工力2--弯曲正应力实验参考资料

74弯曲正应力实验参考资料§2-8电阻应变计一、电阻应变计的构造与类型电阻应变计的种类很多，一般主要由基底、电阻丝、引出线、覆盖层用胶水粘贴而成。基底和覆盖层主要起隔离、保护电阻丝的作用，引出线则起连接电阻丝与测量导线之作用。常温应变片主要有丝绕式、箔式、半导体式等应变片。下面介绍几种常见的电阻应变计。图2-8-11、金属丝绕式电阻应变计（图2-8-1）这种应变片一般采用直径0.02～0.05mm的康铜丝或镍铬丝绕成栅状，基底、覆盖层采用绝缘薄纸或胶膜，两端用直径为0.1～0.2mm的镀铜线引出。这种应变片的丝栅很难做得很小，横向效应较大，测量精度较差。2、金属箔式电阻应变计（图2-8-1）这种应变片的敏感栅是用厚度为0.003～0.01mm的康铜或镍铬金属箔片，涂上底胶，利用光刻技术腐蚀成栅状，两端焊上引出线后，涂胶、盖上覆盖层。箔式应变片尺寸准确，敏感栅可以制成各种形状，散热面积大，疲劳寿命长，横向效应小，测量精度高。这种应变片适宜于长期测量，并可作为传感器的敏感元件，工程上应用广泛。3、半导体电阻应变计（图2-8-1）这种应变片的敏感栅是由锗或硅等半导体材料制成，灵敏系数高，用数字欧姆表就能测出它的电阻变化，可作为高灵敏度传感器的敏感元件。二、电阻应变计的工作原理金属丝受到拉伸（或压缩）时，电阻值会发生变化。金属丝的电阻R与其长度L成正比，与其横截面积S成反比，并与材料的电阻率有关，它们的关系式为75ALR为了求得电阻的变化，上式取对数后再微分，得AdALdLdRdR（1）式中LdL——金属丝长度的相对变化。显然：LdL（2）金属丝处于单向受力状态，它的截面面积的相对变化和（2）式间的关系可根据泊松效应表示为2)(2LdLAdA（3）将(2)、(3)式代入(1)式。得)21/(2ddRdR（4）令)21/(dK（5）将（5）代入（4），则KRdR若用电阻增量表示则有KRR（6）或KRR/式中，K称为电阻应变计的灵敏系数，K值的大小与敏感栅的材料及形状等因素有关，一般由生产厂家抽样标定并在产品包装上标明。76§2-9静态电阻应变仪电阻应变仪首先是通过电桥把电阻应变计的电阻变化量转变成电压信号，经过放大，再把放大的电信号转变成应变显示出来的一种专门用于测试应变的仪器。电阻应变仪按照测试频率可分为：静态电阻应变仪、静动态电阻应变仪、动态电阻应变仪等。本节我们介绍YD-88静态电阻应变仪。一、测量电桥原理在使用电阻应变计进行应变测量时，必须有一个恰当的办法来检测其阻值的微小变化。通常的办法是把电阻应变计接入某种电桥，而这种电桥能把电阻应变计阻值的微小变化转换成输出电压的变化，之后再对这个电信号进行相应的处理就可以得到我们所需的应变了。目前应变仪大都采用惠斯顿电桥电路来测量应变片的阻值变化。图2-9-1如图2-9-1所示，若桥臂DACDBCAB、、、均由因实验所需粘贴的电阻应变计4321RRRR、、、联接而成，称之为全桥联接；若只有BCAB、桥臂联接的是构件上的工作片、补偿片21RR、，而DACD、桥臂联接的为仪器内部精密无感电阻Rn，则称为半桥联接。由电工学原理我们知道：DABAUUU=4211RIRI77VRRRRRRRR))((43214231（1）如需0U，则4231RRRR（2）式（2）为惠斯顿电桥的平衡条件。在电桥平衡后，假定构件受力，四个桥臂上的电阻应变计均不同程度产生微小的电阻增量∆R1、∆R2、∆R3、∆R4，忽略高阶无穷小量之后，（1）式可得：][444332211RRRRRRRRVU（3）将KRR/代入（3）：)(44321KVU（4）上式表明：相邻的桥臂应变值互相抵消，相对的桥臂应变值相加，其输出电压与各桥臂上应变片的应变代数和成正比关系。这一特性称为电桥的加减特性。二、温度补偿技术在电阻应变测量中，温度变化而引起电阻的变化概括起来包括两方面：（1）当温度发生变化时，由于敏感栅的线膨胀系数与构件不同，电阻丝因受到附加的拉伸（或压缩）而造成电阻值的变化；（2）敏感栅材料受温度影响阻值发生变化。以上情况都将使所测得的应变中包含温度的影响，不能真实反映构件因受载荷引起的应变。排除温度影响的措施叫做温度补偿。目前消除温度影响的方法有两类：一是在常温测试中经常使用的桥路补偿法；二是利用温度自补偿应变片补偿法。桥路补偿法又可分为补偿片补偿法和工作片补偿法，下面介绍桥路补偿法。1、补偿片补偿法如图2-9-2所示，接在电桥的AB桥臂上的1R为粘贴在被测构件上的工作片。当构件受力时，工作片反映出的应变包括：构件受力引起的应变p1，温度变化引起的应变T1。补偿片2R因为不受力，所以仅感受由温度引起的应变T2即：TP111T22如果被贴构件与补偿块的材料相同，所贴电阻应变计的K相同，粘贴工艺相同，且被测构件78与补偿块放置在同一温度场中（此即桥路补偿法的理想条件），则TT21。另外两桥臂DACD、为仪器内部电阻，043。所以根据电桥的加减特性，有PTTP12114321仪由此可见，温度变化产生的虚假应变T，由于桥路中接入补偿片而被消除。图2-9-22、工作片补偿法当应变计1R与2R均粘贴在被测构件上时，1R、2R所感受到的应变分别为：TP111TP222如果桥路补偿法的条件成立，则由于1R、2R分别接入电桥中相邻的两个桥臂，因此可以起到温度补偿的作用。工作片补偿法常用的有以下两种情况：如图2-9-2（b）所示联接时，TpTP11222根据电桥的加减特性，有PTPTP1114321)1()(仪例如：在受拉的等截面直杆上，1R沿杆的轴线方向粘贴，2R垂直于杆的轴向粘贴，就属这种情况。另外，在受弯曲的梁上，1R和2R沿梁的轴向分别粘贴在梁的中性层两侧的对称位置处，79也属此情况。三、静态电阻应变仪的简单原理以YD-88型便携式应变仪为例。该仪器以集成电路为主，由5V稳压电源、2V高稳定悬浮桥源、V1高稳定专用放大器、功率放大器、DA转换器、驱动器、4位半数字面板表、通道切换单元等部分组成，其原理方框图如图2-9-3所示。图2-9-3四、使用方法为了说明静态电阻应变仪的操作使用，仍以YD-88为例。1、接通电源，检查仪器是否正常，然后关闭电源开关。2、按测试要求联接电阻应变计（见图2-9-4），若需半桥联接时，首先将前面板全、半桥开关拨到半桥位置，然后将一个测试点应变片和温度补偿片的联接导线分别接入同一个惠斯顿电桥的AB、BC桥臂，其余测点依此类推；需使用公共补偿片时，测点应变片与半桥单点补偿时相同，公共补偿片接入后面板公共补偿BC桥臂。若作全桥联接：则要将前面板全、半桥开关拨到全桥位置，将电阻应变计按测试方案要求分别接入每通道的AB、BC、CD、DA桥臂即可。3、仪器灵敏系数K值的设定：根据应变计的灵敏系数值将后面板的灵敏系数设定开关中的对应按键拨到ON位置。4、测试前调整：旋转面板上的测点开关，对应测点的指示灯亮。数据显示窗口中的数据如出现闪动或极不稳定，说明桥路有问题，需查明原因直至问题解决为止。若数据稳定，即用小螺丝刀调节指示灯下电位器，直至数显为零。直流稳压电源4位半数显表驱动器A/D1微伏放大桥源电桥/切换打印机BCD码输出电源80图2-9-45、测试完毕，应关闭电源并拆除测试导线，仪器恢复原状。五、注意事项1、使用前仪器需要预热30分钟。2、要保证接线质量，裸线除去氧化层。3、切换通道时，注意切换到位，不要使切换开关停在两档之间。4、灵敏系数开关只能将开关中的一个对应按键拨到ON位置。81纯弯曲梁正应力实验一、实验目的1、测定矩形截面梁在纯弯曲时的正应力分布规律，并验证弯曲正应力公式的正确性；2、学习多点静态应变测量方法。二、仪器设备1、纯弯曲梁实验装置；2、YD-2009电阻应变仪；3、游标卡尺。三、试件制备与实验装置1、试件制备本实验采用金属材料矩形截面梁为实验对象。为了测量梁横截面上正应力的大小和它沿梁高度的分布规律，在梁的纯弯段某一截面处，中性轴和以其为对称轴的上下1/4点、梁顶、梁底等5个测点沿高度方向均匀粘贴了五片轴向的应变计（如图4-4-1），梁弯曲后，其纵向应变可通过应变仪测定。图4-4-12、实验装置如图4-4-2和图4-4-3所示，将矩形截面梁安装在纯弯曲梁实验装置上，逆时针转动实验装置前端的加载手轮，梁即产生弯曲变形。从梁的内力图可以发现：梁的CD段承受的剪力为0，弯矩为一常数，处于“纯弯曲”状态，且弯矩值M=21P•a，弯曲正应力公式σ=zy可变换为σ=yaz282图4-4-2图4-4-3四、实验原理实验时，通过转动手轮给梁施加载荷，各测点的应变值可由数字式电阻应变仪测量。根据单向胡克定律即可求得σi实=E·εi实(i=1,2,3,6,7)为了验证弯曲正应力公式σ=zy或σ=yaz2的正确性，首先要验证两个线性关系，即σ∝y和σ∝P是否成立:1、检查每级载荷下实测的应力分布曲线，如果正应力沿梁截面高度的分布是呈直线的，则说明σ∝y成立；2、由于实验采用增量法加载，且载荷按等量逐级增加。因此，每增加一级载荷，测量各测点相应的应变一次，并计算其应变增量，如果各测点的应变增量也大致相等，则说明σ∝P成立。最后，将实测值与理论值相比较，进一步可验证公式的正确性。五、实验步骤1、试件准备用游标卡尺测量梁的截面尺寸（一般由实验室老师预先完成），记录其数值大小；将梁正确地放置在实验架上，保证其受力仅发生平面弯曲，注意将传感器下部的加力压杆对准加力点的缺口，然后打开实验架上测力仪背面的电源开关；2、应变仪的准备a.测量电桥连接：83图4-4-4如图4-4-4，为了简化测量电桥的连接，将梁上5个测点的应变计引出导线各取出其中一根并联成一根总的引出导线，并以不同于其他引出导线的颜色区别，所以，测量导线由原来的10根缩减为6根，连接测量电桥时，将颜色相同的具有编号1、2、3、6、7的五根线分别连接在仪器后面板上五个不同通道的A号接线孔内，并将具有特殊颜色的总引出导线连接在仪器后面板上的“公共补偿片BC”位置的B号接线孔内。实验采用公共的温度补偿片，且把它接入仪器后面板上的“公共补偿片BC”位置的B、C号接线孔内。注意应将应变仪前面板的“全桥半桥”选择开关拨到半桥位置；b.灵敏系数设定：连接好测量电桥后，依照实验架上给出的灵敏系数K的值，将应变仪后面板上的“灵敏系数K-on”选择开关对应值的档拨到on一侧，设定好灵敏系数K的大小；c.测量电桥的预调平衡：接通应变仪前面板上的电源开关，将“测点选择”开关旋到连接好测量电桥所对应通道编号位置，检查应变仪显示窗上的数据是否正常，然后用专用螺丝刀旋转应变仪前面板右侧上部对应编号的调零螺丝孔，调节电位器，使读数为相对稳定的“±0000”，测量电桥达到电阻平衡。改变“测点选择”开关的位置，依次调节好其他通道的电阻平衡。记录下各通道预调平衡的结果。便携式超级应变仪测点平衡全桥半桥测点选择转平衡箱转平衡箱电源值设定公共补偿片电源应变仪前面板应变仪后面板图4-4-5YD-88型数字式电阻应变仪面板图843、进行实验逆时针旋转实验架前端的加载手轮施加载荷。加载方案采用等量加载法，每增加一级载荷，逐点测量各点的应变值。加到最大载荷Pmax读数完毕后，实验完成了第一遍测试。将载荷全部卸掉，按“实验步骤”中“2、应变仪的准备”中的“c.测量电桥预调平衡”的方法重新调好各通道的电阻平衡，重复实验一遍。4、结束实验实验完毕后，整理所记录的实验数据；卸掉实验载荷；关闭仪器电源；拆掉仪器接线孔内的连接导线，将实验仪器复原；清理实验现场；将实验数据交指导老师签字同意后离开实验室。六、实验注意事项1、预调平衡时，若发现调零困难、调零数据不稳定等现象应首先