第三講 電測技術(靜)

1、第三講第三講 結構靜態(tài)應變量測技術及應用結構靜態(tài)應變量測技術及應用一、電阻應變片一、電阻應變片 1、應變片的主要技術性能： 標距：指敏感柵在縱軸方向上的有效長度L。 規(guī)格：以使用面積LB表示。 電阻值：電阻應變儀測量電路中的電阻大多是120左右。靈敏系數(shù)：應變片的靈敏系數(shù)經(jīng)廠家抽樣實驗確定。溫度使用范圍：主要取決于膠合劑的性質，可溶性膠合劑的工作溫度約為-20+60；經(jīng)化學作用而固化的膠合劑，其工作溫度約為-60+200。 2 2、電阻應變片的工作原理、電阻應變片的工作原理 利用金屬絲的電阻隨其變形而改變的物理性質，即“電阻應變效應”制成的。 ALRAdALdLdRdR22LdLAdALdLL

2、dLCVdVCd)21 (0)21 (21KCRdR K0為金屬絲的靈敏系數(shù)，其物理意義為單位應變引起的電阻的相對變化。 用金屬絲制成的電阻應變片的靈敏系數(shù)K與金屬絲的靈敏系數(shù)K0一般是不同的，因為應變片的敏感柵是將金屬絲或箔作成了柵形，并粘貼在基底上，因而應變片的靈敏系數(shù)受粘貼劑、基底尺寸、基底材料和制造工藝的影響。當基底尺寸遠大于敏感柵尺寸時，應變片的靈敏系數(shù)K與絲（箔）的靈敏系數(shù)K0間關系為 bsbEELAabhKK)1 (410式中 h基底和粘結劑層總厚度，b基底和粘結劑傳遞應變到敏感柵的過度區(qū)有效寬度，a過渡區(qū)的長度，A敏感柵的絲柵截面積，L敏感柵長，b基底和粘結劑層的泊松比，Es基

3、底粘結劑層彈性模量，Eb敏感柵材料彈性模量。過渡區(qū)長度a和寬度b可由試驗得到，它們隨敏感柵彈性模量和厚度以及粘結劑厚度增大而增大，隨基底和粘結劑彈性模量泊松比增加而減小。 3 3、應變片靈敏系數(shù)的標定、應變片靈敏系數(shù)的標定 應變片的靈敏系數(shù)K是指，將應變片安裝在處于單向應力狀態(tài)下的試件上，它的電阻相對變化（R/R）與由此引起的試件表面軸向應變之比，即： RRK靈敏系數(shù)的標定可在純彎曲梁或等強度梁上進行。 （1 1）真實應變）真實應變 的量測的量測 lclflh224312（2 2）電阻變化）電阻變化R/RR/R的量測的量測 加載后應變片電阻的變化R/R可用精度較高的電阻應變儀來量測。標定時將應

4、變片按半橋連接在應變儀上，應變儀上的靈敏系數(shù)調至K=2.0（該值并不是應變片的真實靈敏系數(shù)）。加載后從應變儀可讀出量測應變 ，則應變片電阻的相對變化為 iiKRR 同一個應變片在相同荷載作用下，無論用什么樣的方法量測所得到的電阻變化應相同，即由千分表（或百分表）測得應變 后，代入 式，計算出的電阻變化也應同上式計算出的電阻變化值，即 lliKRRiliKKRRliliKRRKniKK4 4、應變片的分類、應變片的分類 （1）絲柵式應變片絲柵式應變片 （2 2）箔式應變片）箔式應變片 箔式應變片的敏感柵是用厚度為25m（最薄的達0.35m）的金屬箔片通過光刻腐蝕工藝制成的。 （3 3）特殊結構的

5、箔式應變片）特殊結構的箔式應變片 它的電阻值和靈敏系數(shù)能夠進行調整。如調節(jié)A區(qū)可使電阻改變，K 值下降；B區(qū)使電阻改變而K值保持不變。 （5 5）半導體應變片）半導體應變片 （4）金屬薄膜式應變片）金屬薄膜式應變片 薄膜是指厚度在0.1m以下的膜，它是采用真空的濺射或真空沉積等方法，通過圖形掩膜版，在基底材料上濺射或沉積一層電阻材料薄膜而制成的。 由半導體材料制成的應變片，當晶體受到外力作用時，其電阻率發(fā)生變化，這種性質稱為壓阻效應。它的靈敏系數(shù)比金屬的高幾十倍，敏感柵尺寸可很小。 （6）特殊應變片）特殊應變片 1 1）溫度自補償應變片）溫度自補償應變片 溫度效應溫度效應用應變片測量應變時，應

6、變片除能感受試件的應變外，由于環(huán)境溫度變化的影響同樣也使應變片電阻發(fā)生變化，這種變化稱為溫度效應。 溫度使應變片阻值發(fā)生變化的原因有二：一是當溫度改變時絲柵的阻值發(fā)生變化；二是試件材料與應變片絲柵的線膨脹系數(shù)不相等。因此當被測構件環(huán)境溫度發(fā)生T的變化時，應變片的電阻變化為： tt ttRRRTKRRTRRtt t絲件;TRKRt絲件由于溫度的變化產生的應變值 TKt絲件0tR絲件K2）裂縫擴展應變片）裂縫擴展應變片 在斷裂力學試驗中使用的裂縫擴展應變片，可檢測構件在荷載作用下裂縫擴展過程和擴展速率。3）疲勞壽命應變片）疲勞壽命應變片這種應變片是由經(jīng)過高溫回火的康銅箔制成絲柵，夾在兩層浸過環(huán)氧或

7、酚醛環(huán)氧的玻璃纖維布中制成的。當應變片承受循環(huán)荷載時，絲柵發(fā)生冷作硬化，使電阻發(fā)生變化，此種積累的電阻變化可由下式表示： ORqRhNlglglg1lg4）測壓應變片）測壓應變片 對于108Pa以上的靜水壓可用特殊的測壓片進行測量。測壓片的敏感柵用經(jīng)過熱處理的錳銅合金絲（箔）制成，敏感柵粘貼在聚酰亞胺薄膜或浸環(huán)氧樹脂的玻璃纖維布的基底上。 5）大應變應變片（塑性應變片）大應變應變片（塑性應變片）大應變應變片如圖所示，可以測量10%20%大應變或超彈性范圍應變。大應變應變片采用雙段引線，以免細的柵絲與粗引線在大變形時產生應力集中。箔式大應變應變片的引線應彎成弧形，然后再焊接。敏感柵是由經(jīng)過大變形

8、處理后再進行退火的康銅箔制成，在整個應變范圍內靈敏系數(shù)不變。 應變片量測主要特點是：應變片量測主要特點是：（1）結構簡單、尺寸小、重量輕、一般不會干擾構件的應力狀態(tài)，目前最小標距0.2mm的應變片適用于應力梯度變化較大的應變量測，安裝方便；（2）靈敏度高，最小應變讀數(shù)1（微應變，10-6m/m）； （3）測量應變量程大,一般為1042104，特殊的大應變電阻應變片可量測1052.5105應變量；（4）頻率響應快，頻響特性好；（5）使用壽命長，性能穩(wěn)定可靠；（6）若將應變片通過轉換元件制成各種用途的傳感器，可測量力、壓力、位移、扭矩、加速度等力學量，也可作為控制、監(jiān)視用的敏感元件；（7）可用于高

9、低溫（-273+2000）、高速、高壓（上萬個大氣壓）、液下（長期浸沒于水中）強烈振動、強磁場、核輻射、和化學腐蝕等惡劣條件下的量測；（8）由于是電信號的傳遞，可進行遠距離的量測； （9）應變量測輸出的電信號，便于模擬或數(shù)字記錄，易于實現(xiàn)測試全過程的自動控制和數(shù)據(jù)實時處理； （10）易于實現(xiàn)小型化，整體化。目前已有將測量電路甚至A/D轉換與傳感器組成一個整體，傳感器可直接接入計算機進行數(shù)據(jù)處理，這就簡化了測試系統(tǒng)。 應變量測主要缺點和局限性是：應變量測主要缺點和局限性是：（1）一般對測量構件表面的應變比較方便，若量測構件內部的應變就要埋入轉換元件或采用埋入式應變片，這樣會影響內部應力的分布；（

10、2）應變量測通常是單點測量，難以得到應變、應力場的全貌；（3）應變片所測應變值是應變片覆蓋面積內構件表面的應變平均值，對于應力梯度較大的區(qū)域，測量誤差較大；（4）在大應變情況下有較大的非線性，半導體的非線性更為明顯；（5）應變片的輸出信號較微弱，抗干擾能力較差，測試時要用屏蔽線。 二、電阻應變式傳感器二、電阻應變式傳感器 傳感器一般由彈性元件、傳感元件和測量電路三部分組成，有時還加上輔助電源，通常可用方框圖表示 1 1、測力或稱重傳感器、測力或稱重傳感器 2 2、壓力（壓強）傳感器、壓力（壓強）傳感器 222222221833183xrEhpxrEhpr（1 1）膜片式壓力傳感器）膜片式壓力傳

11、感器 （2）筒式壓力傳感器筒式壓力傳感器 1)/(22nwDDEp對于薄壁圓筒，可用下式計算 5 . 012EpDn（3）組合式壓力傳感器組合式壓力傳感器 3、位移傳感器位移傳感器 3312hbElPx 4328dGDnPxPdGDnhbElx433382EahbP133kGdaEDhbnalx4333138132常用位移傳感器結構示意圖4 4、加速度傳感器、加速度傳感器 5 5、傾角傳感器、傾角傳感器 6 6、應變式土壓力傳感器（壓力盒式傳感器）、應變式土壓力傳感器（壓力盒式傳感器） （1 1）無油腔應變式土壓力傳感器）無油腔應變式土壓力傳感器 2 2、雙彈性薄板式土壓力傳感器、雙彈性薄板式

12、土壓力傳感器 （3 3）帶油腔應變式土壓力傳感器）帶油腔應變式土壓力傳感器 三、三、 應應 變變 測測 量量 1、電阻應變儀的測量電路、電阻應變儀的測量電路 電橋是將應變片（或應變片式傳感器）所感受到的應變轉換為電壓或電流信號的一種測量電路。電橋測量電路是由電阻應變片或電阻應變片與電阻組成橋臂，電阻應變片接入電橋中的方式有1/4橋（單臂橋）、半橋、全橋，可根據(jù)測量需要進行選擇。 43213241RRRRRRRRUUg（1）1/4橋路 在四支橋臂中，僅有一個橋臂的電阻是外接的應變片（工作片），而其余橋臂采用無感電阻的橋路稱1/4橋路。 KUURRURRRRRRRUg44222（2）半橋橋路 在橋

13、路中R1、R2為應變片，R3、R4為應變儀內的固定電阻。 )(421432211322411KUURRRRRRRRRRRRUg（3）全橋橋路 當四個橋臂均為應變片，且均發(fā)生電阻變化時，即R1R1+R1，R2R2+R2，R3R3+R3，R4R4+R4，則可得下式： 4321432143212432143213241442422KURRRRRRRRUURRRRRRRRRRRURRRRRRRRRRRRRRUg橋路的性質橋路的性質： 橋路電壓的輸出與各橋臂的電阻變化（或應變）的代數(shù)和橋路電壓的輸出與各橋臂的電阻變化（或應變）的代數(shù)和近似為線性關系；且與相鄰橋臂應變變化之差，相對橋臂應變近似為線性關系；

14、且與相鄰橋臂應變變化之差，相對橋臂應變變化之和成正比。變化之和成正比。 當相鄰橋臂的應變變化大小相等，符號相同；相對橋臂應變變化大小相等符號相反，不改變電橋的平衡狀態(tài)，此時無法量測所需要的應變值。與此相反，若相鄰橋臂的應變變化大小相等，符號相反；相對橋臂應變變化大小相等，符號相同，則電壓輸出增加一倍，因而提高了量測的靈敏度。（在推導過程中，假定了RR，而略去了分母中R的影響，得出電橋輸出電壓與應變成正比的結論。） 43214KUUg 如果能合理利用橋路的性質，不僅能提高測量精度，還能從復雜受力構件中測出與某種內力相應的應變，從而可知該測點的應力或應力狀態(tài)，進而計算結構的內力分量。 2 2、橋臂

15、上應變片的串聯(lián)與并聯(lián)、橋臂上應變片的串聯(lián)與并聯(lián) nUKUg14n21 橋臂的應變片串聯(lián)接法、并聯(lián)接法時并不能提高電橋的輸出，其應變讀數(shù)為各單片應變讀數(shù)的平均值。 四、靜態(tài)量測的若干技術問題的討論四、靜態(tài)量測的若干技術問題的討論（一）應變狀態(tài)分析、應變花應變狀態(tài)分析、應變花 用疊加原理可導出平面問題直角坐標系中應變分量x、y、xy與任意方向應變m、n、mn的關系如下: 2cos2sin2sin22cos222sin22cos22yxyxnmyxyxyxnyxyxyxm 為了用實驗方法求x、y、xy，就需要通過該點在xy平面內，沿任意三個方向粘貼應變片 。 為了粘貼方便和簡化計算，往往將三個敏感柵

16、制在同一基底上形成應變花，一般應變花的角度成0、45和90或0、60和120。 （二）量測技術（二）量測技術 影響應變量測因素有很多，如溫度、濕度、應變片粘貼方向、長導線的電阻和電容等。 1、溫度影響及補償方法、溫度影響及補償方法溫度補償有兩種方法：橋路補償法；應變片自補償法。（1）橋路補償法）橋路補償法(利用橋路的性質利用橋路的性質)：1）將與R1阻值相同的應變片R2粘貼在一個與試件材料相同的試塊上（不受外力作用），將其置于試件附近，使其與試件有相同的溫度變化。將R1、與R2組成半橋，測試結果僅為試件受力后產生的應變值。2）某些結構或構件存在著應變符號相反，比例關系已知，溫度條件又相同的二個

17、或四個測點，可以將這些應變片中應變符號不同的應變片接在相鄰的橋臂上，這樣在等臂的條件下，即都為工作應變片，又互為溫度補償片。（2）應變片自補償法：）應變片自補償法：當找不到一個合適的位置來安裝溫度補償片時，或者工作片與補償片的溫度變化不相等時，應采用溫度自補償片。2、濕度影響、濕度影響 環(huán)境濕度會對電阻應變測量帶來許多不利的影響，主要反應在以下幾個方面：（1） 粘貼膠受潮后軟化膨脹、粘結力下降，降低膠層傳遞應變的能力；（2）膠層吸潮后膨脹，迫使應變片伸長，增加附加電阻，當電流通過應變片時，溫度升高，水分蒸發(fā)且膠層收縮，應變片隨著縮短，電阻又減小，使其讀數(shù)不穩(wěn)定；（3）引起絕緣電阻下降，造成應變

18、讀數(shù)不穩(wěn)定，甚至無法測量。為避免環(huán)境濕度的影響，應變片在粘貼過程中要采取有效的防潮措施。 3 3、應變片柵長的選擇、應變片柵長的選擇 應變片量測的是柵長范圍內的平均應變，其誤差由柵長和柵長范圍內的應變梯度決定。 設應變片柵長范圍內應變分布可用多項式表示： 332210 xaxaxaax 只有當產生的應變?yōu)榫鶆驊兓虬淳€性規(guī)律變化時，才能用柵長L內的平均應變 代表柵長中點M的應變 。 aM對于按二次函數(shù)變化的應變，平均應變?yōu)?32/22100LaLaaLdxLxa而中點M的應變?yōu)?422210LaLaaM 與 之差為 aM2212LaMa4 4、應變片粘貼偏位的影響、應變片粘貼偏位的影響 應變片

19、粘貼方位若與預定的基準方位不重合，會給測量帶來一定的誤差 設預定貼片的基準線與該點主應變方向的夾角為，則基準線方向與主方向應變間的關系為： 2cos222121)(2cos222121sin2sin2cos2cos22121 當主方向已知時，沿主方向貼片誤差最小，而沿45方向貼片誤差最大。 例如：對于平面應力狀態(tài)，例如1=-2，則有 sin2sin212cossin)2sin(2e若=0，=1時，e=0.06%；=5時，e=1.5%。若=30，=1時，e=6.10%；=5時，e=32%。 對于3-60應變花，其誤差等于零。所以若主應變方向未知時，選用3-60應變花比3-45應變花角偏差引起的誤

20、差小。 5 5、長導線的影響、長導線的影響 進行遠距離量測時，由于導線較長，導線電阻r與應變片電阻R相比不可忽略，導線分布電容也較大，這將影響應變測量結果。若工作片和補償片的導線受不同溫度影響時，也帶來讀數(shù)誤差。 （1）導線電阻的影響 導線電阻r與應變片電阻R是串聯(lián)在應變儀橋臂上的，而導線電阻不隨應變發(fā)生變化。導線電阻的存在必然使應變測量值減小，必須按不同橋路接法進行修正。 AB橋臂的電阻為R=R+2r KrRR2RrR2RrRRrR2（2）導線電容的影響 導線間分布電容，只有在使用交流供橋的應變儀時才考慮其影響。若橋路中初始電容已平衡，則導線的電容影響可不考慮。若導線的間距受外界（如風、水流

21、）因素的影響而發(fā)生抖動，使導線間的電容發(fā)生變化，則會影響測量的精度。分布電容的存在會影響電橋靈敏度，一般由此引起的測量誤差可寫成： %100222RCec（3）導線溫度的影響 因一般用的銅導線有較大的電阻溫度系數(shù)（約410-3/），若測量應變片和補償應變片的導線溫度變化不同（例如相差1，導線電阻RL為應變片電阻的1%時），所引起的附加應變約20。因此在測量時導線的長度、規(guī)格及導線所處的溫度環(huán)境應相同。當導線長度較長時，若工作片與補償片的導線受不同溫度影響，也會帶來讀數(shù)誤差。由于導線的溫度不同而引起的應變讀數(shù)（即溫度漂移值）為 rRKTrt線式中 導線電阻溫度系數(shù)； r導線電阻值（1/4橋、全橋

22、為2r，半橋為r）； T溫度改變值。 6 6、應變片橫向效應的影響、應變片橫向效應的影響 應變片的敏感柵除軸向直線外，還有圓弧形（或垂直于軸向的短直線）的橫柵。當應變片變形時，不僅有沿柵長方向的電阻變化，還有橫向的電阻變化，這橫向的影響稱為橫向效應。橫向效應采用橫向效應系數(shù)H來表示，它是橫向靈敏系數(shù)KB和軸向靈敏系數(shù)KL之比，一般H3%。 LBKKH 1222121111HKKHKKKKKKRRLiLBLi HKKL1五、殘余（初始）應力測量五、殘余（初始）應力測量 金屬結構或機器零件經(jīng)過焊接方法加工后，會在其內部產生焊接殘余應力，殘余應力的峰值往往達到或超過基本材料的屈服極限 。當這些焊接構

23、件投入使用時，它們所受載荷引起的工作應力與其內部的焊接殘余應力相疊加，將導致焊接構件產生二次變形和焊接殘余應力重新分布。焊接殘余應力和變形在一定條件下會嚴重影響焊件的強度、剛度、受壓時的穩(wěn)定性、加工精度和尺寸穩(wěn)定性等。因此，對焊接殘余應力進行研究分析和測量，掌握其產生和存在規(guī)律性，是為了對其采取各種技術措施，改善其分布特性，以期提高焊接結構或接頭的承載能力，延長使用壽命，預防失效事故。s 焊接殘余應力的產生和分布：焊接殘余應力的產生和分布： 焊接時一般采用集中熱源在局部加熱，因此在焊件上產生不均勻溫度場。這種溫度場在絕大多數(shù)情況下是非線性分布的。不均勻溫度場使材料不均勻膨脹，處于高溫區(qū)域的材料

24、在加熱過程中的膨脹量大，受到周圍溫度較低、膨脹量較小的材料的限制而不能自由地進行。于是焊件中出現(xiàn)內應力，使高溫區(qū)的材料受到擠壓，產生局部壓縮塑性應變。在冷卻過程中，已經(jīng)經(jīng)受壓縮塑性應變的材料，由于不能自由收縮而受到拉伸，于是焊件中又出現(xiàn)一個與焊接加熱時方向大致相反的內應力場。 金屬構件在焊接過程中由于受到局部加熱而在焊縫及其附近區(qū)域產生壓縮塑性變形區(qū)，該區(qū)是產生焊接殘余應力的根本因素。在焊接過程中，隨時間而變化的內應力為焊接瞬時應力。 焊后當焊件溫度降至常溫時，殘存于焊件中的內應力焊后當焊件溫度降至常溫時，殘存于焊件中的內應力則為焊接殘余應力則為焊接殘余應力。 焊后殘留于焊件上的變形則為焊接殘

25、余變形焊后殘留于焊件上的變形則為焊接殘余變形。 在實際焊接構件中，殘余應力分布是由一定規(guī)律的，一般都是以雙向應力或三向應力狀態(tài)出現(xiàn)。焊接應力和變形的分布和大小取決于：焊接應力和變形的分布和大小取決于： 材料的線膨脹系數(shù)、彈性模量、屈服點，焊件的形狀、尺寸和溫度場。而溫度場又與材料的導熱系數(shù)、比熱、密度以及焊接工藝參量和條件密切相關。 由于焊接過程的溫度變化范圍大，上述材料的各種系數(shù)有很大的起伏，特別是牽涉到材料的相變時，可能引起焊接應力的反復。這些情況使焊接應力變形問題十分復雜，因此在實踐中往往采用理論和數(shù)值分析與實驗相結合的方法來掌握焊接應力變形的規(guī)律和影響因素，最終達到預測、控制和調整它們

26、的目的。 經(jīng)過長期的實踐和研究，發(fā)現(xiàn)焊接殘余應力具有如下一些特性：(1) 自相平衡特性自相平衡特性 焊接殘余應力是內應力的一種，拉、壓應力同時存在于一個構件中，并且互相平衡。在無外界因素干擾的情況下，拉、壓應力的分布特征將長期保持穩(wěn)定。(2) 遵循應力疊加原理遵循應力疊加原理 未經(jīng)消除殘余應力的焊接構件投入使用時，由載荷所引起的工作應力將與焊接殘余應力互相疊加。如果兩種應力的性質不同、方向相反，疊加的結果將提高構件的承裁能力；如果兩種應力的性質和方向相同，疊加后的應力數(shù)值往往在構件的局部區(qū)域超過材料的屈服極限。后一種情況對塑性和韌性較好的材料，將不降低其強度而僅僅影響其剛度，但對于脆性材料的構

27、件，疊加后的高應力水平可能導致局部破壞或提前失效。(3)產生產生“應力重分布應力重分布”現(xiàn)象現(xiàn)象 當焊件的外部因素(如載荷、溫度等)引起的應力與殘余應力相疊加超過后，將在焊件的局部區(qū)域產生塑性變形，如果此時消除外部因素的作用，構件不但不能回復原有的幾何形狀，而且還將改變殘余應力的分布情況，應力峰值將減小。把上述現(xiàn)象稱為“二次變形。和“應力重分布”。二次變形將使構件的形狀和尺寸精度發(fā)生變化，降低其使用性能，而應力重分布則使殘余應力的數(shù)值降低，可以提高焊件的承載能力和使用壽命。在某些工程結構上利用殘余應力重分布的特性，進行所謂超載試驗。以改善焊接殘余應力的分布，已被證明是行之有效的技術措施之一。

28、(4)沒有明顯的外部表現(xiàn)沒有明顯的外部表現(xiàn) 焊接殘余應力和殘余變形是同時產生的。殘余變形是生產單位極為重視的，而殘余應力的存在則不易被察覺，甚至往往被忽略。焊件在服役過程中，一旦發(fā)現(xiàn)殘余應力的存在和作用時，它早已造成某種事故，例如精度下降或局部破壞等。因此，通過測試等手段掌握焊接殘余應力的分布，就成為控制和改善它的先決技術措施。殘余應力測試方法有兩大類：(1)物理方法 如X射線法、超聲法和磁性應變法。(2)機械方法 實際是采用應變電測方法測殘余應力。 （一）鉆孔法測量殘余應力的基本原理（一）鉆孔法測量殘余應力的基本原理 鉆孔前，應變片R1（r、）的應力狀態(tài)為： 2sin)(212cos)(21

29、)(212cos)(21)(212102121021210rr鉆孔后R1點應力狀態(tài)為2sin23122cos312122cos431212224421144212221122442122211rarararararararr鉆孔前后應力變化即釋放應力為： 2sin2322cos3222cos4322224421014421222101224421222101rarararararararrrrrr)(1)(1rrrEE由平面應力狀態(tài)的廣義虎克定律 2cos41321212244212221rararaEr2cos41321212244212221rararaE224422413212)1 (r

30、araEBraEA2cos2121BAr3212133221212212121112cos2cos2cosBABABArrr若1=，2=+90，3=+225則上式可寫成： 2sin2cos2cos212133212122212111BABABArrr122132213221212 , 1222414tgBA式中A，B稱為釋放系數(shù)，為主殘余應力1與應變片R1柵長方向間的夾角。 （二）用實驗方法測定釋放系數(shù)（二）用實驗方法測定釋放系數(shù) 用單向拉伸試件測定A，B ，應變花中R1與試件的軸線重合 此時，2=0，=0， 222121BA1鉆孔后R1的釋放應變；2鉆孔后R2的釋放應變； =P/A，A為試件

31、的截面積。 測試釋放系數(shù)時應注意的問題： （1）測釋放系數(shù)的試件材料應與測殘余應力的結構（或零件）材料相同，并進行退火處理，使之不存在初始應力。 （2）拉力P應均勻地施加在試件的截面上，并使=P/A1/3s（s為材料的屈服極限）。 （3）鉆孔中心距試件邊界應大于或等于8d，試件厚度應大于或等于4d，在同一試件上進行多鉆孔測定A，B時，相鄰兩孔中心距離應大于或等于（58）d，因此時d為鉆孔孔徑。 （4）應盡量消除鉆孔時產生的切削應力。 0r（三）鉆孔法測殘余應力的實驗技術及誤差分析（三）鉆孔法測殘余應力的實驗技術及誤差分析 附加應變附加應變 用麻花鉆或銑刀加工小孔，由于切削而在孔壁引起塑性變形，

32、從而產生附加應力。這種附加應變必須從測量中消除。有人提出用電火花加工、化學腐蝕、激光打孔等方法加工小孔，附加應變都可以很小，但目前還未見到有關這方面的報道。有些材料如高強鋼、淬火后零件、玻璃、陶瓷等材料，很難用鉆頭鉆孔，另外用鉆頭鉆孔會產生較為離散的附加應變。國內外現(xiàn)行的打孔方法有兩種：1）噴砂打孔法）噴砂打孔法2）極高速鉆孔法）極高速鉆孔法 大量的實驗研究表明，附加應變與測點的原有殘余應力有關。測點處如原有為拉應力，則拉應力越大，附加應變也越大，若為壓應力，則壓應力越大，附加應變越小，甚至為零。 誤差分析誤差分析殘余應力測試誤差主要來源于以下幾方面：鉆孔中心與應變花中心不重合；孔徑分散、孔的

33、不圓度及孔深誤差；鉆孔時產生的附加應變；構件厚度較大，殘余應力在厚度方向非均勻分布等； 一般殘余應力的測量誤差在5%10%之內。 （四）消除殘余應力的方法（四）消除殘余應力的方法： 1.高溫回火法 （1）整體高溫回火； （2）局部高溫回火； 2.加載法 （1）機械拉伸法； （2） 溫差拉伸法； 3激振法 (1) 振動法； (2) 爆炸法。對接板試件縱向殘余應力分布圖（五）其他測試方法簡介（五）其他測試方法簡介 1、X射線法射線法 金屬材料是由按一定點陣排列的晶體組成的，而晶體內某一取向的晶面之間的距離是一定的。若能測量出自由狀態(tài)(無應力狀態(tài))下的晶面間距與在某一應力作用下的晶面間距的差值，就能

34、計算出作用應力的大小來。x射線衍射法就是以晶面間距作為應變測量的基長（標距），通過測量晶面間距的變化來確定應力數(shù)值的。 2、磁測法、磁測法 鐵磁物體在磁場中磁化時，沿磁化方向上的長度會伸長或縮短，稱之為磁致伸縮效應不同材料的磁致伸縮效應是不同的。有的隨著磁場強度的增加而伸長，有的則縮短。以鐵言，在磁化方向上會伸長，而在垂直于磁化方向上反而縮短。這種現(xiàn)象稱之為正磁致伸縮效應。在初始磁化階段，在具有正磁致伸縮效應的鐵磁體中，當施以彈性變形(即有應力作用)時，沿拉伸方向上磁化所消耗的能量要比垂直于拉伸方向時小得多，即在拉伸方向較易磁化。這樣，由于應力的作用，原來宏觀上各方向導磁率相同的磁各向同性體，

35、變?yōu)榇鸥飨虍愋泽w。磁性法測定殘余應力就是通過測得某一小范圍內各個方向的導磁率的變化，來反映出這區(qū)域的應力狀態(tài)的。用高導磁材料制成的傳感器(探頭)與受力物體表面接觸，形成一閉合問路。當應力變化時，磁場發(fā)生變化，探頭磁路中的磁通也發(fā)生變化。這樣，通過探頭中的感應線圈，可以將磁場變化轉向為電流變化，并由電流變化測出應力變化。 3、超聲波法、超聲波法 聲彈性研究表明，沒有應力作用時超聲波在各向同性的彈性體內的傳播速度，與有應力作用時的傳播速度是不同的。傳播速度的差異與所作用的主應力的大小有關。因此，如果能分別測得，無應力和有應力作用時彈性體內橫波和縱波傳播速度的變化，就可以解得主應力。六、高壓液下應變

36、量測六、高壓液下應變量測 高壓液下應變量測需解決三個特殊問題：高壓液下應變量測需解決三個特殊問題： 1、應變片與導線的防護問題； 2、引線裝置與密封問題； 3、壓力效應的補償問題。 （一）應變片與導線的防護應變片與導線的防護 1、機械防護 2、涂層防護 涂層法是在應變片上和引出線周圍涂一層或幾層具有以下特性材料：良好的絕緣性和粘結能力、有較好的塑性、低彈模、無毒無腐蝕作用、穩(wěn)定的壓力和溫度效應、可在常溫下固化、使用方便等特點。 （二）引線裝置（二）引線裝置 （三）壓力效應（三）壓力效應 粘貼于高壓液下容器內壁的應變片，除隨容器受壓變形引起電阻值的變化外，因受高壓的作用應變片將產生附加應變，帶來

37、測量誤差，這種現(xiàn)象稱為壓力效應。必須將它從應變讀數(shù)中扣除或用補償?shù)姆椒▽⑵湎?1 1、試塊法：、試塊法： 容器內的試塊受三向均勻壓力，因此應變讀數(shù)中包括試塊變形產生的應變p和壓力效應產生的應變c和溫度產生的應變t11tcp容器外的試塊只受溫度的影響 22tpEpppEp211試塊在三向均勻壓力作用下的應變?yōu)?pEc2121tt2 2、圓筒軸向應變法、圓筒軸向應變法 將兩個應變片分別粘貼在圓筒內外壁對應的位置。根據(jù)彈性理論分析的結果，容器內外壁軸向應變應相等。按半橋接法 。 AB橋臂（R1）產生的應變：111tcLBC橋臂（R2）產生的應變：222tL則應變儀上的讀數(shù)為： )(2211tLt

38、cL2121,ttLLc（四）高壓液下應變量測（四）高壓液下應變量測 在高壓液下隨著壓力的增加，介質溫度將發(fā)生變化，例如，壓力每上升10MPa，油溫升高1.2，水溫升高0.7。貼在容器內部的應變片的溫度也將隨之發(fā)生變化。因此，必須采取溫度補償措施。同時由于壓力效應的存在，必須盡可能地通過補償?shù)姆椒ㄏ溆绊憽?AB橋臂1111tcLBC橋臂 222tcp pttccLtcptcL212112211121)()(21ttpEccL21211pEL21121cc七、旋轉構件的應變量測七、旋轉構件的應變量測 在旋轉狀態(tài)下，測量應力應變時需著重解決以下幾個問題： （1）應變片溫度補償問題。（2）應變片和導線的防護問題。（3）待測的旋轉信號與靜止儀器的連接問題。 （一）溫度補償問題（一）溫度補償問題旋轉構件的溫度升高主要有兩個原因：（1）運動構件在高溫介質中工作。（2）旋轉構件在高速運動時與周圍空氣摩擦使構件溫度升高。因此對于旋轉構件的應變量測來說，溫度補償是一個非常重要的問題。 （二）應變片和導線的防護應變片和導線的防護 旋轉構件上的應變片和導線，除受溫度影響外還承受較大的慣性力和氣流沖刷力。若不進行很好的防護，可能會使應變片尤其是導線從構件上剝離，使實驗無法進行。因此旋轉構件應變片和導線的防護也是一個非常重要的問題。 導線的防護主要有