大學電測彎曲正應力實驗報告

廣州大學電測彎曲正應力實驗報告用實驗分析方法確定物體（例如工程構(gòu)件）在受力情況下的應力狀態(tài)的學科。在固體力學的各分支（如彈性力學、塑性力學、斷裂力學、復合材料力學等）中，都常用實驗應力分析方法研究應力分布基本規(guī)律，為發(fā)展新理論提供依據(jù)。在工程領域內(nèi)，它又是提高設計質(zhì)量和進行失效分析的一種重要手段。有效地應用實驗應力分析方法，不僅能提高工程結(jié)構(gòu)的安全度和可靠性，還能減少材料消耗、降低生產(chǎn)成本和節(jié)約能源。早在17世紀，人們將力學原理應用于工程問題時，就曾用簡單的實驗手段測定材料的力學性能，并闡明工程結(jié)構(gòu)的某些力學特征。19世紀后期，雖然出現(xiàn)了較為靈敏的機械式應變測量裝置，但在工程實用上，仍受到很大限制。20世紀30年代，粘貼式電阻應變計的出現(xiàn)，光彈性實驗技術(shù)的進一步完善，以及其他實驗技術(shù)的發(fā)展，使實驗應力分析蓬勃發(fā)展起來，并得到廣泛應用。實驗應力分析方法目前已有電學的、光學的、聲學的以及其他方法。一、應變花一種具有兩個或兩個以上不同軸向敏感柵的電阻應變計，用于確定平面應力場中主應變的大小和方向。敏感柵由金屬絲或金屬箔制成，稱為絲式應變花或箔式應變花。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。主應變的大小和方向可以用三軸和四軸應變花的各敏感柵測得的應變，按公式算出，也可以從應變莫爾圓求出。主應力的大小，可以用各敏感柵測得的應變，及被測構(gòu)件材料的彈性模量和泊松比按公式算出。

三軸△-T應變花，是三角形和T形相結(jié)合的應變花。二、電阻應變測量裝置用電阻應變計測量工程構(gòu)件表面應變的裝置，一般包括調(diào)制應變信號的電橋，放大微弱的調(diào)制電信號、鑒別正負極性和濾波的電阻應變儀，以及平衡指示器（靜態(tài)）或記錄器（動態(tài)）三部分。按照不同測量要求和不同應變測量頻率，電阻應變儀一般分為靜態(tài)、靜動態(tài)、動態(tài)、超動態(tài)和具有其他特殊功能等五種類型。靜態(tài)和動態(tài)電阻應變儀由測量(電)橋、載頻振蕩器、放大器、相敏檢波器、低通濾波器和穩(wěn)壓電源等單元所組成。載頻振蕩器供給電橋一種比應變最高頻率高5～10倍（約50～20000赫）的載波信號，將應變信號調(diào)制成調(diào)幅波，經(jīng)過交流放大器高增益放大，再由相敏檢波器分辨應變信號的正負極性，送至平衡指示器顯示靜態(tài)讀數(shù)，或經(jīng)過低通濾波器濾掉應變信號的殘余載波成分，然后由記錄器將動態(tài)應變波形記錄下來。靜態(tài)和靜動態(tài)電阻應變儀又有人工手動平衡讀數(shù)和多點自動切換、數(shù)字顯示兩類。工程上常見的數(shù)千赫以下動態(tài)應變，可用普通的多通道動態(tài)電阻應變儀進行測量。爆炸、沖擊波等數(shù)十至數(shù)十萬赫的瞬態(tài)應變，則必須采用超動態(tài)電阻應變儀進行測量。60年代以來，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了直流式動態(tài)應變儀和電阻、電容都能自動平衡或自動抵償?shù)膭討B(tài)應變儀，以及各種形式的具備特殊功能的數(shù)字式靜態(tài)應變儀。它們具有存儲信息、實時修正測量數(shù)據(jù)、分析運算以及數(shù)字顯示、自動打印等功能，還能與微處理機或電子計算機聯(lián)用，進行工程機械的實時在線測量與控制。進行動態(tài)應變測量或采用傳感器進行動態(tài)參量測量，必須選用合適的記錄器，以記錄動態(tài)波形圖。在應變測量中常用的記錄器有：①描筆式記錄儀，包括筆式自動記錄儀和自動平衡式記錄儀(有自動平衡記錄儀和X-Y)函數(shù)記錄儀兩種)；②光線示波器；③磁帶記錄器；④陰極射線電子示波器?，F(xiàn)代大型結(jié)構(gòu)的強度實驗往往要求有數(shù)百至數(shù)千個測點。因此，大量測量數(shù)據(jù)的采集和處理的工作十分繁重。用人工分析處理，精度和效率都較低。專用分析儀器進行某些特定參量的分析，但是功能少，通用性差。以微處理機或電子計算機為核心的實時在線的測量與控制的聯(lián)機系統(tǒng)，是應變測試技術(shù)的發(fā)展方向。三、應變遙測技術(shù)將安裝在移動機件或旋轉(zhuǎn)機件上的電阻應變計或傳感器發(fā)出的微弱電信號（電壓的或電流的）由發(fā)射機發(fā)射，通過電磁波傳輸?shù)浇邮照?，由接收機加以放大、處理和記錄，從而得出機件在受力狀態(tài)下的應變、扭矩等參量的一種測量方法。應變遙測技術(shù)已廣泛用于現(xiàn)代化的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、工業(yè)生產(chǎn)流程和電站設備的控制以及生物工程等方面。其主要優(yōu)點是信噪比高，耐沖擊，耐振動，使用方便，可在接收站及時處理大量實驗數(shù)據(jù)，并可用于各種惡劣環(huán)境，特別是在難以采用集流器和測試人員不易接近的部位，如往復運動的機件（內(nèi)燃機曲軸、連桿、大型傳動鏈條等），處在密封殼內(nèi)的高速旋轉(zhuǎn)機件（渦輪壓縮機的葉片、葉輪等），以及核輻射環(huán)境下的測試和爆破試驗等。對于行駛中的車輛（如火車機車、汽車、拖拉機、農(nóng)業(yè)機械、工程機械等），需要測量其動態(tài)特性和功率、扭矩等，以及許多移動機械（如橋吊、塔吊等）的測試和操作控制，都可采用遙測系統(tǒng)。一般的遙測系統(tǒng)，由傳感器、發(fā)射機、傳播媒介(通常是無線電波或?qū)Ь€)、接收和處理信號的設備、記錄和顯示裝置組成。在調(diào)頻－調(diào)頻(FM-FM)遙測系統(tǒng)中，傳感器將被測物理量（如應變、壓力等）轉(zhuǎn)換成電信號，用來調(diào)制副載波振蕩器，再由輸出的調(diào)頻信號對射頻振蕩器進行調(diào)制，這樣經(jīng)過兩次調(diào)制的信號，再由天線以電磁波方式發(fā)射出去。接收機經(jīng)天線收到信號后，也須經(jīng)過兩次解調(diào)，才能恢復成原模擬量，然后接入記錄器和顯示裝置。對于一些旋轉(zhuǎn)機件的物理量測量，通常是在發(fā)射天線和接收天線之間采取電容耦合的近程傳輸方式。通常一個遙測系統(tǒng)需要處理多路信息。將多路信息混合成一個組合信號，并通過一條線路傳輸出去的方式，稱為多路傳輸。它主要有頻率分割多路傳輸（簡稱頻分制）和時間分割多路傳輸（簡稱時分制）兩種方式。在頻分制中，通道是按照不同的中心頻率劃分的，即每個通道有一個中心頻率，并占據(jù)在這個頻率附近的一定的頻率帶寬，信息以模擬量調(diào)制形式進行連續(xù)傳送。在時分制中，通道是按時間順序劃分的，即由轉(zhuǎn)換開關對所要測量的多路模擬量按時間順序輪流取樣，再將取樣電平轉(zhuǎn)換成脈沖量進行傳送。取樣電平對脈沖信號的調(diào)制，有以下幾種方式：①脈幅調(diào)制，脈沖幅度與模擬信號成比例變化。②脈寬調(diào)制，脈沖的幅值不變，而脈沖的寬度和模擬信號成比例變化。③脈位調(diào)制，脈沖的幅度、寬度不變，有信號時的脈沖位置與無信號時的基準位置之間的間隔和模擬信號成比例地錯開。④脈碼調(diào)制(PCM)，系將模擬信號轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)字編碼的脈沖信號。從遙測系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)可以進行實時在線處理，也可以用各種形式的記錄器記錄下來，轉(zhuǎn)換成相應的編碼，便于和計算機聯(lián)用，進行數(shù)據(jù)處理。四、電容應變計一種能將構(gòu)件的尺寸變化轉(zhuǎn)換成電容變化的變換器。常用的電容應變計有：弓形電容應變計、平板式電容應變計、桿式電容應變計三種。它的主要元件電容極片，可制成平板形或圓柱形。以簡單的平板電容器為例。當不考慮邊緣電場的影響時，有：式中C為電容；χ為電容極片間介質(zhì)的介電常數(shù)；A為極片的面積；s為極片間的距離。將電容應變計安裝在構(gòu)件表面上，電容應變計的電容相對變化ΔC/C與引起此變化的構(gòu)件表面在應變計軸線方向的尺寸相對變化ΔC/C（即應變量ε）之比，稱為電容應變計的靈敏系數(shù)(K)：它表示電容應變計輸出信號和輸入信號之間數(shù)量上的關系。電容應變計的優(yōu)點是靈敏系數(shù)大(從十至一百)，頻率響應高，能在惡劣環(huán)境(如高溫、低溫、核輻射環(huán)境)工作，重復性好，穩(wěn)定性高。但是，它的輸出的阻抗高和信號小，故測量線路比較復雜；易受電纜的寄生電容所影響，故應有良好的屏蔽和較高的絕緣電阻。電容應變計還可以采取多路同時測量的方式，已研制出一百路同時工作的電容應變計測量系統(tǒng)。電容應變計多用于發(fā)電廠的管道、設備或核能設備的長期高溫應變測量，監(jiān)視裂紋的形成和發(fā)展，以及對航空構(gòu)件材料進行高溫性能測試。弓形電容應變計在兩條曲率不同的鎳基合金弓形條之間，安裝一對電容極片，用點焊法將弓形條的兩端固定在試件上。它的工作溫度范圍為-269～+650℃，以空氣為介質(zhì)，介電常數(shù)不隨溫度變化，故工作穩(wěn)定，零點漂移極小。平板式電容應變計在一個鎳鉻合金的菱形框架上開出墪形槽，中部的槽中裝入四片不銹鋼電容極片，各極片之間以及極片與框架之間用云母片隔開?？蚣艿膬蓪翘幯b有安裝耳片?？捎命c焊或用高溫粘結(jié)劑將安裝耳片固定于試件表面，或在安裝耳片上沖出小孔，用火焰噴涂陶瓷材料進行固定。當試件產(chǎn)生應力時，通過菱形框架使電容極片間的距離變動，電容就相應變動。當應變計受熱時，云母的介電常數(shù)變動，也會使電容發(fā)生變化，但可利用菱形框架和試件的膨脹系數(shù)的差異，使此效應互相抵消。這種應變計的工作溫度可達954℃。桿式電容應變計在一個安裝板的圓桿上裝一對圓筒形的內(nèi)電容極片，用陶瓷體使它和圓桿絕緣；在另一安裝板上裝一個環(huán)形外電容極片，套在內(nèi)電容極片上，內(nèi)外電容極片應保持同心，以空氣絕緣。圓桿和試件的材料必須相同，以達到溫度補償?shù)男Ч?。此?nèi)外電容極片構(gòu)成差動電容器，試件上的應變使得內(nèi)外電容極片交疊的面積變動而引起電容變化。電容的相對變化和應變有線性關系。這種應變計還可以反映應變的方向（壓縮或拉伸）。它的最高工作溫度可達816℃。五、電阻應變計式傳感器以電阻應變計為敏感元件，將被測物理量(如力、位移等)轉(zhuǎn)換為電信號的器件。傳感器的彈性元件受被測物理量作用而發(fā)生變形時，粘貼在它上面的電阻應變計將彈性元件發(fā)生的變形轉(zhuǎn)換成為電阻的變化，通過測量儀器，將此變化轉(zhuǎn)變成和被測物理量成比例的模擬電信號而輸出。電阻應變計式傳感器的測量精度可優(yōu)于0.1％，能在各種環(huán)境下長期穩(wěn)定地工作。因為它輸出的信號為電信號，所以便于實現(xiàn)物理量測量的數(shù)字化和自動化。為達到此目的，對彈性元件的設計，應保證粘貼電阻應變計的部位有足夠明顯的應變；彈性元件須采用疲勞強度高、韌性好的優(yōu)質(zhì)材料，如35CrMnSiA、鈹青銅、不銹鋼等。對所用電阻應變計還須進行老化處理，并選擇蠕變小、性能穩(wěn)定的粘結(jié)劑將它粘牢。它的測量線路要有零點補償、溫度補償、靈敏度補償和非線性補償?shù)却胧?，以保證測量的準確性。常用的電阻應變計式傳感器，按照不同的被測物理量，可分為測定力、壓力、扭矩、載荷、位移、速度、加速度、流量等傳感器。下面為幾種常用的電阻應變計式傳感器。六、集流器安裝在旋轉(zhuǎn)構(gòu)件上的電阻應變計和測量儀器之間，用來傳遞旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的應變信號的器件，又稱引電器。它分為接觸式集流器和非接觸式集流器兩類。接觸式集流器是用接觸電阻較低的材料制成和構(gòu)件一起旋轉(zhuǎn)的動環(huán)和固定不動的定環(huán)，利用它們之間的滑動接觸來傳遞信號。常用的接觸式集流器有：拉線式集流器、水銀集流器和炭刷集流器三種。非接觸式集流器是用線圈通過電磁感應傳遞信號，又稱為感應式集流器。構(gòu)件的應變轉(zhuǎn)換成為電阻應變計上的電阻變化是很小的，所以要求集流器的接觸電阻非