实验力学

邹良浩武汉大学土木建筑工程学院[e-mail]实验装置风荷载试验实验装置振动台试验实验装置反力墙试验实验装置疲劳试验实验装置高速试验列车实验装置实验装置试验装置目录第1章概论第2章电阻应变计第3章应变测量仪器第4章静、动态应力应变测量技术第5章特殊条件下的应力测量技术第6章传感器第8章超声波检测新技术第一篇：应变电测与传感器技术和超声波检测新技术目录第二篇：光学测试技术第9章光学基础知识第10章光弹性的基本原理和方法第11章全息干涉法第12章全息光弹性第15章散斑干涉法第1章概论1.1实验力学应变电测技术发展概况1.2应变电测与传感器技术的特点1.3应变电测与传感器技术的各种应用第1章概论1.1实验力学应变电测技术发展概况1856年W.Thomson发现电缆的电阻与应变的关系；1936-1938年，E.Simmons等制出纸基丝式电阻应变计，SR-4型号；1952年英国P.Jackson制出第一批箔式电阻应变计；1954年C.S.Smith发现锗硅半导体的压阻效应，1957年制出半导体应变计，后来得到传感器。第1章概论1.1实验力学应变电测技术发展概况纸基丝式电阻应变计箔式电阻应变计半导体应变计第1章概论1.2应变电测与传感器技术的特点（1）尺寸小，重量轻，不会干扰结构的应力分布；（2）测量灵敏度高，达到微应变，误差1%-2%；（3）测量应变量程大；（4）箔式应变计最小栅长0.2mm，可测量应力集中处；（5）频率响应高，50万Hz；（6）输出为电信号，可实现自动化，远程传递，数据好处理；（7）可在高温、高压、高速旋转、强磁场、核辐射等特殊条件下进行实验；（8）可配合专门的弹性元件制作其他传感器。电阻应变计特点第1章概论1.2应变电测与传感器技术的特点电阻应变计缺点（1）只能逐点测量，不易得到构件的全域性应力应变分布；（2）一般只能测量构件表面应变，内部需要内埋式应变计；（3）应变测量为敏感格栅面积内构件表面的平均应变，对于应力梯度很大的构件表面或应力集中的情况，应选择栅长很小的应变计，否则误差较大。第1章概论1.3应变电测与传感器技术的各种应用1.3.1航空航天工程（飞机、航天器）1.3.2电力、动力工程（电厂）1.3.3土木建筑及水利工程（房屋、水坝）1.3.4桥梁和道路工程（大桥等）1.3.5机械和化工工程（机械与化工设备）1.3.6交通工程（铁路、汽车）1.3.7医学、生物力学和体育运动领域（牙齿、骨头应力）1.3.8计量、商业领域（制作各种传感器）第1章概论1.3应变电测与传感器技术的各种应用第1章概论1.3应变电测与传感器技术的各种应用应变片第1章概论1.3应变电测与传感器技术的各种应用制作各种传感器第2章电阻应变计2.1电阻应变计的基本构造和工作原理2.2电阻应变计的各项工作特性2.3电阻应变计的种类2.4电阻应变计选择和粘贴使用方法2.5其他应变计简介2.1电阻应变计的基本构造和工作原理2.1.1电阻应变计的基本构造A、丝式的敏感栅材料常用康铜（铜镍合金）、镍铬合金等；基底和盖层有纸、有机树脂胶膜；粘接剂有快干胶环氧树脂、酚醛树脂等；引线一般用镀锡细铜丝。B、箔式的敏感栅用金属箔，厚度0.003-0.006mm，栅长最小0.2mm，可做成多种应变花，敏感栅做成栅形主要是为了在保证要求的电阻值情况下，尽量减小尺寸，以测量较小面积内的应变。2.1电阻应变计的基本构造和工作原理2.1.1电阻应变计的基本构造2.1电阻应变计的基本构造和工作原理2.1.2电阻应变计的工作原理将电阻应变计安装在被测构件表面上，构件受力而变形时，电阻应变计的敏感栅随之变形，这样电阻值就会变化，用仪器测量此电阻变化即可测量出构件表面沿敏感栅轴线方向的应变。主要要找到电阻变化与应变的转化的关系！！2.1电阻应变计的基本构造和工作原理2.1.2电阻应变计的工作原理金属丝的电阻R与其长度L成正比，截面积A成反比LRAρ为金属的导电率对上式微分（2-1）dRddLdARLA（2-2）2dAdLAL=m()ddVdLdAmVLA泊松比常数2.1电阻应变计的基本构造和工作原理2.1.2电阻应变计的工作原理00[12(12)]12(12)dRdLmKRLKm（2-3）Ko为金属丝的灵敏系数。在一定范围内，ν、m为常数，Ko也为常数。对于康铜，m≌1，Ko=2，表示应变-电阻效应，这就是电阻应变计的工作原理。电阻应变计的灵敏系数K与金属丝的灵敏系数Ko有关，考虑到应变计敏感栅的丝和箔的栅形，另外粘接剂、基底尺寸和性能以及制造工业的影响，一般KKo。2.1电阻应变计的基本构造和工作原理2.1.2电阻应变计的工作原理当基底尺寸远大于敏感栅尺寸时，应变计的K与丝（箔）材料Ko之间的关系如下041(1)sbbKKEhAabLEh为基底和粘接剂层总厚度；b为基底和粘接剂传递应变到敏感栅的过渡区有效宽度；a为过渡区的长度；A为敏感栅的丝栅截面积；L为敏感栅栅长；νb为基底和粘接剂层的泊松比；Eb为基底粘接剂层的弹性模量；Es为敏感栅材料的弹性模量。a，b由试验得到，随着敏感栅弹性模量和厚度计粘接厚度的增大而增大，随基底和粘接剂弹性模型及泊松比增加而减小。2.2电阻应变计的各项工作特性常温电阻应变计的工作特性1、灵敏系数（K）2、电阻值（R）3、横向效应系数（H）4、零点漂移（P）和蠕变（θ）5、机械滞后（Zj）6、应变极限（εlim）7、疲劳寿命（N）8、热输出（εT）9、绝缘电阻（Rm）10、灵敏系数随温度变化（KT）2.2电阻应变计的各项工作特性2.2.1应变计的灵敏系数应变计的灵敏系数（K）为被测试件上的应变计，在其轴向收到单向应力时引起的电阻相对变化（△R/R）与由此单向应力引起的试件表面轴向应变εx之比。/xRKR（2-4）应变计的灵敏系数（K），其大小主要取决于敏感栅材料，另外与敏感栅形状、尺寸和基底材料、工业有关，一般对一定形状尺寸的应变计，每批的灵敏系数不全相等。而应变计的灵敏系数采用每批应变计的抽样数据得到。在专门的灵敏系数检定装置进行检测，抽样检定得到的K平均值和标准误差，作为表征该批应变计的灵敏系数特征。2.2电阻应变计的各项工作特性2.2.1应变计的灵敏系数1.灵敏系数标定装置应变计算2.2电阻应变计的各项工作特性2.2.1应变计的灵敏系数三点扰度计测量等应力悬臂梁和纯弯曲梁的应变计算公式2233ffhchfhfhchfhff为小量2/hfc（2-5）（2-6）2.2电阻应变计的各项工作特性2.2.1应变计的灵敏系数三点扰度计测量钢架梁的应变计算公式22(1)63(1)63jAjBhhachfhfhhachfhf22(1)63(1)63jAjBhhachfhfhhachfhfA面受压，B面受拉A面受拉，B面受压（2-7）（2-8）2.2电阻应变计的各项工作特性2.2.1应变计的灵敏系数2.检定方法及灵敏系数计算将抽样检定的应变计分为数量相近的两部分，分别安装在梁工作段的受拉和受压表面，要求应变计轴线与梁表面应力方向平行。加载三次，每次使梁产生约1100μm/m的应变量；然后正式检定，加载于梁0~1000μm/m三次，同时测量梁中点扰度和各应变计的指示应变。iRRRRK（2-9）2.2电阻应变计的各项工作特性2.2.1应变计的灵敏系数2.检定方法及灵敏系数计算采用电阻应变仪（K=2.00）测量应变计的指示应变ε，则有2.00RR仪2.00/KiRR仪（2-10）应变计只受拉和受压，单个应变计的灵敏系数为2.2电阻应变计的各项工作特性2.2.1应变计的灵敏系数2.检定方法及灵敏系数计算平均灵敏系数平均值1niiKKn（2-12）21()100%,1niiKKssnK（2-11）灵敏系数的分散用tσ表示，t为t分布的执行系数（置信度95%），σ为灵敏系数相对标准偏差s为标准偏差。一般应变计灵敏系数分散为1%~3%。一般应变计包装上都要标明应变计的K及其分散，比如2.18±%2.2电阻应变计的各项工作特性2.2.1应变计的灵敏系数2.2电阻应变计的各项工作特性2.2.2横向效应系数横向效应系数（H）是指应变计横向灵敏系数KB与纵向灵敏系数KL之比值，用百分数表示。横向效应系数H与应变计材料、敏感栅形状尺寸及工艺有关，H值一般由专门检定装置抽样检定。2.2电阻应变计的各项工作特性2.2.2横向效应系数检定横向效应系数的装置原理上有两种：一种是用单向应变标定梁装置；另一种是检定灵敏系数的装置，为单向应力标定梁。2.2电阻应变计的各项工作特性2.2.2横向效应系数用单向应变标定梁装置时，在梁表面上造成只有纵向应变εL，而横向应变εB=0。将两枚应变计分别粘贴在单向应变方向和无应变方向，可列出两应变计的电阻相对变化如下：LBBLLLBBLLBLLBBLRKKKKRRKKKKR仪仪仪仪（2-13）BL100%BLKHK仪仪（2-14）实际标定时，将若干应变计粘贴在梁表面横向（B风向，垂直于纵向L方向），另有两个应变计粘贴在梁表面纵向（L方向），采用电阻应变仪测量各应变计指示应变。加载应变1000μm/m三次，得横向各应变计指示应变平均值和纵向两个应变计指示应变平均值，则H为：2.2电阻应变计的各项工作特性2.2.2横向效应系数BL100%H仪仪2.2电阻应变计的各项工作特性2.2.2横向效应系数LBB(1)()LLLBBLLBLLBBLRKKKHKRRKKKHKR仪仪仪仪用单向应力检定梁（检定K用）时，分别沿梁纵向和横向各粘贴一应变计，则其电阻相对变化为（2-15）BLLB()()100%100%()()BLLBRRRRHRRRR仪仪仪仪（2-16）2.2电阻应变计的各项工作特性2.2.2横向效应系数一般箔式应变计的H比丝绕式应变计的小很多，这是因为箔式应变计敏感栅的横栅可制得较宽，电阻较小，横向效应系数H随栅长减小而增大。2.2电阻应变计的各项工作特性2.2.3热输出温度效应是指，粘贴在构件上的应变计由于环境变化引起构件温度变化，所产生的电阻相对变化热输出εT度量应变计的温度效应，为应变计安装在具有某线膨胀系数的试件上，试件可自由膨胀并不受外力作用，在缓慢升或降温的均匀温度场内，由温度变化引起的指示应变。00[1]TTaTTTT()()TTTegRaTRTKK（2-17）2.2电阻应变计的各项工作特性2.2.3热输出衡量应变计热输出（εT随温度变化的函数）的指标，称为平均热输出系数C，定义为：maxmin0TTmCTT（2-18）2.2电阻应变计的各项工作特性2.2.3热输出热输出检定方法是将若干枚电阻应变计安装在某试件上（一般厚度2-3mm），并固定一热电偶以测温度。将应变计接线到电阻应变计，取K仪=2.00，将试件加热，在室温时调整应变指示为零，然后以3-5度/min的速率升温或以不高于2度/min的速率连续升温至极限工作温度，温度间隔级不少于5个。每一温度级下各应变计热输出读数的平均值εT和标准误差sT给出平均热输出曲线。计算平均热输出系数用工作温度范围内最大标准误差smax的t倍表示热输出的分散。t为t分布的置信系数2.2电阻应变计的各项工作特性2.2.4应变计电阻应变计在制造单位制成后诸葛测量器电阻值（R），并按规定公差，分格存放，并包装进盒，盒面应标明应变计电阻值及公差。使用者在粘贴应