應(yīng)變測試方法

1、應(yīng)變測試方法電阻應(yīng)變測試電阻應(yīng)變測量技術(shù)是用電阻應(yīng)變片測量構(gòu)件的表面應(yīng)變，再根 據(jù)應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系確定構(gòu)件表面應(yīng)力狀態(tài)的一種實驗應(yīng)力分析 方法。用電阻應(yīng)變片測量應(yīng)變的過程：frrTTI e I .一門AR I穿哩n Z R二貝醒MAu匾示被測構(gòu)件應(yīng)變片測量電放大紋路儀器_ 分類：靜態(tài)測量：對永遠恒定的載荷或短時間穩(wěn)定的載荷的測量。動態(tài)測量：對載荷在21200HZ范圍內(nèi)變化的測量。電阻應(yīng)變測量方法的優(yōu)點測量靈敏度和精度高。其最小應(yīng)變讀數(shù)為1 he(微應(yīng)變，1 口 =10-6 E)在常溫測量時精度可達12%。測量范圍廣?？蓽y1 HE 20000 HEo頻率響應(yīng)好?？梢詼y量從靜態(tài)到數(shù)十萬赫的動態(tài)應(yīng)變。

2、應(yīng)變片尺寸小，重量輕。最小的應(yīng)變片柵長可短到0.178毫米，安裝方便，不會影響構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)。測量過程中輸出電信號，可制成各種傳感器?？稍诟鞣N復(fù)雜環(huán)境下測量。如高、低溫、高速旋轉(zhuǎn)、強磁場等環(huán)境測量。電阻應(yīng)變測量方法的缺點只能測量構(gòu)件的表面應(yīng)變，而不能測構(gòu)件的內(nèi)部應(yīng)變。一個應(yīng)變片只能測構(gòu)件表面一個點沿某個方向的應(yīng)變，而 不能進行全域性測量。電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片的工作原理 由物理學可知：金屬導(dǎo)線的電阻率為R=p LA當金屬導(dǎo)線沿其軸線方向受力變形時(伸長或縮短)，電阻值會 隨之發(fā)生變化(增大或減小)，這種現(xiàn)象就稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。將上式取對數(shù)并微分，得：dR dp dL dA =+-K T T Kd

3、R dp=+ (1+ 2日片K P電阻應(yīng)變片的構(gòu)造電阻應(yīng)變片由敏感柵、引線、基底、蓋層、粘結(jié)劑組成。其構(gòu)造如圖所示電阻應(yīng)變片的分類電阻應(yīng)變片按敏感柵材料不同可分為金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片。其中金屬電阻應(yīng)變片分為：絲繞式應(yīng)變片：敏感柵是用直徑為0.010.05毫米的銅鎳合金或鎳鉻繞制而成。優(yōu)點：基底、蓋層均為紙做成，價格便宜，易安裝。缺點：其橫向效應(yīng)大，測量精度較差，應(yīng)變片性能分散。短接式應(yīng)變片：將金屬絲平行排成柵狀，端部用粗絲焊接而成。優(yōu)點：橫向效應(yīng)小，制造時敏感柵形狀易保證，測量精度高。缺點：焊點多，疲勞壽命較低。箔式應(yīng)變片：敏感柵采用的是0.0020.005毫米的銅鎳合金或鎳鉻合金的金

4、屬箔，采用刻圖制板、光刻及腐蝕等工藝制作。3優(yōu)點：制造技術(shù)能保證敏感柵尺寸準確、線條均勻，可以制成任意形狀，以適應(yīng)不同的測量要求；敏感柵截面為薄而寬的矩形，其表面積即粘合面積大，傳遞試件應(yīng)變性能好；橫向效應(yīng)好，可忽略；散熱性能好，允許通過較大的工作電流，從而增大輸出信號；蠕變、機械滯后較好，疲勞壽命高。薄膜應(yīng)變片：薄膜應(yīng)變片是薄膜技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，其厚度在 0.1mm以下。它采用真空蒸發(fā)法，將電阻材料蒸鍍在基地上制成 敏感柵而形成應(yīng)變片。這種應(yīng)變片靈敏系數(shù)高，易于規(guī)模生產(chǎn)， 是一種很有前途的新型應(yīng)變片。電阻應(yīng)變片的主要性能應(yīng)變片電阻(R):指應(yīng)變片在未經(jīng)安裝、不受力的情況下，于室溫時測定的電阻值

5、。常用的應(yīng)變電阻值R = 12 Q靈敏系數(shù)(K):在單向應(yīng)力作用下，應(yīng)變片的電阻相對變化 與試件表面沿應(yīng)變片軸線方向的應(yīng)變 之比值，稱為應(yīng)變片的 靈敏系數(shù)，即：k= R/R注意：K值是應(yīng)變片的主要參數(shù)，它取決于敏感柵的材料、型式、 幾何尺寸、基底、粘結(jié)劑等多種因素。通常由制造廠在專用設(shè)備 上標定給出K值。常用的K=2.02.4.橫向效應(yīng)系數(shù)(H):應(yīng)變片的敏感柵除有縱柵外，還有圓弧或 直線形的橫柵。橫柵主要對垂直于應(yīng)變片軸線方向的橫向應(yīng)變敏 感，因而應(yīng)變片指示應(yīng)變中包含有橫向應(yīng)變的影響，這就是應(yīng)變 片的橫向效應(yīng)。將應(yīng)變片置于平面應(yīng)變場中，沿應(yīng)變片軸線方向的應(yīng)變?yōu)?，垂直于軸線方向的橫向應(yīng)變，應(yīng)

6、變片敏感柵電阻相對變化為:yARARARXE =(X +U,熱輸出(E,:將應(yīng)變片安裝在自由膨脹的構(gòu)件上，無外力X 作用，當環(huán)境溫度變化時，則輸出一定的指示應(yīng)變，稱為熱輸出， 用表示。產(chǎn)生原因：由于溫度變化，敏感柵材料的電阻率發(fā)生變化(溫度效應(yīng));敏感柵材料與被測構(gòu)件材料之間的線膨脹系數(shù)不同。設(shè)溫度變化為 T，且應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K隨溫度變化可略去， 則應(yīng)變片的熱輸出為1 =a A+(P P )ATt K T e g穩(wěn)定性：它是反映應(yīng)變片長期靜態(tài)工作能力的重要性能，常用 電阻漂移值和蠕變大小來表示。應(yīng)變片的電阻值漂移：指在工作溫度恒定，安裝在未受外力 作用的構(gòu)件上，其應(yīng)變片電阻值隨時間的變化。產(chǎn)

7、生漂移原因：由于敏感柵、基底、粘結(jié)劑等材料在應(yīng)變片的 制造或安裝過程中，內(nèi)部形成的應(yīng)力緩慢釋放所致。應(yīng)變片的蠕變：指在工作溫度恒定，安裝在承受外力，但變 形恒定的構(gòu)件上的應(yīng)變片電阻值隨時間的變化。產(chǎn)生原因：粘結(jié)劑與基底在傳遞應(yīng)變時出現(xiàn)滑動所致。機械滯后(Z):在恒定溫度下，對安裝有應(yīng)變片的試件加載一 j卸載。以試件的機械應(yīng)變七為橫坐標，應(yīng)變片的指示應(yīng)變、為縱坐標繪成曲線，加載與卸載曲線不重合，這種現(xiàn)象稱為機械滯機械滯后量：以加載曲線與卸載曲線中兩個指示應(yīng)變的最大差值Z.來表示。后。產(chǎn)生原因：敏感柵、基底和粘結(jié)劑在承受機械應(yīng)變后產(chǎn)生殘余變 形所致。消除：在正式測試前，反復(fù)加一卸載n次。應(yīng)變極限(

8、e血)：在恒定溫度下，對安裝有應(yīng)變片的試件逐漸 加載，直至應(yīng)變片的指示應(yīng)變與試件的機械應(yīng)變的相對誤差達到10%。此時，機械應(yīng)變即作為該應(yīng)變片的應(yīng)變極限。一般情況下，e |im 800ue絕緣電阻(Rm):應(yīng)變片的絕緣電阻時指應(yīng)變片的引線與被測 試件之間的電阻值。一般情況下，Rm 500MQ.為使Rm提高，可選用絕緣性能好的粘結(jié)劑和基底材料。疲勞壽命(N):在幅值恒定的交變應(yīng)力作用下，應(yīng)變片連續(xù) 工作，直至產(chǎn)生疲勞損壞時的循環(huán)次數(shù)，稱為應(yīng)變片的疲勞壽命。 疲勞損壞：(1)敏感柵或引線發(fā)生斷路；(2)應(yīng)變片輸出幅值變化達到10%；應(yīng)變片輸出波形上出現(xiàn)尖峰。電阻應(yīng)變片的常規(guī)使用技術(shù)電阻應(yīng)變片的選擇1

9、、測試環(huán)境：溫度、濕度、磁場2、應(yīng)變性質(zhì)：靜態(tài)應(yīng)變一選擇H小的應(yīng)變片動態(tài)應(yīng)變一選擇疲勞壽命好的應(yīng)變片。3、應(yīng)變梯度：應(yīng)變場均勻一對應(yīng)變片柵長沒要求，可選柵長大的應(yīng)變片，容易貼。應(yīng)變梯度變化大一選柵長小的應(yīng)變片。4、測試精度：應(yīng)變片的粘貼1、檢查和分選應(yīng)變片；2、粘貼表面的準備；3、貼片；4、固化；5、測量導(dǎo)線的焊接與固定；6、檢查。光纖Bragg光柵測試法(簡稱光纖法)光纖Bragg光柵傳感器(簡稱光纖光柵傳感器)測試原 理 裸光纖光柵傳感器是一種未經(jīng)封裝的傳感元件，它以裸光纖 為載體，通常由纖芯和外面的保護層組成。 其中纖芯的直 徑僅為0.125 mm,光線在其內(nèi)部進行全反射傳播。當芯層 折

10、射率受到周期性調(diào)制后，即成為Bragg光柵。紫外光千圖2光纖Bragg 柵測坦原理圖Bragg光柵會對入射的寬帶光進行選擇性反射， 反射一個中心 波長與芯層折射率調(diào)制相位相匹配的窄帶光，此中心波長稱之為 Bragg波長入B。人 B=2neff A式中，neff為光纖光柵的有效折射率；A為光柵周期。如果拉伸或壓縮光纖，neff和A都會發(fā)生變化，Bragg波長 就會發(fā)生變化。通過光纖光柵解調(diào)儀監(jiān)測光柵反射光的波長，并通過相應(yīng)的程序 對測試數(shù)據(jù)進行計算、分析和處理，就能獲得光纖光柵傳感器 處的應(yīng)變值。光纖光柵測試方法特點光纖光柵測試方法是近20年來快速發(fā)展起來一種應(yīng)力應(yīng)變測 量方法，由于非常容易構(gòu)建

11、分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，目前廣泛應(yīng)用于 建筑、橋梁、船舶和化工等領(lǐng)域。該方法屬于光學測試技術(shù)范疇，在應(yīng)用上有獨特的技術(shù)優(yōu)勢。（1）光纖光柵傳感器以光纖作為信號載體，傳感器體積小、重 量輕，容易滿足被測結(jié)構(gòu)件對狹小空間的安裝需求；另一方面， 在使用傳感器密集的地方，例如一架飛行器，它所需要使用的 傳感器超過100個，從尺寸和重量上進行比較，幾乎沒有其他 傳感器可以與光纖光柵傳感器進行媲美。（2）屬于光學測量方法，抗電磁干擾，適合用于長距離信號傳 輸。（3）光學信號入射和反射線的輸入輸出回路僅為一根直徑0.25 mm的光纖，能夠極大地簡化測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。（4）理論上，一根光纖上可以連續(xù)制作幾十個傳感器（被測

12、對 象變形越小，可以連續(xù)制作的傳感器也越多），便于構(gòu)成分布式 傳感系統(tǒng)。光彈性法光彈性法是利用光學原理進行應(yīng)力應(yīng)變測量中具有代表性的方 法之一，而其他方法，如激光全息干涉法、散斑干涉法和云紋 干涉法等由于視場測量范圍較小，一般在1 |d m到1mm之間， 常用于實驗室而很難滿足工程現(xiàn)場的測量需求。光彈性法測量原理光彈性法是利用材料的雙折射效應(yīng)進行應(yīng)力應(yīng)變測試，如環(huán)氧樹 脂之類的各向同性的非晶體材料，在自然狀態(tài)下不會產(chǎn)生雙折射 現(xiàn)象，但當其受到載荷作用而產(chǎn)生應(yīng)力時，就會如晶體一樣表 現(xiàn)出光學各向異性，產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，而卸載后，材料又恢復(fù) 光學各向同性。這就是所謂的暫時雙折射效應(yīng)。用具有雙折射效應(yīng)

13、的透明塑料，如最常用的環(huán)氧樹脂材料，按 一定比例制成結(jié)構(gòu)件模型或者在結(jié)構(gòu)件表面直接采用光貼片處 理后， 將被測對象置于偏振光場中，施加一定的載荷，模型上 便產(chǎn)生干涉條紋。被測對象受力越大，出現(xiàn)的干涉條紋越多， 越密集。通過直接觀測結(jié)構(gòu)上的條紋，可以對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變進 行定性分析。光彈性法非常直觀，并且能夠進行3D全場測量。如果將傳統(tǒng) 的光彈性法與計算機圖像處理技術(shù)相結(jié)合， 即可對零件的全場 應(yīng)變和應(yīng)力狀態(tài)進行定量分析，稱為數(shù)字光彈性法。光測法特點光彈性方法是國防、航空航天領(lǐng)域中不可或缺的一種測試手段。 與電測方法相比有許多優(yōu)點：屬于非接觸測量方法，具有電測方法不能達到的全場測量優(yōu) 勢，既可以測

14、量表面應(yīng)力，也可測量內(nèi)部應(yīng)力。該方法直觀，能夠清晰地反映應(yīng)力集中現(xiàn)象，不僅很容易找 到應(yīng)力集中的部位，而且可以確定應(yīng)力集中系數(shù)。但是，光彈性方法也存在一些不足之處。工藝比較復(fù)雜，測量周期比較長；通常需要使用環(huán)氧樹脂材料在被測結(jié)構(gòu)表面進行平面和曲面貼片處理；對于一些大型構(gòu)件，需要按比例制作3D光彈性模型， 制作工藝相對復(fù)雜；需要將被測對象置于偏振光環(huán)境中，光學系統(tǒng)相對復(fù)雜。雙目立體視覺測量方法1.測量原理雙目立體視覺測量方法是適用于物體的形貌與變形的非接觸全 場測量方法。它是在2D計算機圖像處理技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起 來的立體視覺測試技術(shù)。系統(tǒng)包括兩臺高分辨率的高速攝像機、 一個照明裝置、一臺計算機

15、及一組圖像分析軟件，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖計*漢 z*祖蚌親所示。測量時，被測對象受力引起被測表面圖案發(fā)生畸變，該變化分 別被兩臺攝像機記錄下來。兩臺攝像機同步采集測量視場范圍內(nèi) 的特征點圖像信息，并通過計算機圖像處理方法對兩幅圖像中同 一特征點進行匹配計算，獲得該點在三維空間的坐標值。 不論 是在靜態(tài)還是動態(tài)環(huán)境中，由于被測構(gòu)件的變形，被測特征點的 空間坐標會發(fā)生變化。 通過計算被測構(gòu)件上若干個特征點的三 維坐標值及其變化量，即可得到被測結(jié)構(gòu)的三維變形量、三維應(yīng)變/應(yīng)力及動態(tài)條件下的振動參數(shù)等信息。2雙目立體視覺測試技術(shù)特點雙目立體視覺是20世紀80年代逐漸發(fā)展起來的幾何量測量 技術(shù)，與計算機圖像處理

16、技術(shù)有著密切的相關(guān)性。在大型物體 的形貌測量、逆向工程和車輛測距領(lǐng)域有著比較成熟的應(yīng)用?；?于雙目立體視覺原理，該方法同樣能夠應(yīng)用于3D應(yīng)力應(yīng)變測 量領(lǐng)域，具有如下的優(yōu)點。量程大，系統(tǒng)可以獲得亞像素級的成像精度，因而可以測 量小至0.01%的微小應(yīng)變，大至數(shù)倍100%的大應(yīng)變；屬于光學非接觸測量，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，具有可移動性；可以測量空間3D區(qū)域的力學特性，不受測點分布和數(shù)量 的限制；可以通過調(diào)整攝像機視場范圍的大小改變系統(tǒng)測量精度和 量程。雙目立體視覺三維應(yīng)變測量技術(shù)的缺點：系統(tǒng)測試精度與攝像機的性能及雙目立體視覺的標定技術(shù)、 計算機圖像處理技術(shù)密切相關(guān)；系統(tǒng)只能對攝像機視場范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)特性進

17、行測量。對于 同一個測試系統(tǒng)，視場范圍越小，測量分辨率就越高，測量精度 也越高；否則反之。靜態(tài)測量動態(tài)測量優(yōu)點缺點精度量程應(yīng)變片電測法2%FS12X104ue超動態(tài)應(yīng)變儀200 kHz技術(shù)成熟，應(yīng)用 廣泛多點測量時，線束 較多，安裝復(fù)雜光纖光柵法0.1%FS5 000 ue超高速光纖光 柵解調(diào)器100 k Hz易于構(gòu)建分布 式測量系統(tǒng)具有溫度耦合效應(yīng)光彈性法傳統(tǒng)光彈性法一般用于定性分 析取決于數(shù)字光彈性系統(tǒng)中的記錄設(shè)備直觀，全場測量制模工藝復(fù)雜雙目立體視覺法0.01%FS數(shù)倍100%應(yīng) 變?nèi)Q于高速相 機性能參數(shù)非接觸，測量系 統(tǒng)具有可移動 性只能以攝像機視場 范圍內(nèi)的區(qū)域作為 被測區(qū)域引伸計

18、引伸計是測量構(gòu)件及其他物體兩點之間線變形的一種儀器，通 常由傳感器、放大器和記錄器三部分組成。傳感器直接和被測構(gòu) 件接觸。構(gòu)件上被測的兩點之間的距離為標距l(xiāng),標距的變化 I為線變形。當被測構(gòu)件變形時，傳感器隨著變形，并把這種 變形轉(zhuǎn)換為機械、光、電、聲等信息，通過放大器將傳感器輸出 的微小信號進行放大，記錄器（或讀數(shù)器）將放大后的信號直接 顯示或自動記錄下來。一般記錄的是引伸計標距范圍內(nèi)線形的改 變量。1.接觸式引伸計的原理及特點對于機械式引伸計，變形量首先由機械結(jié)構(gòu)采集，然后通過各 類機械原理對其進行放大，最后直觀將變形量顯示出來。這類引 伸計包括表式和杠桿式等。以表式引伸計為例，它通過千分

19、表頂 桿接收變形量，變形通過頂桿傳至表內(nèi)的齒輪系統(tǒng)進行放大，最 后由表盤上的指針顯示出示數(shù)。不同機械式引伸計間的根本區(qū)別 在于變形放大采用的機械原理不同。電子式引伸計是機械技術(shù)與傳感器技術(shù)的結(jié)合。這類引伸計前端 同樣采用機械結(jié)構(gòu)采集試樣變形，后端將變形量傳遞至各類電 氣原件組成的傳感器，傳感器將變形量轉(zhuǎn)化為電信號，處理器 對電信號進行濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換、放大等處理，最終將變形值顯 示出來。這類引伸計根據(jù)內(nèi)部所用傳感器原理不同可分電阻式、 電容式、電感式等。r宣廊和新裨1特點分析接觸式引伸計以其簡單的原理結(jié)構(gòu)，相對低廉的價格與成熟的 技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。但是，隨著現(xiàn)代科技對材料物理特性要 求的提高和試驗環(huán)境的多樣化，這類傳統(tǒng)引伸計已暴露出許多 問題：量程與標