大学电测弯曲正应力实验报告

广州大学电测弯曲正应力实验报告用实验分析方法确定物体（例如工程构件）在受力情况下的应力状态的学科。在固体力学的各分支（如弹性力学、塑性力学、断裂力学、复合材料力学等）中，都常用实验应力分析方法研究应力分布基本规律，为发展新理论提供依据。在工程领域内，它又是提高设计质量和进行失效分析的一种重要手段。有效地应用实验应力分析方法，不仅能提高工程结构的安全度和可靠性，还能减少材料消耗、降低生产成本和节约能源。早在17世纪，人们将力学原理应用于工程问题时，就曾用简单的实验手段测定材料的力学性能，并阐明工程结构的某些力学特征。19世纪后期，虽然出现了较为灵敏的机械式应变测量装置，但在工程实用上，仍受到很大限制。20世纪30年代，粘贴式电阻应变计的出现，光弹性实验技术的进一步完善，以及其他实验技术的发展，使实验应力分析蓬勃发展起来，并得到广泛应用。实验应力分析方法目前已有电学的、光学的、声学的以及其他方法。一、应变花一种具有两个或两个以上不同轴向敏感栅的电阻应变计，用于确定平面应力场中主应变的大小和方向。敏感栅由金属丝或金属箔制成，称为丝式应变花或箔式应变花。二轴90°应变花用于主应力方向已知的场合，三轴和四轴应变花则用于主应力方向未知的场合。主应变的大小和方向可以用三轴和四轴应变花的各敏感栅测得的应变，按公式算出，也可以从应变莫尔圆求出。主应力的大小，可以用各敏感栅测得的应变，及被测构件材料的弹性模量和泊松比按公式算出。

三轴△-T应变花，是三角形和T形相结合的应变花。二、电阻应变测量装置用电阻应变计测量工程构件表面应变的装置，一般包括调制应变信号的电桥，放大微弱的调制电信号、鉴别正负极性和滤波的电阻应变仪，以及平衡指示器（静态）或记录器（动态）三部分。按照不同测量要求和不同应变测量频率，电阻应变仪一般分为静态、静动态、动态、超动态和具有其他特殊功能等五种类型。静态和动态电阻应变仪由测量(电)桥、载频振荡器、放大器、相敏检波器、低通滤波器和稳压电源等单元所组成。载频振荡器供给电桥一种比应变最高频率高5～10倍（约50～20000赫）的载波信号，将应变信号调制成调幅波，经过交流放大器高增益放大，再由相敏检波器分辨应变信号的正负极性，送至平衡指示器显示静态读数，或经过低通滤波器滤掉应变信号的残余载波成分，然后由记录器将动态应变波形记录下来。静态和静动态电阻应变仪又有人工手动平衡读数和多点自动切换、数字显示两类。工程上常见的数千赫以下动态应变，可用普通的多通道动态电阻应变仪进行测量。爆炸、冲击波等数十至数十万赫的瞬态应变，则必须采用超动态电阻应变仪进行测量。60年代以来，随着电子技术的发展，出现了直流式动态应变仪和电阻、电容都能自动平衡或自动抵偿的动态应变仪，以及各种形式的具备特殊功能的数字式静态应变仪。它们具有存储信息、实时修正测量数据、分析运算以及数字显示、自动打印等功能，还能与微处理机或电子计算机联用，进行工程机械的实时在线测量与控制。进行动态应变测量或采用传感器进行动态参量测量，必须选用合适的记录器，以记录动态波形图。在应变测量中常用的记录器有：①描笔式记录仪，包括笔式自动记录仪和自动平衡式记录仪(有自动平衡记录仪和X-Y)函数记录仪两种)；②光线示波器；③磁带记录器；④阴极射线电子示波器。现代大型结构的强度实验往往要求有数百至数千个测点。因此，大量测量数据的采集和处理的工作十分繁重。用人工分析处理，精度和效率都较低。专用分析仪器进行某些特定参量的分析，但是功能少，通用性差。以微处理机或电子计算机为核心的实时在线的测量与控制的联机系统，是应变测试技术的发展方向。三、应变遥测技术将安装在移动机件或旋转机件上的电阻应变计或传感器发出的微弱电信号（电压的或电流的）由发射机发射，通过电磁波传输到接收站，由接收机加以放大、处理和记录，从而得出机件在受力状态下的应变、扭矩等参量的一种测量方法。应变遥测技术已广泛用于现代化的数据处理系统、工业生产流程和电站设备的控制以及生物工程等方面。其主要优点是信噪比高，耐冲击，耐振动，使用方便，可在接收站及时处理大量实验数据，并可用于各种恶劣环境，特别是在难以采用集流器和测试人员不易接近的部位，如往复运动的机件（内燃机曲轴、连杆、大型传动链条等），处在密封壳内的高速旋转机件（涡轮压缩机的叶片、叶轮等），以及核辐射环境下的测试和爆破试验等。对于行驶中的车辆（如火车机车、汽车、拖拉机、农业机械、工程机械等），需要测量其动态特性和功率、扭矩等，以及许多移动机械（如桥吊、塔吊等）的测试和操作控制，都可采用遥测系统。一般的遥测系统，由传感器、发射机、传播媒介(通常是无线电波或导线)、接收和处理信号的设备、记录和显示装置组成。在调频－调频(FM-FM)遥测系统中，传感器将被测物理量（如应变、压力等）转换成电信号，用来调制副载波振荡器，再由输出的调频信号对射频振荡器进行调制，这样经过两次调制的信号，再由天线以电磁波方式发射出去。接收机经天线收到信号后，也须经过两次解调，才能恢复成原模拟量，然后接入记录器和显示装置。对于一些旋转机件的物理量测量，通常是在发射天线和接收天线之间采取电容耦合的近程传输方式。通常一个遥测系统需要处理多路信息。将多路信息混合成一个组合信号，并通过一条线路传输出去的方式，称为多路传输。它主要有频率分割多路传输（简称频分制）和时间分割多路传输（简称时分制）两种方式。在频分制中，通道是按照不同的中心频率划分的，即每个通道有一个中心频率，并占据在这个频率附近的一定的频率带宽，信息以模拟量调制形式进行连续传送。在时分制中，通道是按时间顺序划分的，即由转换开关对所要测量的多路模拟量按时间顺序轮流取样，再将取样电平转换成脉冲量进行传送。取样电平对脉冲信号的调制，有以下几种方式：①脉幅调制，脉冲幅度与模拟信号成比例变化。②脉宽调制，脉冲的幅值不变，而脉冲的宽度和模拟信号成比例变化。③脉位调制，脉冲的幅度、宽度不变，有信号时的脉冲位置与无信号时的基准位置之间的间隔和模拟信号成比例地错开。④脉码调制(PCM)，系将模拟信号转换成二进制数字编码的脉冲信号。从遥测系统获得的数据可以进行实时在线处理，也可以用各种形式的记录器记录下来，转换成相应的编码，便于和计算机联用，进行数据处理。四、电容应变计一种能将构件的尺寸变化转换成电容变化的变换器。常用的电容应变计有：弓形电容应变计、平板式电容应变计、杆式电容应变计三种。它的主要元件电容极片，可制成平板形或圆柱形。以简单的平板电容器为例。当不考虑边缘电场的影响时，有：式中C为电容；χ为电容极片间介质的介电常数；A为极片的面积；s为极片间的距离。将电容应变计安装在构件表面上，电容应变计的电容相对变化ΔC/C与引起此变化的构件表面在应变计轴线方向的尺寸相对变化ΔC/C（即应变量ε）之比，称为电容应变计的灵敏系数(K)：它表示电容应变计输出信号和输入信号之间数量上的关系。电容应变计的优点是灵敏系数大(从十至一百)，频率响应高，能在恶劣环境(如高温、低温、核辐射环境)工作，重复性好，稳定性高。但是，它的输出的阻抗高和信号小，故测量线路比较复杂；易受电缆的寄生电容所影响，故应有良好的屏蔽和较高的绝缘电阻。电容应变计还可以采取多路同时测量的方式，已研制出一百路同时工作的电容应变计测量系统。电容应变计多用于发电厂的管道、设备或核能设备的长期高温应变测量，监视裂纹的形成和发展，以及对航空构件材料进行高温性能测试。弓形电容应变计在两条曲率不同的镍基合金弓形条之间，安装一对电容极片，用点焊法将弓形条的两端固定在试件上。它的工作温度范围为-269～+650℃，以空气为介质，介电常数不随温度变化，故工作稳定，零点漂移极小。平板式电容应变计在一个镍铬合金的菱形框架上开出墪形槽，中部的槽中装入四片不锈钢电容极片，各极片之间以及极片与框架之间用云母片隔开。框架的两对角处装有安装耳片。可用点焊或用高温粘结剂将安装耳片固定于试件表面，或在安装耳片上冲出小孔，用火焰喷涂陶瓷材料进行固定。当试件产生应力时，通过菱形框架使电容极片间的距离变动，电容就相应变动。当应变计受热时，云母的介电常数变动，也会使电容发生变化，但可利用菱形框架和试件的膨胀系数的差异，使此效应互相抵消。这种应变计的工作温度可达954℃。杆式电容应变计在一个安装板的圆杆上装一对圆筒形的内电容极片，用陶瓷体使它和圆杆绝缘；在另一安装板上装一个环形外电容极片，套在内电容极片上，内外电容极片应保持同心，以空气绝缘。圆杆和试件的材料必须相同，以达到温度补偿的效果。此内外电容极片构成差动电容器，试件上的应变使得内外电容极片交叠的面积变动而引起电容变化。电容的相对变化和应变有线性关系。这种应变计还可以反映应变的方向（压缩或拉伸）。它的最高工作温度可达816℃。五、电阻应变计式传感器以电阻应变计为敏感元件，将被测物理量(如力、位移等)转换为电信号的器件。传感器的弹性元件受被测物理量作用而发生变形时，粘贴在它上面的电阻应变计将弹性元件发生的变形转换成为电阻的变化，通过测量仪器，将此变化转变成和被测物理量成比例的模拟电信号而输出。电阻应变计式传感器的测量精度可优于0.1％，能在各种环境下长期稳定地工作。因为它输出的信号为电信号，所以便于实现物理量测量的数字化和自动化。为达到此目的，对弹性元件的设计，应保证粘贴电阻应变计的部位有足够明显的应变；弹性元件须采用疲劳强度高、韧性好的优质材料，如35CrMnSiA、铍青铜、不锈钢等。对所用电阻应变计还须进行老化处理，并选择蠕变小、性能稳定的粘结剂将它粘牢。它的测量线路要有零点补偿、温度补偿、灵敏度补偿和非线性补偿等措施，以保证测量的准确性。常用的电阻应变计式传感器，按照不同的被测物理量，可分为测定力、压力、扭矩、载荷、位移、速度、加速度、流量等传感器。下面为几种常用的电阻应变计式传感器。六、集流器安装在旋转构件上的电阻应变计和测量仪器之间，用来传递旋转构件的应变信号的器件，又称引电器。它分为接触式集流器和非接触式集流器两类。接触式集流器是用接触电阻较低的材料制成和构件一起旋转的动环和固定不动的定环，利用它们之间的滑动接触来传递信号。常用的接触式集流器有：拉线式集流器、水银集流器和炭刷集流器三种。非接触式集流器是用线圈通过电磁感应传递信号，又称为感应式集流器。构件的应变转换成为电阻应变计上的电阻变化是很小的，所以要求集流器的接触电阻非