点45450 0，-45-450 0方方向的四只应变片按全桥方式组成测量线路进行测量向的四只应变片按全桥方式组成测量线路进行测量（ ， 为仪器读数）。为