南京航空航天大学结构强度的电测法实验报告

结构强度的电测方法实验报告《结构强度的电测方法》试验报告学院： 能源与动力学院专业： 机械设计及理论学号： SX1302***姓名： 朱**同组： 朱**日期：2013年12月27日结构强度电测法实验一 实验目的1、掌握电阻应变测试技术的基本原理和方法2、测定两个弹性构件在指定作用力下的危险点的主应力大小和方向测定钢架结构在指定作用力下的危险点的主应力大小和方向3、由第三强度理论分析结果，确定弹性构件和钢架结构在以上实验条件下的最大许用载荷4、由理论分析和实验结果对比，验证圣维南原理的影响5、熟悉电阻应变的基本安装工艺过程6、掌握测量结果的不确定度分析过程二 实验仪器、设备名称及型号本实验主要实验仪器和设备有：TS3861静态电阻应变仪、压力试验机、2个待测弹性元件及1个钢架、电阻应变片、导线、电烙铁、丙酮、砂纸、502胶、绝缘胶带、镊子等TS3861静态电阻应变仪面板如图1所示图1 TS3861静态电阻应变仪面板示意图其中：（1）CH为通道指示，其下面的两个按扭为通道选择键 （2）为读数应变显示窗，其下面的三个按键“自动”、“初值”、“测量”的作用为：“自动”按键在手动测量时无用；“初值”按键为在有初始值的情况下的测量；若先按“初值”再按“测量”按键，为将现通道设置为在“0”初始值的情况下的测量，即“置零”。

（3）根据应变片的阻值选择“应变片电阻Ω”的数字 （4）根据应变片的灵敏系数选择“灵敏系数K”的数字三 实验原理及实验方法1、应变片原理 电阻片分丝式和箔式两大类丝绕式电阻片是用0.003mm-0.01mm的合金丝绕成栅状制成的；箔式应变片则是用0.003mm-0.01mm厚的箔材经化学腐蚀制成栅状的，其主体敏感栅实际上是一个电阻金属丝的电阻随机械变形而发生变化的现象称为应变-电性能电阻片在感受构件的应变时（称做工作片），其电阻同时发生变化实验表明，构件被测量部位的应变Δl/l与电阻变化率ΔR/R成正比关系，即： 比例系数Ks称为电阻片的灵敏系数由于电阻片的敏感栅不是一根直丝，所以Ks不能直接计算，需要在标准应变梁上通过抽样标定来确定Ks的数值一般约在2.0 左右，这里取K=2.048 2、电阻应变仪原理 电阻应变仪是将电阻片感受到应变转化为电阻变化，再把电阻变化通过适当桥路和 放大器转为电压变化，并显示出来电阻应变仪按其测量对象可分为静态电阻应变仪和动态电阻应变仪动态应变仪有电压和电流输出，提供相关记录仪记录，例如X-Y记录仪、光线示波器和磁带记录仪等等。

也有一些应变仪兼有静态应变数值显示和动态电压输出，使用起来比较方便由于电阻应变仪是一种专用仪器，其显示部分直接显示应变值通过应变可以计算出载荷、应力和变形，为核算构件的强度提供依据，因此应变仪应用十分广泛应变仪测量电路是一个电桥电路(见图2)它的四个桥臂 R1 ，R2 ，R3 ，R4 顺序连接在 A、B、C、D 之间电桥 AC 对角接电源 E ；BD 对角为电桥输出电压 UDB 当四个电阻皆由电阻应变片组成，且四枚电阻片阻值和灵敏系数相等时，桥路有如下关系: 　　　　　　　 图2 　　其中ε1 ，ε2 ，ε3 ，ε4 分别代表电阻片 R1 ，R2 ，R3 ，R4 感受的应变，这表明电压增量 ΔUDB 与四个桥臂电阻片的应变成线性关系利用这个关系可实现单片、半桥和全桥测量方式，获得不同的量测效果3、温度补偿片应用原理温度改变时，金属丝的长度也会发生变化，从而引起电阻的变化因此在温度环境下进行测量，应变片的电阻变化由两部分组成即：ΔR = ΔRε＋ΔRT　　ΔRε-由构件机械变形引起的电阻变化　　ΔRT-由温度变化引起的电阻变化要准确地测量构件因变形引起的应变，就要排除温度对电阻变化的影响。

方法之一是，采用温度能够自己补偿的专用电阻片；另一种方法是，把普通应变片，贴在材质与构件相同、但不参与机械变形的一材料上，然后和工作片在同一温度条件下组桥电阻变化只与温度有关的电阻片称做温度补偿片利用电桥原理，让补偿片和工作片一起合理组桥，就可以消除温度给应力测量带来的影响4、测量电路—电桥的应用原理应变片可以感受影响变化，但必须通过应变片组成电桥电路来测量电压的变化，从而得出应变变化通过测量电桥把电阻变化转换成电压的变化，再将电压变化放大通过应变仪显示出来（A/D—数显）由应变片和定值电阻，温度补偿片等组成的测量电桥如下图：测量电路有多种，最常用的是桥式测量电路R1、R2、R3、R4四个电阻依次接在A、B、C、D （或1、2、3、4）之间，构成电桥的四桥臂电桥的对角AC接电源，电源电压为E；对角BD 为电桥的输出端，其输出电压用UDB表示可以证明UDB与桥臂电阻有如下关系：UDB = 　　若4个桥臂电阻由贴在构件上的4枚电阻片组成，而且初始电阻R1 = R2 = R3 = R4，当输出电压UDB = 0时，电桥处于平衡状态构件变形时，各电阻的变化量分别为ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4。

输出电压的相应变化为：UDB+ΔUDB = 在小应变 的条件下，可以证明桥路输出电压为：ΔUDB 如果ΔR仅由机械变形引起、与温度影响无关，而且4枚电阻片的灵敏系数Ks相等时，根据 ，可以写成：ΔUDB 　如果供桥电压E不变，那么构件变形引起的电压输出ΔUDB 与4个桥臂的应变值ε1、ε2、ε3、ε4成线性关系式中各ε是代数值，其符号由变形方向决定一般拉应变为"正"、压应变为"负"根据这一特性：相邻两桥臂的ε（ε1、ε3或 ε2、ε4）符号一致时，两应变相抵消；如符号相反，则两应变的绝对值相加相对两桥臂的ε（ ε1 、ε2或 ε3、ε4）符号一致时，两应变的绝对值相加；如符号相反，则两应变相抵消实验如果能很好地利用电桥的这一特性，合理布片、灵活组桥，将直接影响电桥输出电压的大小，从而有效地提高测量灵敏度、并减少测量误差这种作用称做桥路的加减特性电阻应变仪是测量应变的专用仪器，桥路输出电压ΔUDB的大小，是按应变直接标定来显示的因此与ΔUDB对应的应变值ε仪仪可由应变仪直接读出来一般贴在构件上参与机械变形的电阻片称做工作片，在不考虑温度影响的前提下，应变片接入各桥臂的组桥方式不同、与工作片相应的输出电压也不同。

在此介绍几种典型的组桥方式如下：半桥测量两枚工作片R1、 R2分别接在相邻两个桥臂AB、BC上其它两个桥臂是应变仪的内接电阻这时电桥的输出电压为：ΔUDB 单臂测量只有一枚工作片R1接在AB桥臂上其它3个桥臂的电阻片都不参与变形应变e为零这时电桥的输出电压为：ΔUDB 对臂测量两枚工作片R1、 R3分别接在对臂AB、CD上温度补偿片R2、 R4分别接在其它两对臂BC、AD上这时：ΔUDB 单臂串联测量两枚串联的工作片2R接AB臂而两枚串联的温度补偿片2R接BC臂其他两个桥臂接仪器的内接电阻这时：ΔUDB 工作片串联后R1 = 2R，同样ΔR1= 2ΔR ，因此ΔUDB的测量结果不变，与两枚阻片电阻变化率的平均值成正比5、电阻应变仪及应变测定设电阻应变仪的灵敏系数是，应变仪的应变读数是则： 所以应变仪的读数为：调节电阻应变仪，使应变仪的灵敏系数等于应变片的灵敏系数，，则： 所以可利用电阻应变仪测量应变片的电阻变化率，求出被测部位的应变值6、应力应变转换关系（1）单向应力状态构件在外力作用下，若被测点为单向应力状态，则主应力方向已知，只有主应力是未知量，可沿主应力方向粘贴一个应变片，测得主应变后，由胡克定律 即可求得主应力。

2）未知主应力方向的二向应力状态对于形状和受力情况比较复杂的构件，除了被测点两个主应力值未知外，主应力方向也是未知的，即存在、和三个未知量此时，可以在该点沿着三个不同方向粘贴三个图4 未知主应力方向的测点贴片方式应变片，根据测得的应变值换算成主应力值，换算原理如下在测点处任意选定直角坐标xOy，并在与x轴成、和夹角方向上各粘贴一片应变片，如图所示由三个应变片分别测得这三个方向上的应变、和另外，由二向应力状态的应变分析可知，若已知该测点O处沿坐标轴方向的线应变、和剪应变，则该点处任意方向的线应变的计算公式为 式中：、和以伸长为正，以直角增大为正这样，该测点处3个方向上的应变片测得的应变、和与任意方向上的线应变便有 由上式就可以解出、和由材料力学知，已知、和，则该测点处的主应变和主应变方向与x轴的夹角可由下式计算得到： 最后，由广义胡克定律即可求得主应力、主应变方向即为主应力方向本实验选取的应变片之间的夹角为45°8结构强度的电测方法实验报告四 实验步骤1、 选择试件贴片【友情提示：两结构贴片时，请贴在靠近孔的地方，因为这里比较危险】对试件进行有限元分析，初步分析出结构的危险应力点的分布位置，确定试件的危险截面。

先根据试件的可能危险点，把应变片粘贴在试样的特定方位如下图：试件一（图a)试件二 （图b）梁结构（图c）根据测量需要把应变片的引出导线按单臂半桥方式接到应变仪的输入端，与工作应变片桥臂相邻的桥臂接入温度补偿片设计好有关的试验记录表格 2、 接线—单臂半桥电路测量各点的应变　　AB臂接工作片；BC 臂接补偿片其它两桥臂接应变仪的内接电阻按顺序逐个测量沿应变片的应变应变仪显示的应变值e 仪即为被测点的实际应变测量程序如下： 1、加卸初载P0 ，反复多次， 使应变片和试件充分接触2、用实验方法估算出试件的最大许用载荷，并确定出应变片的最大应变（一般最大的不超过600），定出危险点3、 测出每一应变片的应变值，记录数据（至少十个数据）4、 拆线规整实验器材五 数据结果及处理【一】试件一（环形件）【提醒一下以后看到或用到本实验报告的师弟师妹，初载不要设为0，最好设为100N或200N，这是合理的，本实验报告的问题就是初载设定为零了】 (1)、危险点、危险截面的主应力试件及危险点编号如图a所示，经有限元分析结果得到，危险点在贴片1号出，该处处于单轴应力状态，受压；同样2号和3号也处于单轴应力状态，2号受拉，3号受压。

在试件的上下边界作用对称载荷材料弹性模量E＝70Gpa,泊松比，许用应力试件一的各应变片数据压力（N）620620620620620620620620620620增量(△F)6206206206206206206206206206201号片-604-603-605-604-605-606-605-608-605-6062号片3623643623623623623623643613613号片-458-484-484-482-483-483-484-484-483-482（2）试件的许用载荷 根据有限元分析结果和实际贴片测试结果，试件一的最危险点为1号贴片处，则可根据1号贴片处结果给出试件的许用载荷计算试件一1号片应变：1） 求算术平均值： 2） 求算术平均值的标准差： A类不确定度为：【解释：这是公式直接代入就好】由于仪器的读数误差 【解释：这是由于应变仪读数带来的B类误差】，则B类误差：由于加载读数带来的B类误差：【解释：指的是加载装置力的读数误差，例如我们用的量程5KN的加载器，取1%为误差，即为5000*1%=50N，然后用50除以，这是概率统计的问题就不解释了；将这N的力转化为相应的应变的不确定度，这里采用的是用加载一定的力所对应的应变除以这个力得到单位力产生的应变，然后与相乘，即装换得到应变的不确定度】合成标准不确定度： 则最终1号片处应变结果为： 对应的应力大小为：得到试件一的最大许用载荷：【解释：这个许用载荷的确定是通过线性比例获取的，即，等式左边分子600是我们本次试验的加载600N，分母是此时的应力；右边分子最大许用载荷，分母许用应力】【二】试件二（S形件）(1)、危险点的主应力、主方向根据有限元分析结果可知，危险点即为贴片1,2,3号处，此处由于应力集中的问题，无法确定主应力力及主方向，所以选着了贴应变花进行测试，1号贴片沿水平方向，2号沿45度方向，3号沿竖直方向。

以下是测试结果：S形件测试数据载荷（N）1500150015001500150015001500150015001500增量（N）15001500150015001500150015001500150015001号片-180-182-182-182-183-181-180-180-179-1792号片-128-128-129-129-128-129-129-129-123-1313号片-249-263-258-258-258-259-259-262-259-2571号片应变：1） 平均值：2） 算数平均值标准差：A类不确定度为：由于仪器的读数误差 ，则B类不确定度由于加载读数带来的B类误差：合成标准不确定度： 则最终1号片处应变结果为：2号片应变：1） 平均值：2） 算数平均值标准差：A类不确定度为：由于仪器的读数误差 ，则B类不确定度由于加载读数带来的B类误差：合成标准不确定度： 则最终2号片处应变结果为：3号片应变：1） 平均值：2） 算数平均值标准差：A类不确定度为：由于仪器的读数误差 ，则B类不确定度由于加载读数带来的B类误差：合成标准不确定度： 则最终3号片处应变结果为：以上求出了三个方向的应变，应用应变花计算公式的主应变为：【解释：在主应力空间中，和都为负数，其中主应力和主应变一一对应，第三强度理论是用】由第三强度理论计算得到此时的应力： 得试件二最大许用载荷： 【三】钢架结构如图所示，在钢架的相应部位贴上1号，2号，3号，4号，5号，6号应变片，得到测试结果如下：载荷(N)300300300300300300300300300300增量(N)3003003003003003003003003003001号片-457-455-451-452-448-450-447-445-446-4452号片4414424424424464434464474454473号片1861861911931951931961991961964号片-187-189-190-190-187-188-187-184-185-1885号片1231241241271311251301331311336号片-132-129-128-124-124-126-122-119-121-117由以上测试结果和有限元分析结果可知，1号片为最危险点；计算1号片应变：1） 求算术平均值： 2） 求算术平均值的标准差： A类不确定度为：由于仪器的读数误差 ，则B类误差：由于加载读数带来的B类误差：合成标准不确定度： 则最终1号片处应变结果为： 对应的应力大小为：最大许用载荷：六 实验总结1、 选择应变片的依据（1） 应变片的性质（是动态还是静态）（2） 测试的环境（如强磁、潮湿）（3） 应变片本身属性（如带孔的，其本身孔附近的应变很大，不均匀）2、 应变测试准则消去温度影响，以尽可能提高读数的灵敏度。

3、 贴片应注意的问题粘贴电阻片是电测法的一个重要环节，它直接影响测量精度粘贴时，首先必须保证被测表面的清洁、平整、光滑、无油污、无锈迹二要保证粘贴位置的准确、并选用专用的粘接剂三应变片引线的焊接和导线的固定要牢靠，以保证测量时导线不会扯坏应变片为满足上述要求，粘贴的大致过程如下：打磨测量表面→在测量位置准确画线→清洗测量表面→在画线位置上准确地粘贴应变片→焊接导线并牢靠固定4、 圣维南原理分析对于前面研究的S形件，在危险点处，理论分析的结果是，受一个压力引起的正应力和弯矩引起的正应力，综合来看危险点处应该为竖直向下的正应力，在危险点贴应变花的测试结果为非简单的轴向压力，即验证了圣维南原理，在构件几何结构急剧变化的地方，应力将不再简单的按原来的简化分布5、 实验心得与体会通过实际的操作，设计试验过程、步骤，从贴片到测试，自己的动手能力和解决问题的能力得到极大的提高，同时感受到这门课的学习所带来的试验能力的提高这是从书本中所学不到的然而由于时间太紧张，还有好多问题需要自己去解决，建议多增加课时，相信那样会学到的更多。