(完整版)應(yīng)變測試原理及工程實例

1、應(yīng)變測試原理及工程實例每次面世的新型汽車或火車都在輕型化上下了很大功夫，以提高其速度及節(jié)省燃料。雖然使用薄的或細的輕型材料可以實現(xiàn)輕型化（效率化），但是如果不能保證必要的強度的話對安全性會有很大影響。相反，如果只考慮強度的話就會使重量增加，對經(jīng)濟性造成影響。因此，在機構(gòu)的設(shè)計上，安全性與經(jīng)濟性的協(xié)調(diào)也是非常重要的因素。為了在設(shè)計上既要保持這種協(xié)調(diào)性，又要保證強度，就必須要知道材料各個部位的“應(yīng)力”。但是，以現(xiàn)有的科學(xué)水平，無法對這種應(yīng)力進行直接測量及判定。因此要對表面的“應(yīng)變”進行測量，進而計算出內(nèi)部的“應(yīng)力”。1應(yīng)變測量原理1.1基本概念所謂“應(yīng)力”，是在施加的外力的影響下物體內(nèi)部產(chǎn)生的力。

2、如圖所示，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（單位面積上的內(nèi)力）即是“應(yīng)力”（單位為Pa帕斯卡或N/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(yīng)力。Pb=（Pa或者N/m2）這里的截面積A與外力的方向垂直，所以得到的應(yīng)力叫做垂直應(yīng)力。圖1棒被拉伸的時候會產(chǎn)生伸長變形&，棒的長度則變?yōu)?+*。這里，由伸長量&和原長1的比所表示的伸長率（或壓縮率）就叫做“應(yīng)變”，記作。M=11與外力同方向的伸長（或壓縮）方向上的應(yīng)變稱為軸向應(yīng)變。應(yīng)變表示的是伸長率（或壓縮率），屬于無量綱數(shù)

3、，沒有單位。由于量值很小，通常用1X1-6（百萬分之一）“微應(yīng)變”表示，或簡單的用卩表示。棒在被拉伸的狀態(tài)下，變長的同時也會變細。直徑為d的棒產(chǎn)生Ad的變形時，圖2直徑方向的應(yīng)變?nèi)缦率剿荆?Ad=2d0這種與外力成直角方向上的應(yīng)變稱為“橫向應(yīng)變”。軸向應(yīng)變與橫向應(yīng)變的比稱為泊松比，記為v。每種材料都有其固定的泊松比，且大部分材料的泊松比都在0.3左右。v=0.31各種材料的應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)系已經(jīng)通過實驗進行了測定。圖3所示為一種普通鋼材（軟鐵）的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系圖。應(yīng)力與應(yīng)變成直線關(guān)系的范圍內(nèi)胡克定律成立，對應(yīng)的最大應(yīng)力稱為比例極限。b=E或9二E應(yīng)力與應(yīng)變的比例常數(shù)E被稱為縱彈性系數(shù)或揚氏模量

4、，不同的材料有其固定的揚氏模量。如上所述，雖然無法對應(yīng)力進行直接的測量，但是通過測量由外力影響產(chǎn)生的應(yīng)變可以計算出應(yīng)力的大小。&曲變8比慚椅聲jA圖31.2應(yīng)變的大小應(yīng)變到底小到什么程度呢？如圖4所示，從lx1-4m2（每邊長1cm）的鐵棒上面垂直施加10kN的力時，會產(chǎn)生多大的應(yīng)變呢？讓我們來計算一下。首先，應(yīng)力P10KN10 x13Nb=100MPaA1x10-4m21x10-4m2再通過應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系式計算出應(yīng)變。=100MPa=100X106=4.85x3E206GPa206x109通常，應(yīng)變用百萬分之一表示，本例中=485=485xlO-61000000作為應(yīng)變量，用485x10-

5、6應(yīng)變，或485微應(yīng)變表示。圖4應(yīng)變的正負，應(yīng)變分為拉伸和壓縮兩種，分別用正負號加以區(qū)別。拉伸T正（+）壓縮T負（-）表示10的倍數(shù)的前綴記號名稱倍數(shù)G千兆109M兆106K千103h百102da十10d十分之一10-1c百分之一10-2m毫10-3微10-61.3應(yīng)變片原理1.應(yīng)變片的構(gòu)造應(yīng)變片有很多種類。一般的應(yīng)變片是在稱為基底的塑料薄膜上貼上由薄金屬箔材制成2.應(yīng)變測定方法的種類應(yīng)變的測定方法有很多種，大致分為機械，光學(xué)，電子測定法。每種方法都是考慮到物體的應(yīng)變從幾何學(xué)角度上看表現(xiàn)為物體上兩點間距離的變化，從而對其進行測量為基礎(chǔ)的。物體材料的彈性系數(shù)己知的情況下，根據(jù)應(yīng)變可以計算出應(yīng)力。

6、所以經(jīng)常通過測量應(yīng)變以計算由于外力的作用而在物體內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力。3.應(yīng)變片的原理將應(yīng)變片貼在被測定物上，使其隨著被測定物的應(yīng)變一起伸縮，這樣里面的金屬箔材就隨著應(yīng)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(yīng)變片就是應(yīng)用這個原理，通過沉量電阻的變化而對應(yīng)變進行沉定。一般應(yīng)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(yīng)變成正比例關(guān)系。即AR丘=KxR在這里R：AR:K:應(yīng)變片原電阻值Q歐姆）伸長或壓縮所引起的電阻變化。（歐姆）比例常數(shù)（應(yīng)變片常數(shù)）應(yīng)變不同的金屬材料有不同的比例常數(shù)K。銅鉻合金（Adavance）的K值約為2。這樣，應(yīng)變的測量就通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)換為對電阻變化

7、的測量。但是由于應(yīng)變是相當(dāng)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1000X10-6的應(yīng)變產(chǎn)生的電阻的變化。應(yīng)變片的電阻值一般來說是120歐姆，即A=2x1000 x10-6120（G）AR=120 x2x1000 x10-6=0.24G電阻變化率為AR=no=0-002-J2%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沉量，我們使用帶有惠斯通電橋回路的專用應(yīng)變測量儀。惠斯通電橋是由電阻R1、R2、R3、R4順序連成的一個環(huán)形電路，在環(huán)形的一個對角上接直流電源作為激勵，在另一個對角端之間接輸出負載，R1、R2、R3、R4

8、稱為電橋的橋臂，如下圖所示。那么橋路的輸出電壓V。為:兀H-&尺1+盡RgVoRea當(dāng)r1/r2=r3/r4時，VO=0。這種狀態(tài)稱為橋路平衡。任何一個橋臂上的電阻值發(fā)生變化時，都會導(dǎo)致橋路不平衡，橋路就會有電壓輸出。現(xiàn)在將R4替換為應(yīng)變片，應(yīng)變片阻值大小為Rg，同時使橋臂上另外三個電阻的阻值為：R1=R2=R3=Rg，那么在應(yīng)變片沒有產(chǎn)生應(yīng)變時，橋路輸出電壓也為零。如果產(chǎn)生應(yīng)變，應(yīng)變片阻值發(fā)生變化為ar,那么電橋輸出電壓V相應(yīng)發(fā)生變化：Ro+aR四邊的電阻中只有應(yīng)變片產(chǎn)生變化，輸出電壓可寫成：其中，K為比例常數(shù)（應(yīng)變片常數(shù)），E為橋路電壓，一般的應(yīng)變測量大部分都使用單應(yīng)變片法。1.4惠斯通電

9、橋構(gòu)成上例電路中只聯(lián)入了一枚應(yīng)變片，所以稱為單一應(yīng)變片法。除此之外，還有雙應(yīng)變片發(fā)及四應(yīng)變片法。雙應(yīng)變片法如下圖所示，在電橋中聯(lián)入了兩枚應(yīng)變片，共有兩種聯(lián)入方法?；蚵?lián)入方式上圖（b）所示時,或e-K+sE也就是說當(dāng)聯(lián)入兩枚應(yīng)變片時，根據(jù)聯(lián)入方式的不同，兩枚應(yīng)變片上產(chǎn)生的應(yīng)變或加或減。雙應(yīng)變片法的用途如圖11所示，同時對懸臂梁施加使其彎曲和伸長的兩個作用力，在梁的上下表面對應(yīng)的位置分別貼上一枚應(yīng)變片，再聯(lián)入橋路的相鄰邊或相對邊就可以測知分別由彎曲和伸長所產(chǎn)生的應(yīng)變。下面對這種用法加以說明。由于懸臂梁的彎曲，在應(yīng)變片上產(chǎn)生拉伸應(yīng)變（正），在應(yīng)變片上產(chǎn)生壓縮應(yīng)變（負）。因為兩枚應(yīng)變片與梁的末端距離相

10、同，所以雖然二者的正負不同，但絕對值的大小相同。這樣，如果只想測量由于彎曲產(chǎn)生的應(yīng)變，則如圖12所且拉伸作用在應(yīng)變片，上同時產(chǎn)生大小相等的正應(yīng)變，所以括號中的項等于零。另一方面，由于彎曲變形而在應(yīng)變片，上產(chǎn)生的應(yīng)變大小相等，符號相反，從數(shù)學(xué)角度看括號中的項變?yōu)槊棵稇?yīng)變片上產(chǎn)生的應(yīng)變的2倍，從而可以測得由于彎曲而產(chǎn)生的應(yīng)變。若如圖13所示，將應(yīng)變片聯(lián)入橋路的相對邊，則輸出電壓=1玄（灼+邑）E4與上例相反，這種情況下，由于彎曲應(yīng)變所產(chǎn)生的輸出電壓為零，由于拉伸應(yīng)變所產(chǎn)生的輸出電壓變?yōu)槊棵稇?yīng)變片所產(chǎn)生的電壓的2倍。也就是說如圖13所示聯(lián)接即可測得僅由拉伸作用所產(chǎn)生的應(yīng)變。四應(yīng)變片法的輸出電壓四應(yīng)變

11、片法是橋路的四邊全部聯(lián)入應(yīng)變片，在一般的應(yīng)變測量中不經(jīng)常使用，但常用于應(yīng)變片式的變換器中。如下圖所示，當(dāng)四條邊上的應(yīng)變片的電阻分別引起如R1+4R1,R2+r2,r3+r3,r4+r4的變化時J泮辿L+呂岀I41耐尺i丿ffl-8若四枚應(yīng)變片完全相同，比例常數(shù)為K,且應(yīng)變分別為e2,e3,e4o則上面的式子可寫成下面的形式。1.5應(yīng)變片溫度補償方法在應(yīng)變測量中會遇到一個問題，那就是溫度對應(yīng)變的影響。因為被測定物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(yīng)變片也會測到應(yīng)變。為了解決這個問題，可以應(yīng)用溫度補償法。動態(tài)模擬法這是使用兩枚

12、應(yīng)變片的雙應(yīng)變片法。如圖14所示，在被測物上貼上應(yīng)變片（A），在與被測物材質(zhì)相同的材料上貼上應(yīng)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(yīng)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，由溫度引起的伸所量相同，即由溫度引起的應(yīng)變相同，所以由溫度引起的輸出電壓為零。自我溫度補償法從理論上講，動態(tài)模擬法是最理想的溫度補償法。但是有粘貼兩枚應(yīng)變所費勞力和模擬物的放置場所的選擇等問題。為了解決這個問題，可以使用只用一枚應(yīng)變片即可進行溫度補償?shù)淖晕覝囟妊a償應(yīng)變片。這種方法根據(jù)被測物材料的熱膨脹系數(shù)的不同來調(diào)節(jié)應(yīng)變片敏感柵，因此使用適合被測物材料的應(yīng)變片就可以僅用一

13、枚應(yīng)變片對應(yīng)變進行測量，且不受溫度的影響。除了特殊的情況，現(xiàn)在基本上都使用自我溫度補償型應(yīng)變片。如下圖所示，在熱膨脹系數(shù)為Bs的被側(cè)物表面貼上敏感柵熱膨脹系數(shù)為Bg的應(yīng)變片。則溫度每變化1度，其所表現(xiàn)出來的應(yīng)變?nèi)缦率剿?。在這里a:電魁元件的溫度系數(shù)|Ks:應(yīng)變片的應(yīng)變片常數(shù)上式中，Ks為由敏感柵材料決定的應(yīng)變片常數(shù)，Bs，Bg分別為由各自材料決定的被測物與敏感柵的熱膨脹系數(shù)，這三項均為定值，則通過調(diào)整a就可以使由溫度引起的應(yīng)變變?yōu)榱?。此時a=-(/3s-j3g)二血陽應(yīng)變片電阻元件在箔材的制作過程中可以通過熱處理對a的值進行控制。而且它是與特定的被測物的熱膨脹系數(shù)Bs相對應(yīng)的，如果用在不適用

14、的被測物時，不僅不會補償溫度引起的應(yīng)變還會引起較大的測量誤差。自我溫度補償片的適用材料的熱膨脹系數(shù)如下表所示。自我溫度補償片的適用材料壇用材料熱腿脹桌數(shù)合成材料.鉆石等ixiodrc合施材料，玨，硫確等3x10/C合成材料木材，鶴等5xl0d/C令成材料，鎧等Gx10/QC合成材料，鈦,白金等9x10/C普通鋼材，SUS631I?11x10/OC適用材料熱膨脹系數(shù)冏腐物.耐熱合金.煤等18x10/C不誘翻，SUS304,爾等16x10/cC2014-T4鋁，黃銅，錫等23xW/cC社合金，合成材料等27x10/cC丙晞酸樹脂，聚碳酸能65x10rc1.6應(yīng)變片粘貼應(yīng)變片的粘貼方法根據(jù)應(yīng)變片，粘

15、貼劑，使用環(huán)境的不同而不同。這里以常溫室內(nèi)測量為例。選用普通型應(yīng)變片（帶有導(dǎo)線的KFG應(yīng)變片），速干性粘貼劑（氰基丙烯酸鹽酸粘合劑系列CC-33A）,低碳鋼試驗片。選擇應(yīng)變片根據(jù)被測物與目的選擇應(yīng)變片的種類及長度。應(yīng)變片的熱膨脹系數(shù)上表中所示，可以從中選擇適用于被測物的應(yīng)變片。除銹，保護膜將應(yīng)變片所要粘貼的部位（范圍要大于應(yīng)變片的面積）用砂布（#200300）打磨，直到除去涂漆，銹跡及鍍金等。確定粘貼位置在需要測量應(yīng)變的位置沿著應(yīng)變的方向做好記號。使用4H以上的硬質(zhì)鉛筆或劃線器注意在使用劃線器時，不要留下深的刻痕。對粘貼面的脫脂和清潔用工業(yè)用薄紙蘸丙酮溶液對要粘貼應(yīng)變片部位進行清潔。在清潔過程

16、中，沿著一個方向用力擦拭，然后再沿著相同方向擦拭。如果來回擦拭會使污物反復(fù)附著，無法擦拭干凈。涂粘貼劑首先要確認好應(yīng)變片的正反面。向應(yīng)變片的背面滴一滴粘貼劑（CC-33A）。如果涂抹粘貼劑的話，先涂抹部分的粘貼劑會出現(xiàn)硬化使粘性下降。因此不使用涂抹的方式。粘貼將滴有粘貼劑的應(yīng)變片立即粘在所作記號的中心位置。加壓在置于粘貼位置的應(yīng)變片上面蓋上附帶的聚乙烯樹脂片，并在上面用手指加壓。步驟,，要連貫快速地進行。將放好的應(yīng)變片取下調(diào)整位置重新粘貼時會使粘性極大地下降。完成加壓一分鐘左右，取下聚乙烯樹脂片，確認是否已粘貼牢固。這樣整個粘貼過程結(jié)束為了達到更好的效果，最好將應(yīng)變片放置60分鐘左右等粘貼劑完

17、全硬化后再使用。2應(yīng)變測試工程實例本實驗室具備江蘇東華公司研制的DH5902數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可可實現(xiàn)三線制1/4橋、半橋及全橋的連接。通過信號輸入線與電阻應(yīng)變計連接,信號輸入線的LEMO插頭接入DH5902的數(shù)據(jù)采集通道，如下圖所示（以三線制1/4橋的連接為例），+Eg表示供橋電壓正極、-Eg表示供橋電壓負極、Vi+表現(xiàn)信號正極、Vi-表現(xiàn)信號負極。mF橋路連接盒橋路類型指在應(yīng)變電橋中，根據(jù)不同的測試情況，接應(yīng)變計的數(shù)量和方式有不同。應(yīng)變測試具體分為方式1到方式6,對于東華DH5902不同橋路有不同橋路連接方式，下圖為應(yīng)半橋（1片工作片，1片補償方片）式適用于測量簡單拉伸壓縮或彎曲應(yīng)變，環(huán)境較惡劣dRgR半橋方（2片工作片）式適用于測量簡單拉伸壓三縮或彎曲應(yīng)變，環(huán)境溫度變化較大dRgR半橋（2片工作片）適用于只測彎曲應(yīng)變，消除了拉伸和壓縮應(yīng)變dRgR全橋（4片工作片）式適用于只測拉伸壓縮的五應(yīng)變即呦宅丄一-底宕71.1IE電二一全橋（4片工作片）適用于只測彎曲應(yīng)變本試驗是測試振動試驗過程中，測試產(chǎn)品關(guān)鍵位置應(yīng)變的大小，測試示意圖如下圖所/示。本試驗中所用振動臺東華應(yīng)變測試系統(tǒng)如下圖所示。本試驗用的如下圖所示的應(yīng)變花，可根據(jù)式（1）應(yīng)變花三個獨立的應(yīng)變數(shù)據(jù)計算出該點的最大主應(yīng)變。圖