悬臂梁的应力测试应变片课程设计.doc

题目：应变片课程设计 悬臂梁的应力测试2015 年 1 月 一、力学篇应变实验课程设计细则3二、实验器材4三、实验预想步骤4四、实验操作步5五、实验数据及分析9六、电阻应变片的选择9七、电阻应变片的粘贴工艺18八、实验心得21前言 应变式传感器可以用来检测：位移 压力 力矩 应变 温度 湿度 光强 辐射热 加速度 液体流量等物理参数。目前是国内外应用量最为广泛的一种传感器，它在世界上占各类传感器80%以上。本次课程设计根据实验室条件和应变式传感器的特点，从应变片粘贴工艺要求设计 机械结构测点布置 应变片电源电路 应变片补偿电路 检测误差分析 构建圆筒偏载试验等为题，使学生从简单受力结构分析入手，运用计算机模拟软件确定测点布置，结合动手具体粘贴应变片，对应变片实测数据校准 整定；从而完成一个完整的测试工作。一、任务设计与要求1 应用力学知识（理论力学 材料力学），运用软件ansys分析简支梁受力集中区，确定测点布置位置，采用钢板尺作为测试对象，验证理论分析和仿真分析及实验分析的结果一致性；2 应用力学知识（理论力学 材料力学），运用软件ansys分析悬臂梁受力集中区，确定测点布置位置，采用钢板尺作为测试对象，验证理论分析和仿真分析及实验分析的结果一致性；3 应用力学知识（理论力学 材料力学），运用软件ansys分析传动轴受力集中区，确定测点布置位置，采用钢板尺作为测试对象，验证理论分析和仿真分析及实验分析的结果一致性；以上力学分析，结构分析需回答并完成以下问题：（1） 应变片的种类及选取问题；（2） 每位学生需要利用AUTOCAD绘制一副应变片的2D图；（3） 运用proE或其它软件绘制测试对象3D图；（4） 运用力学理论分析其受力情况；（5） 将3D图导入ansys分析软件进行仿真分析；（6） 并运用应变片粘贴工艺知识，选取相应的粘合剂；（7） 完成相应的应变片粘贴过程，并进行粘贴质量检查；（8） 导线的连接与固定，并对粘贴后的应变片进行标定；（9） 布线和组桥方法，多个应变片误差的计算；（10） 根据上述测试过程，针对起重机 电机传动选取国内外标准传感器，构建实验，并注明相应的参数选取原因。二、实验器材电阻应变片2个、钢尺板1个、塑料直尺2个、502胶水一管、胶带若干、导线若干、100欧电阻两个、干净电路板一个、蜡烛一支、万用表、5V电源。其它辅助工具及器材皆取自实验室。三、实验预想步骤1、 用ansys软件将悬臂梁形变时的应力变化并确定最大应力点，然后截图。2、 在钢尺板上确定应变片粘贴点并用砂纸打磨干净。3、 选取相应的胶水将应变片粘贴在钢尺板两面的粘贴点上，然后蜡封，最后用万用表检验应变片是否存在短路现象，如果短路，重新实验，如果没有短路，则进行以下步骤。4、 在干净的电路板上建立电路桥。5、 将应变片、电路板及电源连接起来。用万用表测量起始电压、应变片的电阻。6、 给悬臂梁施加力，测量悬臂梁变性后两应变片的阻值和电路电压。7、 整理并分析数据，得出实验结果。四、实验操作步1、运用ansys软件仿真 钢尺 碳素工具钢 弹性模量 2.00-2.20 e11 泊松比 0.24-0.28 拉伸强度 600MPa 屈服强度 355MPa得到结果 最大应力 472MPa 最大应变 6.36cm 经过力学理论与ANSYS仿真比较，确定粘贴位置。2、在钢尺板的粘贴点上用砂纸打磨干净。3、用选定的502胶水将应变片粘贴在钢尺板两面的粘贴点上，然后蜡封，最后用万用表检验应变片是否存在短路现象，如果短路，重新实验，如果没有短路，则进行以下步骤。得出两个应变电阻值为121.4欧。4、应变片结构俯视图5、在干净的电路板上建立电路桥。6、连接电路，测的电源电压为4.78V。U01=2.08V。给悬臂梁施加4N力使之发生形变，待形变稳定后，测得应变片阻值R1=122欧，R2=120.8欧，U02=2.17V。五、实验数据及分析应变片压力值R1R2R3R4EU00 N100100121.4121.44.782.084 N100100122120.84.782.17六、电阻应变片的选择1、电阻应变片的工作原理：电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。一种利用电阻材料的应变效应将工程结构件的内部形变转换为电阻变化的传感器。此类传感器主要是通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变片将弹性元件的变形转换成电阻的变化，在通过测量电路将电阻的变化转换成电压或电流变化信号输出。它可用于能转化成变形的各种非电物理量的检测，如力、压力、加速度、力矩、重量等，在机械加工、计量、建筑测量等行业应用十分广泛。2、电阻应变片的分类：电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。3、 应变片的电阻应变效应：所谓电阻应变效应是指具有规则外形的金属导体或半导体材料在外力作用下产生应变而其电阻值也会产生相应的改变，这一物理现象称为“电阻应变效应”。4、应变灵敏度：它是指电阻应变片在单位应变作用下所产生的电阻的相对变化量。（1）、金属导体在受到应变作用时将产生电阻的变化，拉伸时电阻变大，压缩时电阻减小，且与其轴向应变成正比。金属导体的电阻应变灵敏度一般在2左右。6、半导体的应变灵敏度：半导体材料之所以具有较大的电阻变化率，是因为它有远比金属导体显著的多的压阻效应。 7、金属电阻应变片 金属电阻应变片的分类及其结构 金属电阻应变片分为丝式、箔式，薄膜式三种。金属丝电阻应变片的典型结构见图。它主要由粘合层1、3，基底2、盖片4，敏感栅5，引出线6构成。金属箔式应变片的敏感栅，则是用栅状金属箔片代替栅状金属丝。金属箔栅采用光刻技术制造，适用于大批量生产。由于金属箔式应变片具有线条均匀、尺寸准确、阻值一致性好、传递试件应变性能好等优点，因此，目前使用的多为金属箔式应变片，其结构见下图。金属电阻应变片工作原理简介金属电阻应变片的工作原理是电阻应变效应，即金属丝在受到应力作用时，其电阻随着所发 生机械变形(拉伸或压缩)的大小而发生相应的变化。电阻应变效应的理论公式如下:由上式可知，金属丝在承受应力而发生机械变形的过程中，、L、S三者都要发生变化，从而必然会引起金属丝电阻值的变化。当受外力伸张时，长度增加，截面积减小，电阻值增加;当受压力缩短时，长度减小，截面积增大，电阻值减小。因此，只要能测出电阻值的变化， 便可知金属丝的应变情况。这种转换关系为： 式中: R-金属丝电阻值的变化量;Ko-金属材料的应变灵敏系数,它主要由试验方法确定,且在弹性极限内基本为 常数值;-金属材料的轴向应变值,即 ,因此又称为长度应变值,对金属丝而言,其值勤 在0.24-0.4之间.。在实际应用中，将金属电阻应变片粘贴在传感器弹性元件或被测饥械零件的表面。当传感器中的弹性元件或被测机械零件受作用力产生应变时，粘贴在其上的应变片也随之发生相同的机械变形，引起应变片电阻发生相应的变化。这时，电 阻应变片便将力学量转换为电阻的变化量输出。金属电阻应变片电桥电路图 金属电阻应变片应用于力学测量时，需要和电桥电路一起使用;由于应变片电桥电路的输出信号微弱，采用直流放大器又容易产生零点漂移现象，故多采用交流放大器对信号进行放大处理，所以应变片电桥电路一般都采用交流电供电，组成交流电桥。根据读数方法的不同，电桥又分为平衡电桥和不平衡电桥两种。平衡电桥仅适合测量静态参数，而不平衡电桥则适合测量动态参数。 由于直流电桥和交流电桥在工作原埋上相似，为了方便起见，下面仅就直流不平衡电桥进行介绍。图所示电路是输出端接放大器的直流不平衡电桥的电路。第一桥臂接电阻应变片R1，其他三个桥臂接固定电阻。当应变片R1末发生应变时，由于没有阻值变化，电桥维持初始平衡条件的R1.R4=R2.R3，因而输出为零，即 UOUT=A(Rl.R4一R2.R3)=0 当应变片产生应变时，应变片产生R1的电阻变化，电桥处于不平衡状态，此时：假设，并考虑到电桥初始平衡条件，省略去分母中的微量，则上式可写成为从式中可以看出，输出电压正比于应变片发生应变时产生的电阻变化量们。电阻应变片的特性1、温度效应：用应变片测量应变时，除了能感受试件受力后的变形外，同样也能感受环境温度变化，并引起电阻应变片示值的变动，该效应称为温度效应。 补偿方法：通过惠斯登电桥桥路特性进行温度补偿。在电桥一个测壁上接一个与量测片同样阻值的温度补偿应变片，测量片贴在受力构件上，既受应变作用，又受温度作用。补偿片贴在一个与试验材料相同并置于试件附近，具有同样温度变化条件但不受外力作用。为此，电桥对角线上的电流计的反映只是试件受力后产生的变形，温度效应得以消除。 误差补偿有何要求： （1）补偿片与工作片应该是同批产品，具有相同电阻值、灵敏系数和几何尺寸。 （2）贴补偿片的试块材料应与试件的材料一致，并应做到热容量基本相等。 （3）补偿片的贴片、干燥、防潮等处理工艺必须与工作片完全一致。 （4）连接片与工作片的位置应尽量接近，使二者处于同样温度场条件下，以防不均匀热源的影响。（5） 连接补偿片的导线应与连接工作片的导线同一规格、同一长度，并且相互平列靠近布置或捆扎成束。补偿片的数量多少，根据试验材料特性、测点位置、试验条件的决定。2、横向效应：应变片除了有纵向的丝栅外，还有圆弧形或直线形的横栅。横栅即对轴向的应变敏感，也对垂直于轴向的横向应变敏感。当把应变片粘贴在一维应力F作用下的工件上时，纵向丝栅由于产生纵向应变，电阻值增加。而横栅由于纵向应变和横向应变的影响，电阻值减小。实际上横向丝栅将纵向丝栅电阻的变化抵消了一部分。这就是横向效应。电阻应变片的测量电路应变片将应变的变化转换成电阻相对变化R/R，还要把电阻的变化再转换为电压或电流的变化，才能用电测仪表进行测量。通常采用电桥电路实现微小阻值变化的转换。（一）电桥的非线性误差式(2-7)求出的输出电压是由略去式(26)分母中的R1/R1项 (假设R1/R11）而得的近似值。实际值为（26）式。可改写为非线性误差为对于对称电桥，n1时将1/(1+R1/2R1)按幂级数展开代入式（210），再略去高阶量，可得：可见非线性误差L与R1/R1成正比。对金属电阻丝应变片，因为R非常小，电桥非线性误差可以忽略，对半导体应变片，因为灵敏度比金属丝式大得多，受应变时R很大，非线性误差将不可忽略。为了减小非线性误差，常采用的措施为：（1）采用差动电桥，如图210(a)，在试件上安装两个工作应变片，一片受拉，一片受压，然后接入电桥相邻臂。电桥输出电压为设初始时为R1R2R3R4=R，R1R2=R，则上式可简化为可见，这时输出电压U0与R/R成严格的线性关系，而且电桥灵敏度比单臂时提高一倍，此外还具有温度补偿作用。为了提高电桥灵敏度或进行温度补偿，在桥臂中往往安置多个应变片，电桥也可采用四臂差动电桥，如图210(b)，与上同理，可得输出电压为：（2）采用恒流源电桥产生非线性的原因之一是在工作过程中，由于产生R变化，使通过桥臂的电流不恒定，若用恒流源供电，如图211所示：供电电流为I，通过各臂的电流为I1和I2，R1=0时：若电桥初始处于平衡状态，而且R1R2R3R4=R当第一臂电阻R1变为 RR时，电桥输出电压为由上式可见，分母中的R被4R除，与恒压源相比，非线性误差减小一倍。所以半导体应变电桥一般采用恒流源供电。七、电阻应变片的粘贴工艺1、打磨：选择的构件表面待测点需经打磨，打磨后表面应平整光滑，无锈点。2、画线：被测点精确地用钢针画好十字交叉线以便定位。3、清洗：用浸有丙酮的药棉清洗欲测部位表面，清除油垢灰尘，保持清洁干净。4、粘贴：将选好的应变片背面均匀地涂上一层粘结剂，胶层厚度要适中，然后将应变片的十字线对问候语构件欲测部位的十字交叉线，轻轻校正方向，然后盖上一张玻璃纸，用手指朝一个方向滚压应变片，挤出气泡和过量的胶水，保证胶层尽可能薄而均匀，再用同样的胶粘贴引线端子。注意 ：粘结剂的选择：粘结剂的主要功能是要在切向准备传递试件的应变。因此，它应具（1）与试件表面有很高的粘结强度，一般抗剪强度应大于9.8106Pa；（2）弹性模量大，蠕变、滞后小，温度和力学性能参数要尽量与试件配；3）抗腐蚀，涂刷性好，固化工艺简单，变形小，使用简便，可长期存；4）电绝缘性能、耐老化与耐湿性能均良好。一般情况下，粘贴制作应变计的粘结剂是可以通用的。但是，粘贴应变计时受到现场加温、加压条件的限制。通常在室温工作的应变计多采用常温、指压固化条件的粘结剂；非金属基应变计若用在高温工作时，可将其先粘贴在金属基底上，然后再焊接在试件上。粘合剂种类 ：热固化单组分粘合剂、环氧树脂粘合剂用于应变片安装，可用于所有类型应变计。双组分黏合剂应用时，需要加压和加热为液体。因此适合于无孔表面。粘弹性双组分胶用于安装光纤应变计，非常容易使用。使用胶水只需要将混合喷嘴插入墨盒中，并注入粉剂，混合喷嘴即可提供胶水。粘合剂的固化时间取决于外部环境。双组分合成树脂黏合剂作为一种冷固化胶，因此非常容易处理并且费用低廉. 在正常的环境下可以固化，可适用于光滑和可吸收的表面。单组分黏合剂由丙烯酸脂制成的冷固化黏合剂。固化将形成非常薄的粘合层。在正常的环境下可以固化。空气湿度应该在 40% 和 70% 之间。在非常低的湿度下不能固化( 40 %, 表面将起酸反应 )。双组分黏合剂包括液体(B)和粉末(A)。调配非常容易;典型的应用包括: 低温，多孔材料，以及用于保护电缆。黏合剂催化剂在一些情况下固化非常缓慢，或者不能完成，例如干燥的空气（湿度在40%以下），酸性表面或者过低温度。在这些状况下，你需要使用来催化剂来缩短固化时间。本次实验使用的是 502胶水 502胶水为用于多孔性及吸收性材质之接着，用于钢铁链接效果好1、单一成份：无溶剂，使用方便。2、瞬间接着：利用大气中微量水气，即可在极短时间内接着。3、常温硬化：不须加热常温下即可使用。4、透明无色：效果佳不变质。5、较高粘度：适合多孔及吸收性材质之接着6、502强力胶水，无色透明流动性良好的液体，易挥发，遇水即聚合固化。7、本产品单组份、固化速度快、使用方便、粘接力强、粘接材料广泛。8、502胶水属于单组份瞬间固化的粘合剂，由于其粘接速度快、粘接牢固。八、实验心得1、准备越充分，实验越顺利。古人云，磨刀不误砍柴工。前期的知识储备、材料准备、方法准备可以避免手忙脚乱，充分的预实验使你充满信心