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文檔簡介
1、應變測試技術目 錄第1章 應變測試概況1第2章 應變測試的原理22.1 應力與應變的關系22.2 電阻應變片的構(gòu)造82.3 應變片的工作原理9第3章 主要設備及配套器材103.1 電阻應變片103.2 電阻應變儀163.3 應變測試系統(tǒng)16第4章 應變測試的工藝要點174.1 應變片的選型174.2 選擇粘貼應變片用膠黏劑184.3 應變片的粘貼19第5章 應變測試的應用215.1 運動構(gòu)件的應變測量215.2 高(低)溫條件下應變測量25第6章 應變測試方法的特點及適用范圍27參考文獻29I應變測試技術第1章 應變測試概況應變測試是當各種機械或者結(jié)構(gòu)物有外力作用時,通過它來獲得各部分發(fā)生的應
2、變大小、應力狀態(tài)和最大應力所在位置和大小,以此判斷各部件的尺寸、形狀和使用的材料是否合適,從而達到安全、價廉和經(jīng)濟的設計。另外,應變測試可以估計斷裂負荷,并能進行斷裂預測而不需要損壞部件材料,因此它是無損檢測的一個重要領域。電阻應變測量方法是實驗應力分析方法中應用最為廣泛的一種方法。該方法是用應變敏感元件電阻應變片測量構(gòu)件的表面應變,再根據(jù)應變應力關系得到構(gòu)件表面的應力狀態(tài),從而對構(gòu)件進行應力分析。電阻應變片(簡稱應變片)測量應變的大致過程如下:將應變片粘貼或安裝在被測構(gòu)件表面,然后接入測量電路(電橋或電位計式線路),隨著構(gòu)件受力變形,應變片的敏感柵也隨之變形,致使其電阻值發(fā)生變化,此電阻值的
3、變化與構(gòu)件表面應變成比例,測量電路輸出應變片電阻變化產(chǎn)生的信號,經(jīng)放大電路放大后,由指示儀表或記錄儀器指示或記錄。這是一種將機械應變量轉(zhuǎn)換成電量的方法,其轉(zhuǎn)換過程如圖1-1所示。測量電路的輸出信號經(jīng)放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換后可直接傳輸給計算機進行數(shù)據(jù)處理。圖1-1 用電阻應變片測量應變的過程第2章 應變測試的原理2.1 應力與應變的關系2.1.1 應力的種類應力是在施加的外力的影響下物體內(nèi)部產(chǎn)生的力。如圖2-1所示,在柱體的上面向其施加外力P 的時候,物體為了保持原形在內(nèi)部產(chǎn)生抵抗外力的力-內(nèi)力。內(nèi)力被物體(這里是柱體)的截面積所除后得到的值(單位截面積上的內(nèi)力)即是“應力”(單位為Pa(帕斯卡)或N/
4、m2)。如圓柱橫斷面積為A(m2),所受外力為P(N 牛頓),由外力=內(nèi)力可得,應力的大小。圖2-1 外力(負荷)與內(nèi)力的關系如圖2-2 (a)所示,當內(nèi)力F在某一截面上作用時,可以考慮把它分成與截面垂直的分力 Fn 和沿著截面方向的分力Fr。假設這些力在截面上都是均勻分布的話,則 “單位截面積的力”就是應力,如圖2-2 (b)所示。它可以分為同截面垂直的正應力()和沿著截面的切應力()。假如設截面積為A,則正應力可由下式表示: = FnA=Fcos/AMPa (2-1)切應力為 =FrA=Fsin/A(MPa) (2-2)圖2-2 內(nèi)力與應力的關系截面上的各種應力狀態(tài)如圖2-3所示 。圖2-
5、3 應力的種類與正負(a)拉伸,正應力為正值(b)壓縮,正應力為負值(c)切應力為正值 (d)切應力為負值把圖2-3 (a)中的正應力稱為拉應力,以正值來表示。把圖2-3 (b)中的正應力稱為壓應力,以負值來表示。圖2-3 (c)中的切應力是順時針方向作用的,作為正值;圖2-3 (d)中的切應力是逆時針方向作用的,作為負值。這種確定正負的方法是同梁的切應力相符合的,有的資料采用的正負值與這里正好相反。2.1.2 應變被拉伸的時候會產(chǎn)生伸長變形 l,試件的長度則變?yōu)閘。這里,由伸長量l和原長l的比所表示的伸長率(或壓縮率)就叫做“應變”,記為。應變表示的是伸長率(或壓縮率)l/l,是量綱為一的,
6、1x10-6的應變稱為微應變。(1)縱向應變圖2-4 應變的種類如圖2-4 (a)所示,把拉應力作用在圓柱物體上,當原來的長度延伸了l而成為l時,其拉應變可從下式得出: (2-3)其數(shù)值為正值,當受壓應力時,則物體收縮,l就變成負值,壓應變也成為負值。拉伸應變和壓縮應變都叫做縱向應變。(2) 橫向應變在應力作用的方向上產(chǎn)生縱向應變時,同時在與它垂直的方向上產(chǎn)生橫向應變。從圖2-4(a)上可以看出,若直徑從 d變?yōu)?d時,橫向應變由下式表示: (2-4) 這個橫向應変與縱向應變之比的絕對值叫做泊松比,通常以或者µ來表示,即 (2-5)低碳鋼的泊松比約為0.3。如圖2-4 (b)所示,當
7、受切應力作用時,長度l的頂部向橫向偏移,如果設最初的直角ABC改變了角'成為ABC則切應變/l可由下式(2-6)表示:圖2-4 應變的種類 (2-6)2.1.3 應力應變曲線做材料的強度試驗時,材料要制成如圖2-5所示的試樣。將拉伸試驗時所加的負荷除以試樣的截面積,即應力作為縱坐標;把標距伸長量除以標距的原長度,即應變作橫坐標,這樣得出的曲線稱為應力-應變曲線。(a)拉伸前(b)拉伸后圖2-5 拉伸式樣圖2-6所示是廣泛用來制作結(jié)構(gòu)件的低碳鋼(低碳鋼)的拉伸試驗應力-應變曲線。可將其分為OA、BC、CD、和DE四個階段。圖2-6 低碳鋼應力-應變曲線(1)彈性階段(OA段)在OA階段內(nèi)
8、,材料的變形是彈性的。當應力小于A點的應力時,如果卸去外力,使應力逐漸減少到零,此時相應的應變也隨之完全消失。材料受外力后變形,卸去外力后變形完全消失的性質(zhì)稱為彈性。因此OA階段稱為彈性階段,相應于A點的應力稱為彈性極限。在此階段內(nèi),除靠近A點的極小一段AA外,應力與應變的關系是沿直線OA變化的,這時應力與應變之間呈正比關系,即遵循虎克定律:=E(其中彈性模量E是比例常數(shù))對應于A點的應力稱為比例極限,以p表示。由于比例極限與彈性極限非??拷?,試驗中很難加以區(qū)別,所以實際應用中常將兩者視為相等。如再繼續(xù)增加應力,則即使去掉負荷,試樣也不能完全復原而仍然殘留一部分應變,這個應變就稱為永久應變或殘
9、余應變。 (2)屈服階段(BC段) 當應力到達B點的相應值時,應力不再增加,僅有些微小的波動;而應變卻在應力幾乎不變的情況下急劇地增長,材料暫時失去了抵抗變形的能力。這個現(xiàn)象一直延續(xù)到C點。如果試樣經(jīng)過拋光,這時可以看到試樣表面有許多與試樣軸約成45度角的條紋,稱為滑移線。這種應力幾乎不變,應變卻不斷增加,從而產(chǎn)生明顯的塑形變形的現(xiàn)象,稱為屈服現(xiàn)象,BC階段稱為屈服階段。 相應于B點的應力值稱為上屈服點;在應力波動中,首次下降所達到的最低值(對應于曲線中的B點)稱下屈服點。由于上屈服點之值受試驗時一些因素的影響較大,不如下屈服點穩(wěn)定,故規(guī)定下屈服點作為材料的屈服點(或稱屈服極限),以s表示。(
10、3)強化階段(CD段) 經(jīng)過屈服階段以后,從C點開始曲線又逐漸上升。材料又恢復了抵抗變形的能力,要使它繼續(xù)變形,必須增加應力,這種現(xiàn)象稱為材料的強化。從C點至D點稱為強化階段。(4)局部變形階段(DE段)在應力到達D點的相應值之前,沿試樣的長度,變形是均勻的。當應力到達D點的相應值后,試樣的變形開始集中于某一小段的范圍內(nèi),橫截面面積出現(xiàn)局部迅速收縮,這種現(xiàn)象稱為頸縮現(xiàn)象。由于局部的截面收縮,使試樣繼續(xù)變形所需的拉力逐漸減小,所以,由原截面面積(不是頸縮處的截面面積)除以拉力F而計算出的名義應力也漸漸下降,因而曲線過D點后向下彎曲。因為應力等于負荷除以試樣原截面積,所以所得的這種應力被稱為公稱應
11、力。如果隨著截面的縮小,用縮小的截面積去除負荷,所得的數(shù)值作為實際應力,則可得到實際應力-應變曲線。當截面急劇地收縮到原截面的一半左右時,最后就在E點斷裂。由D點到E點這個階段,稱為局部變形階段。相應于D點的應力稱為抗拉強度(或強度極限),以b表示。低碳鋼以外各種材料的應力-應變曲線如圖2-7所示。 它們都不出現(xiàn)像低碳鋼那樣的屈服點。對這些材料,一般把產(chǎn)生 0.2%永久應変時的應力稱為屈服強度,以0.2表示。通常在材料的應變測定中,所用的應力都是在低于比例極限的范圍內(nèi),在此條件下應力與應變呈正比關系。(a)高碳鋼和合金鋼 (b)鑄鐵 (c)銅和黃銅圖2-7 各種材料的應力-應變曲線因此如果測得
12、了應變,則應力 即可由下式表示:=E (2-7)式中,比例常數(shù)E稱為縱向彈性模量(楊氏模量)。低碳鋼縱向彈性模量 E 的數(shù)值為2.1×105MPa,鋁是0.72×l05MPa。2.2 電阻應變片的構(gòu)造不同用途的電阻應變片,其構(gòu)造不完全相同,但一般都由敏感柵、引線、基底、蓋層和粘結(jié)劑組成,其構(gòu)造簡圖如圖2-8所示。圖2-8 電阻應變片的構(gòu)造 基底敏感柵223323322333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333
13、333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333柵蓋層粘結(jié)劑引線敏感柵: 是應變片中將應變量轉(zhuǎn)換成電量的敏感部分,是用金屬或半導體材料制成的單絲或柵狀體。敏感柵的形狀與尺寸直接影響應變片的性能。敏感柵如圖2-9
14、所示,其縱向中心線稱為縱向軸線,也是應變片的軸線。敏感柵的尺寸用柵長L和柵寬B來表示。柵長指敏感柵在其縱軸方向的長度,對于帶有圓弧端的敏感柵,該長度為兩端圓弧內(nèi)側(cè)之間的距離,對于兩端直線的敏感柵,則為兩直線內(nèi)側(cè)的距離;在與軸線垂直的方向上敏感柵外側(cè)之間的距離為柵寬。柵長與柵寬代表應變片的標稱尺寸。一般應變片柵長在0.2毫米至100毫米之間。圖2-9 應變片的寸柵 88888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888敏感柵尺寸引線:用以
15、從敏感柵引出電信號的鍍銀線狀或鍍銀帶狀導線,一般直徑在0.150.3毫米之間。基底:用以保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對位置的部分,基底尺寸通常代表應變片的外形尺寸。粘結(jié)劑:用以將敏感柵固定在基底上,或者將應變片粘結(jié)在被測構(gòu)件上,具有一定的電絕緣性能。 蓋層:用來保護敏感柵而覆蓋在敏感柵上的絕緣層。2.3 應變片的工作原理將應變片貼在被測定物上,使其隨著被測定物的應變一起伸縮,這樣里面的金屬箔材就隨著應變伸長或縮短。很多金屬在機械性地伸長或縮短時其電阻會隨之變化。應變片就是應用這個原理,通過測量電阻的變化而對應變進行測定。一般應變片的敏感柵使用的是銅鉻合金,其電阻變化率為常數(shù),與應變成正比例關
16、系如式(2-8)所示;R /R= K× (2-8)R:應變片的原電阻值 R:伸長或壓縮所引起的電阻變 K:比例常數(shù)(應變片常數(shù)) :應變不同的金屬材料有不同的比例常數(shù)K。銅鉻合金的K 值約為2。這樣,應變的測量就通過應變片轉(zhuǎn)換為對電阻變化的測量。但是由于應變是相當微小的變化,所以產(chǎn)生的電阻變化也是極其微小的。例如我們來計算1000×106的應變產(chǎn)生的電阻的變化。應變片的電阻值一般來說是120 歐姆,即R /120=2×1000×10-6R =120×2×1000×106 = 0.24 電阻變化率為R/ R=0.24/120=
17、0.0020.2% 要精確地測量這么微小的電阻變化是非常困難的,一般的電阻計無法達到要求。為了對這種微小電阻變化進行測量,我們使用帶有惠斯通電橋回路的專用應變測量儀。應變片本身的追隨能力可以達到數(shù)百kHz,通過組合的測定裝置可以對沖擊現(xiàn)象進行測量。行駛中的車輛,飛行中的飛機等各部位的變動應力可以通過應變片和測定裝置進行初步的測量。第3章 主要設備及配套器材3.1 電阻應變片3.1.1 應變片的參數(shù)特征3.1.1.1 應變片的幾何尺寸基長L(A):應變片敏感元件在縱軸方向上的長度?;鶎抌(B):在與應變片主軸垂于方向上應變片敏感元件外側(cè)之間的距離。圖3-1 應變片的幾何尺寸3.1.1.2 電阻值
18、指自由狀態(tài)下于室溫條件測定的電阻值。應變片的電阻值應與測量電路相適應,常用標準化阻值為60歐、120歐、350歐、600歐、1000歐,其中最常用為120歐。3.1.1.3 絕緣電阻指應變片引線與被測試件之間的電阻值。它取決于粘合劑及基底材料的種類以及它們的固化條件,且與溫度關系很大。絕緣電阻過低會造成應變片與試件之間的漏電,產(chǎn)生測量誤差。3.1.1.4 靈敏系數(shù)應變片靈敏系數(shù):指在標準條件下由實驗求得應變片靈敏系數(shù)。標準條件:一維應力:應變片軸向與主應力方向一致。試件材料:泊松比等于0.285的鋼材。實驗裝置:純彎矩梁或等強度梁。同時測量試件的應變及相應電阻變化。求則應變片的靈敏系數(shù): (3
19、-1)3.1.1.5 疲勞壽命是指安裝好的應變片,在一定的機械應變和溫度下,可以連續(xù)工作而不會產(chǎn)生疲勞損壞的循環(huán)次數(shù)。3.1.1.6 橫向效應橫向效應:應變片的核心部分是敏感柵。將電阻絲繞成敏感柵后,雖然長度不變,但其直線段和圓弧段的應變狀態(tài)不同,其靈敏系數(shù)K較整長電阻絲的靈敏系數(shù)K0小,該現(xiàn)象稱為橫向效應。橫向效應原因:絲繞式的敏感柵端部呈半圓形。如果安裝應變計的構(gòu)件表面存在兩個方向的應變,此圓弧端除了感受縱向應變外,還能感受橫向應變,后者即稱為橫向效應。若對測量精度的要求較高,應考慮橫向效應的影響并進行修正。圖3-2 絲繞式敏感柵如何較小橫向效應: 要減少橫向效應的影響,有效的方法是減小橫
20、向系數(shù)C。理論分析和實驗表明:對柵狀應變片,縱柵l越長,橫柵r越小,則C越小。因此采用短接式橫柵或箔式應變片,可有效克服橫向效應的影響。3.1.1.7 溫度效應溫度效應:是指溫度變化而引起應變片阻值改變的現(xiàn)象。溫度效應原因:應變片電阻率變化和長度變化引起的。3.1.1.8 極限應變極限應變:指在一定誤差范圍內(nèi),應變片能夠測量最大的應變值。3.1.1.9 零漂和蠕變零漂:是指貼在試件上的應變片,在溫度不變且試件無荷載作用時,應變片的指示值隨時間的變化。零漂原因:應變片受潮,絕緣電阻降低,應變片安裝的初始應力的松馳以及通電后熱電勢等造成。蠕變:是指貼在試件上的應變片,在恒定的溫度和荷載長時間作用下
21、,應變片的指示值隨時間變化的現(xiàn)象。蠕變原因:基底和粘貼劑發(fā)生松馳造成的。3.1.2 應變片的分類根據(jù)應變片的結(jié)構(gòu),功能和用途可以分為許多種類,如根據(jù)其電阻金屬材料、 形狀和基片材料等大致可做如下分類: 絲式應變片按電阻材料分類 箔式應變片 半導體應變片 單軸應變片按形式分類 多軸應變片 紙質(zhì)應變片 酚醛樹脂應變片 按基片材料分類 聚酯樹脂應變片 環(huán)氧樹脂應變片 聚酰亞胺樹脂應變片(1)應變片用金屬電阻絲一般用阿范斯電阻合金或康銅等銅鎳合金制成。應變片用金屬箔是銅鎳合金箔,制法是先將環(huán)氧樹脂覆蓋在銅鎳合金箔上,然后用照相法把應變片的圖案印在合金箔上,再用化學腐蝕法除去多余的部分,這樣復雜的圖案也
22、就很容易制造出來。(2)單軸應變片大多用在主應力已知的場合,它廣泛應用于一般的應變測試。其外形如圖3-2所示,其中短應變片用于局部應力和應力集中的測試; 長應變片用于混凝土和木材等平均應變的測試。多軸應變片(圖3-3)是在一個基片上放兩個以上的應變元件,分別以規(guī)定的角度放置。多軸應變片用于主應變方向未知時,以及用于檢測切應變的大小和方向時。(3)紙質(zhì)應變片是把薄紙基片浸透硝化纖維樹脂,再把金屬電阻絲和引出線用硝化纖維樹脂固定于紙片上的應變片上,但它的耐熱性能和耐濕性能都較差。圖3-3 單軸應變片(箔式)圖3-4 多軸應變片(箔式)(4)酚醛樹脂應變片是把薄紙基片浸透酚醛樹脂,再把金屬電阻絲用酚
23、醛樹脂膠粘在紙片上,然后加以固化的應變片。它與紙質(zhì)應變片相比,耐熱性和耐久性都較好。(5)聚酯樹脂應變片是把薄紙基片浸透聚酯樹脂的應變片,它差不多是透明的,因而易于看出被粘貼面上劃的線,粘貼起來方使。其耐熱性能好,測試溫度可達180左右。(6)環(huán)氧樹脂應變片和大部分箔式應變片是采用環(huán)氧樹脂做基片的。因其膠精性能好,所以性能極好。(7)聚酰亞胺樹脂應變片是用聚酰亞胺樹脂做的、耐熱性能很好的一種成變片,其測試溫度可達180左右。3.1.3 常用的幾種應變片3.1.3.1 絲繞式應變片絲繞式應變片特點(1)應變片基底很薄,粘貼性能好,能保證有效地傳遞變形。(2)穩(wěn)定性好,可用于各種特殊環(huán)境,如高溫、
24、超低溫,高壓液體、強磁場等。 (3)價格低。 (4)橫向效應大。圖3-5 絲繞式應變片3.1.3.2 短接絲式應變片特點:(1)橫向效應小,精度高。(2)短接部分易出現(xiàn)應力集中,影響疲勞壽命。(3)可做成溫度自補償應變片。圖3-6 短接絲式應變片3.1.3.3箔式應變片箔式應變片:敏感柵是采用金屬膜用光刻的制成。特點:(1) 箔式應變片尺寸準確,電阻離散小,可做成任何形狀;(2)散熱性能好,允許較大電流,可簡化測量電路;(3)橫向端部較寬,橫向效應??;(4)蠕變機械滯后都較小,疲勞壽命長;(5)大規(guī)模生產(chǎn),價格較便宜;(6)最為常用。圖3-7 箔式應變片3.1.3.4 半導體應變片原理:半導體
25、壓阻效應,對一塊半導體某一方向施加一定荷載,半導體電阻率產(chǎn)生電阻變化現(xiàn)象。圖3-8 半導體應變片3.1.3.5 特種應變片(1)如高、低溫應變片;(2)溫度自補償應變片;(3)大應變應變片;(4)錳銅應變片(高壓);(5)裂紋擴展應變片;(6)耐疲勞應變片;(7)測溫應變片。3.2 電阻應變儀前邊分析了電阻應變片,它可以將應變轉(zhuǎn)換為電阻的變化,而其測量電路的作用則是把這一電阻的變化轉(zhuǎn)換為與之有確定關系的電壓(或電流)變化。直接把應變片的電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓(或電流)變化的測量電路一般為電橋電路。由于應變一般是微小的,所以電阻的變化和電橋電路輸出的電壓(或電流)信號很小,需要對其進行放大、檢波等一
26、系列處理,因此通常將電橋電路、放大電路、檢波電路等組成一個整體儀器,稱為電阻應變儀。圖3-9 電阻應變儀3.3 應變測試系統(tǒng)應變測試系統(tǒng)最后輸出的電流,反映其被測應變,對于其他參數(shù)通過相應的變換器轉(zhuǎn)換成應變,都可以用應變測試系統(tǒng)進行測量。圖3-10 應變測試系統(tǒng) 第4章 應變測試的工藝要點4.1 應變片的選型實際應用時,選擇應變片應從測試環(huán)境、應變的性質(zhì)、應變變化梯度、粘貼空間、曲率半徑、測量精度和應變片自身特點等方面去加以考慮。測試的環(huán)境主要考慮溫度、溫度和電磁場等。應變的性質(zhì)分為靜應變和動應變,靜態(tài)應變測量選擇橫向效應較小的應變片;動態(tài)應變測量選擇疲勞壽命強的應變片。對于應變場均勻變化的被
27、測對象,對應變片柵長沒有特殊要求,可選柵長長的應變片,易于粘貼;對于應變梯度變化大的測點,可選用柵長較小的應變片??捎玫恼迟N空間也影響著應變片的選擇,特別是窄小空間宜選用柵長小的應變片。選擇的應變片應無氣泡、霉斑、銹點等缺陷,阻值在120±2以內(nèi),具有自補償?shù)膽兤?。根?jù)被測對象的不同選擇不同的應變片。用于混凝土應變測試的應變片要求敏感柵長度較長,如線型片敏感柵長度宜用60、70、80、120mm;箔式片的敏感柵長度宜用10、20、30mm。用于復合材料強度測試的箔式應變片敏感柵長度宜選用2、5mm。用于印刷電路板測試的箔式應變片柵長度宜選用0.2、1mm。木材、玻璃的應變測量宜選用
28、柵長為5mm的應變片。一般金屬、丙烯的應變測量宜選用柵長為16mm的應變片。應力集中測試宜用柵長為0.152mm的單或雙軸5片型應變片??臻g較窄的應變片測量和碰撞應力等快速狀態(tài)下的應變片測量宜選用柵長為0.121mm的應變片。還有專門用于測量殘余應力、大變形和測量螺栓軸力的專用應變片。單枚應變片一般用于測量單軸應變,應變花用于測量平面應力狀態(tài)。材料泊松比的測量宜選用正交的雙軸應變花。應力分析宜選用0/90/45度的三軸應變花。二軸90 應變花用于主應力方向已知的場合,三軸和四軸應變花則用于主應力方向未知的場合。60的應變片常用于彎曲校正(兩枚應變片位于同一橋臂上),120的應變片用于一般應力測
29、量,3501000 的應變片用于制作應變型傳感器。將單軸應變片按一定的形式可組合成不同樣式的應變花。常見的應變片或應變花有以下種類:圖4-1 常見的應變片或應變花4.2 選擇粘貼應變片用膠黏劑使用專用粘合劑把應變片粘貼到測量部位。測量部位產(chǎn)生的應變通過粘合劑和應變片的基底傳遞給敏感柵。為了精確地測量應變,選擇的應變片和粘合劑必須符合測量材料和使用溫度等使用條件。粘貼應變片所用的膠粘劑種類很多,選擇哪一種膠粘劑以及使用什么方法,對測試精度有很大影響。膠粘劑的種類,根據(jù)其化學成分可分為有機和無機膠粘劑兩種,一般使用的都是有機膠粘劑。有機膠粘劑又有常溫固化型和熱固化型兩種,因此在選用時應充分考慮其特
30、性。表4-1所示為各種基片材料的應變片適用的膠粘劑(這里溫度指的是最高使用溫度) 。表4-1 各種應變片所適用的膠黏劑膠黏劑應變片的種類紙酚醛樹脂聚酯樹脂環(huán)氧樹脂聚酰亞胺樹脂硝化纖維系60最適當不適用不適用不適用不適用膠黏劑紙酚醛樹脂聚酯樹脂環(huán)氧樹脂聚酰亞胺樹脂環(huán)氧樹脂系60100100100最適當100聚酯樹脂系60130180最適當150180氰基丙烯酸酯系60最適當1001001001004.3 應變片的粘貼應變片的粘貼步驟如下。(1)將粘貼應變片的部位磨光; (2)在粘貼部位劃線;(3)用丙酮或四氯化碳把粘貼面擦拭干凈;(4)涂敷膠粘劑;(5)把應變片粘貼上去;(6)使膠粘劑固化,用氰
31、基丙烯酸酷快速膠時,只需用手指壓緊即可,如用紅外線或用電吹風加熱,膠粘效果更好;(7)用兆歐表檢査應變片的粘貼狀態(tài) (應變片與粘貼面間的絕緣電阻大,表示粘貼良好);(8)把應變片的引出線粘??;(9)用錫焊把應變片引出線接頭焊牢;(10)把多余部分進行剪除、整理后,粘貼工作完成。應變片在測試中如果吸收了潮氣時,金屬絲間會產(chǎn)生漏電,導致電照變化、 膠粘力和電特性下降,為此需要在應變片表面上用合成橡膠等涂敷,進行防潮處理。具體的步驟圖如下:圖4-2 應變片粘貼步驟(1)圖4-3 應變片粘貼步驟(2)圖4-4 應變片粘貼步驟(3)第5章 應變測試的應用5.1 運動構(gòu)件的應變測量在研究機械強度時往往要求
32、在運動的構(gòu)件上進行應變測量,例如汽輪機葉片、柴油機的連桿和曲軸、水輪機主軸、拖拉機動力輸出軸等。因為在運動中測量,能直接反映真實工作情況,特別是對于一些載荷分析不太清楚的機械更具實際意義。(1)靜態(tài)應變 例如汽輪機葉輪由于離心力所產(chǎn)生的應變在一定轉(zhuǎn)速下是不變的,又如水輪機主軸在一定的功率與轉(zhuǎn)速下由于扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的應變亦是不變的,因此這些機械雖然在運動,但按應變性質(zhì)來講是屬于靜態(tài)應變。(2)動態(tài)應變 動態(tài)應變有下列幾種情況:1)周期性動應變 例如柴油機曲抽、機床傳動軸在彎矩作用下等速旋轉(zhuǎn),軸上各點應變?yōu)橹芷谛詣討儯?)隨機動應變 例如汽率以各種速度在路面行駛,傳動軸上應變變化沒有周期性規(guī)律是隨機的
33、3)沖擊式動應變 例如高速鍛沖桿受沖擊裁荷后,應變除了由于載荷瞬時增加外,還要引起振動,可以看成由許多不同頻率、不同幅值及不同初相位應變波形的組合。因此在測定運動機構(gòu)的應變時首先要對被測構(gòu)件的應變狀態(tài)進行分析,對靜態(tài)應變采用靜態(tài)應變儀按靜態(tài)應變測定方法進行。對動態(tài)應變要采用動態(tài)應變儀與記錄儀按動態(tài)應變測定方法進行。用電阻應變片來測量運動構(gòu)件上的應變,按基本原理來講與靜止構(gòu)件成變測量完全相同,但是在運動構(gòu)件上測量的工作條件要復雜得多,因此對應變片的防護、溫度補償、信號傳遞等提出了進一步要求,歸納起來有以下幾個主要問題:(1)機械構(gòu)件在高速運動時,由于與空氣或機械摩擦使構(gòu)件溫度升高,其特點是溫度分
34、布不均勻且不穩(wěn)定,對溫度補償需采取特殊措施;(2)高速運動構(gòu)件上的應變片受到慣性力和氣流的沖刷,因此對應變片和引線要進行防護,以防止損壞;(3)在旋轉(zhuǎn)運動構(gòu)件應變測量時,因應變片安裝在構(gòu)件上隨著構(gòu)件旋轉(zhuǎn),而應變儀是固定不動的,因此應變片的信號不能直接用導線傳遞給應變儀,否則要被絞斷,需采用集流器 (又稱引電器) 裝置;(4)對旋轉(zhuǎn)或其他運動形式構(gòu)件的應變測量,亦可采用無線電發(fā)射方法把應變片信號傳遞給測量儀器,避免了由于導線連接而引起的一系列同題,在電阻應變測量中稱為應變遙測技術。下面針對上述四個問題來進行討論。5.1.1 運動構(gòu)件應變測量中的溫度補償運動構(gòu)件溫度的產(chǎn)生有以下兩種原因,一種是由于
35、運動構(gòu)件在高溫介質(zhì)中工作,受到高溫介質(zhì)的影響,使構(gòu)件溫度升高,例如汽輪機葉片在高溫蒸汽下工作,第一級葉片溫度可達500600;另一種是由于構(gòu)件在高速運動時與氣流或機械摩擦而使溫度升高,根據(jù)實踐經(jīng)驗金屬構(gòu)件在高速運動時,與空氣摩擦線速度每增加200m/s,構(gòu)件溫度升高1520。這種運動構(gòu)件的特點是溫度雖不太高,但不同于室溫。因為被測定物質(zhì)都有自己的熱膨脹系數(shù),所以會隨著溫度的變化伸長或縮短。因此如果溫度發(fā)生變化,即使不施加外力,貼在被測定物上的應變片也會測到應變。為了解決這一問題,可以采用溫度補償法。(1)運動構(gòu)件一般不宜采用補償塊的溫度補償方法,這是因為構(gòu)件在運動過程中補償塊受到慣性力作用而可
36、能甩掉。同時由于溫度不均勻,補償塊很難和測點位置上溫度相同,得不到較好溫度補償,因此測量送動構(gòu)件上應變時,最好使用溫度自補償應變片。對于一般運動構(gòu)件采用l00150中高溫自補償應變片,在高溫介質(zhì)中工作的運動構(gòu)件,則根據(jù)工作溫度來選擇應變片和相應的黏結(jié)劑。圖5-1 半橋溫度補償(2)如果沒有溫度自補償應變片,可采用半橋溫度補償方法進行溫度補償。如下圖5-1所示,在被測物上貼上應變片(A),在與被測物材質(zhì)相同且無應變的材料上貼上應變片(D),并將其置于與被測物相同的溫度環(huán)境里。如圖所示,將兩枚應變片聯(lián)入橋路的相鄰邊,這樣因為(A),(D)處于相同的溫度條件下,由溫度引起的伸縮量相同,即由溫度引起的
37、應變相同,所以由溫度引起的輸出電壓為零。(3)對于在實驗臺上進行應變測量的構(gòu)件,最好把構(gòu)件用罩封閉起來,用真空泵抽成真空或減小進氣口,以減少氣流摩擦。(4)為了減少導線由于溫度變化所引起測量誤差,可以使用三線連接法。如下圖5-2所示,在應變片導線的一根上再連上一根導線,用三根導線是橋路變長。這種連接方式與雙線不同的地方是導線的電阻分別由電橋的相鄰兩邊所分擔。圖中,導線電阻r1串聯(lián)應變片電阻Rg,r2串聯(lián)R2,r3成為電橋的輸出端。各橋臂上的導線長度要相等,盡可能采用電阻溫度系數(shù)較低的導線(康銅、卡瑪?shù)?,并使等線通過相同溫度區(qū)域,以得到較好的補償。圖5-2 三線法示意圖5.1.2 運動構(gòu)件上應
38、變片和引線的保護在運動構(gòu)件上的應變片和導線除了承受一定的溫度外,還承受較大的慣性力和氣流的沖刷,這兩種力均可能使應變片與導線從構(gòu)件上剝離而破壞,因此對它們要進行保護。作用于導線和應變片上的慣性力分別等于它們的質(zhì)量和加速度的乘積,由于應變片的質(zhì)量很小,而用于應變片上粘結(jié)劑的粘貼抗剪強度一般均大于10MPa,對應變片來講可以承受6×10³N重力加速度所產(chǎn)生的慣性力而不至于剝高,這可從下面估算中看出,如一片5mm柵長應變片的重量小于2×10-4N,在6×l0³N重力加速度作用下其所受的慣性力為120N,5mm柵長應變片的底基面積為(6×10
39、)mm²,因此應變片總抗剪切力為600N,大于慣性力。一般高速運動構(gòu)件加速度不會超過6×10³N,因此只要粘貼質(zhì)量能夠保證,不會因慣性力而使應變片剝落。但是連接應變片上的導線,因粘貼面積小、質(zhì)量大,在高速運動構(gòu)件上要采用較好的固定方法。為了減少慣性力,導線直徑一般不超過0.5mm。沖刷力對應變片和導線的破壞比慣性力嚴重得多,一般在空氣中運動的構(gòu)件,由于構(gòu)件與氣流的相對運動而產(chǎn)生氣流沖刷,對應變片的保護只需在應變片粘貼后,用與粘貼應變片的同一種膠在應變片表面再除層直至整個應變片完全覆蓋為止,亦可在應變片再覆蓋一塊用點焊固定的不銹鋼薄片作為防護。但是對于像汽輪機葉片和
40、水輪機葉輪等在高速蒸汽或水流沖刷下應變片的保護,不能采用上述方法,在此情況下所產(chǎn)生的沖刷力十分巨大,甚至可把高強度合金制成的葉片上不平之處磨平或整塊剝落,因此應變片的防護十分困難,一般使用與構(gòu)件材料相同并具有一定剛度的防護罩罩住應變片和導線,用焊接方法在四周嚴密密封,焊后需經(jīng)過密封試驗,防止蒸汽或水流滲透而應變片破壞。導線的固定與防護有兩種方法:一種是粘貼法,在導線經(jīng)過的地方預先用噴沙或砂紙打磨及清洗處理 (注意葉片不能用砂紙打磨避免產(chǎn)生疲勞裂紋),先貼上一層拷貝紙,然后用膠把導線粘在粘貼好的拷貝紙上,導線要和拷貝紙完全服貼,不能有一點空隙和氣泡以防止,流吹入導線底部而破壞,粘貼導線后再用膠在
41、導線上蓋上一層拷貝紙,引線粘貼的加溫和加壓方法與應變片粘貼方法相同,用這樣的方法可承受較高慣性力和氣流沖刷。對于較高溫度的導線固定,可用點焊方法把不銹鋼薄片壓住導線,把整束導線緊緊包住不留空隙,用此方法時應注意導線敷設方向不能與慣性力方向一致。例如旋轉(zhuǎn)葉輪上的導線,按圖5-3 (a)所示通過圓心沿向敷設,則由于離心力,導線可以從箔片中抽出而破壞,正確敷設應該如圖5-3 (b)所示沿曲線方向敷設,這樣箔片可把導線擋住而不受離心力破壞。 對于慣性力較小軸上的導線可用膠帶或繃帶整個包緊就行。運動構(gòu)件上的導線布置要整齊,不能交叉,同時在拐彎處圓弧要大一些不留銳角,防止應力集中而破壞,對可能出現(xiàn)松動和間
42、隙的地方 (如軸與軸承連接處) ,要留有一定的長度以免拉斷。 對于某些動平衡要求較高的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件,在布置號線時還要考慮導線的對稱性,以免由于導線重量不對稱而引起動平衡的破壞。導線與應變片連接處焊點要小而光滑,為防止引線受力及疲勞損壞,在連接處需如圖5-4所示做一應力松弛圈。圖5-3 點焊法固定導線1-引線 2-固定箔片圖5-4 應力松弛圈圈5.1.3 旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的應變信號傳進裝置一集流器(引電器)在旋轉(zhuǎn)構(gòu)件應變測量時,應變片與構(gòu)件一起旋轉(zhuǎn),而應變儀靜止不動,因此在旋轉(zhuǎn)構(gòu)件與應變儀之同設置一連接器,以保證在旋轉(zhuǎn)構(gòu)件應變測量時,導線既不被絞斷,又能較好地傳遞應變信號。這種連接器在電阻應變測量技術中稱為
43、集流器,又因為它在應變片與應變儀之問傳遞應變轉(zhuǎn)換信號,所以又稱為引電器。集流器主要由兩部分組成:一部分與應變片的引出線連接,隨構(gòu)件轉(zhuǎn)動,稱為轉(zhuǎn)子。另一部分與應變儀等線連接,靜止不動稱為定子,轉(zhuǎn)子與定子能相對運動,又能傳遞構(gòu)件上應變片轉(zhuǎn)換的電信號,它亦可用來傳速熱電偶及各種傳感器等的電信號。圖5-5所示為葉輪離心力試驗時集流器的裝置示意圖5-5 葉輪應變測量裝置示意圖1-電動機; 2-增速器; 3-支座; 4-罩売; 5-葉輪; 6-應變片;7-引線; 8-接頭; 9-接線盤; 10-集流器; 11-應變儀5.2 高(低)溫條件下應變測量許多機械部件和結(jié)構(gòu)在各種溫度條件下負載運行,特別是大型動力
44、機械、化工設備以及航空、航天、原子能等工程結(jié)構(gòu)處于高溫或低溫下工作,除了解決材料本身強度問題外,研究結(jié)構(gòu)在機械應力及溫度應力綜合作用下的強度同題時,迫切需要進行模型或?qū)嵨镌跓釕B(tài)工況下的應力應變測量。特別是在高溫下測量條件比較惡劣,一般引伸測量儀表難于接近高溫,非接觸式的測量技術尚在研究階段,而用電阻應變片進行各種溫度條件下應變測量卻是可行的方法。其中,能經(jīng)受各種溫度水平的高、中、低溫應變片本身是解決應變測量技術問題的關鍵。我國已先后研制成150、200250、400、550以及-l00以下低溫等多種應變片,其中有的已有工廠生產(chǎn),更高溫度的應變片正在研制中;國外對高(低)溫應變片測量技術研究也很重視,已有專門工廠和公司生產(chǎn)供應650以下各種應變片,并正試制更高溫度的靜動態(tài)應變片。5.2.1 高(低)溫條件下應變測量的特點與常溫條件下電阻應變測量比較,高(低)溫條件下應變測量主要有三個特點。(1)應用專門制造的應變片,常溫應變片一般只適用于-3060,更高溫度下,應變片所用材料及性能都不大適用。因此,需專門制造適用于各種不同溫度水
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