(悬臂梁电测应力)讲义.doc

2.4静态数字电阻应变仪电阻应变仪是实验应力分析中电测法所必需的测试仪器。随着科学技术的发展，电阻应变仪已转向多点、高精度、数字化、自动化。 YJ-4501A静态数字电阻应变仪采用直流电桥、低漂移高精度放大器、大规模集成电路、A/D转换器及微计算机技术并带有RS-232接口。具有位数字显示，测量简便、精度高、准确可靠稳定性好、易于组成测试网络、便于维修等优点。本机带有12个通道，并可扩展测量通道。 一、工作原理YJ-4501A静态数字电阻应变仪的基本原理方框如图2-5所示。测量电桥模拟放大电路A/D电路转换单片计算机测量通道切换网络测量电桥n继电器键盘显示看门狗电路全桥/半桥选择RS-232功率驱动电路图2-5 应变测量时，欲测试件或构件表面某点的相对变化量l/l即线位移，可使阻值为R的电阻应变片粘贴在试件或构件被测处。，当试件或构件受外力作用产生变形时，应变片将随之相应的变形，根据金属丝的应变电阻效应，应变片阻值发生变化，在一定范围内，应变片电阻的相对变化量R/R与试件或构件的相对变化量成线性关系，即 （2-1）式中，k称为应变片的灵敏系数。由于应变很小，很难直接测得。但由上式可知，只要测得R，就可以求得应变。为此，我们通常将电阻应变片（或电阻应变片和精密电阻），组成如图2-6所示的测量电桥。图中U0为供桥电压，Ui为电桥输出压，R1R4为电阻应变片（或电阻应变片和精密电阻），根据电桥原理可得DBACR3I2R4R2R1I4I3I1UiU0图2-6 （2-2）若在电桥中R1=R2=R3=R4=R，则R1、R2、R3、R4均有相应的电阻增量R1、R2、R3、R4时，电桥输出电压（忽略高次微量）为 （2-3）将式（2-1）带入式（2-3），得 （2-4）由此可得应变仪的读数为 （2-5）被测量值经测量电桥，通过模拟放大，A/D转换，由单片机实时控制，完成数据采集的计算处理，显示和传输；通过单片机还实现了半桥，全桥自动选择，测量通道切换等实时控制。二、温度补偿 贴有电阻应变片的构件总是处在某一温度场中的。当这温度场的温度发生变化时，就会造成应变片阻值相对变化；而且当应变片电阻栅粘接剂的线膨胀系数与材料的线膨胀系数不同时，应变片就会产生附加应变。这种现象称为温度效应。 温度效应造成的电阻相对变化是比较大的。严重时，温度每升高1C，应变仪的指示应变可达几十微应变。显然，这不是需要测量的应变，必须消除。消除温度效应影响的措施，称为温度补偿。 温度补偿是将一片规格、材料及灵敏系数与工作应变片R1（即粘接在构件待测点上的应变片）完全相同的应变片R2（温度补偿片）粘贴在一块与被测构件材料相同达们但不受力的试样上（或直接粘贴在构件上不受力且离被测点较近的部位）。并将试样放在离被测点尽可能接近的位置（处于同一温度场）。用同一规格和长度的导线，按相同的走向接至应变仪，联成半桥电路，并使工作应变片与温度补偿片处于相邻的桥臂。这这时，工作应变片的应变应包含由力产生的应变和温度产生的应变两部分，即 （2-6）而温度补偿片的应变，是由温度产生的，即 由于是半桥接线，故由式（2-4）可知，从测量桥上测得的应变值为 于是，由应变仪的指示器上读得的数值就是工作应变片所在测点处受力的作用所产生的应变，从而自动消除了温度变化对测量结果的影响。 三、操作步骤 打开应变仪背面的电源开关，上显示窗口提示符Nh-和序号，且半桥键、手动间指示灯均亮。按数字键01（或任一测量通道序号，按功能键无效），应变仪进入半桥、手动状态，左下显示窗口显示01通道（或所按的序号通道），右下显示窗口显示上次关机时的灵敏系数，上显示窗口所按通道上测量电桥的初始值（或检测值）。1灵敏系数k的测定 在手动测量状态下，按K键，K键指示灯亮，灵敏系数显示窗口（右下显示窗）无显示，应变仪进入灵敏系数设定状态。通过数字键键入所需的灵敏系数值后，K键指示灯自动熄灭，灵敏系数设定完毕，返回到手动测试状态；若不需要重新设定k值，则再按K键，K键指示灯熄灭，返回到手动测量状态，灵敏系数显示窗口仍显示原来的k值。K值设定范围为1.82.5。2全桥、半桥选择 应变仪半桥键指示灯亮时，处于半桥工作状态；全桥指示灯亮时，处于全桥工作状态。根据测量要求，若需要半桥测量则按半桥键，若需全桥测量则按全桥键。3测量应变仪面板后部如图2-7所示，有0112个通道的接线柱，0通道为校准通道，其余为测量通道。应变仪测量分为手动测量和自动测量。 图2-7 (1)手动测量DBACR3R4R2R1DBACR3R4R2R1图2-8（a）（b）1）半桥工作状态：应变仪手动键和半桥键的指示灯亮时，处于手动半桥工作状态。分别在各通道的A、B、C接线柱上按图2-8（a）半桥接线法接入被测电阻（即应变片），通过置零键对各测量通道置零（可反复进行），通道切换可直接用数字键键入所需通道号（0102），也可以通过上行、下行键顺序切换通道。各通道置零后，即可进行测试检测。如果用公共补偿测试方法，则按图2-9所示，各通道的A、B接线柱接工作片，补偿片接在0通道的B、C接线柱上；亦可用公共补偿接线法，各通道的A接线柱接工作片，工作片公共线接在任何一同的B接线柱上（各通道B接线柱仪器内部是接通的），补偿片接在O通道的B、C接线柱上。2）全桥工作状态：应变仪手动键和全桥键的指示灯亮时，处于全桥工作状态。分别在各通道的A、B、C、D接线柱上按图2-8（b）全桥接线法接入被测电阻（即应变片），通过置零键对各测量通道置零（可反复进行），然后进行测试检测。通过切换与（a）相同。补偿片工作片C1DBR3R4R2R1A2341234图2-9R154321AB1CD补偿片R2R4R3R1（2）自动测量：自动键的指示灯亮时，应变仪处于自动测量状态，其半桥、全桥工作状态选择与手动测量相同。在自动测量状态下，按置零键后，仪器按顺序自动对各通道置零；按F键后，仪器按顺序自动对各通道进行检测，并自动将检测到数据通过RS232借接口传输给计算机。 在自动测量状态下，除半桥、全桥、置零、F键能工作外，其余键均不能起作用。若要设定k或进行校准灯，需在手动状态下进行。2.5 电测法的基本原理 电测应力应变实验方法（简称电测法）就是将物理量、力学量、机械量等非电量通过敏感元件转换成电量来进行测量的一种实验方法，它不仅用于验证材料力学的理论、测量材料的力学性能，而且作为一种重要的实验手段，为解决实际工程问题及从事研究工作提供良好的实验基础。因此掌握这种实验方法，可增强解决实际问题的能力。电测法的基本原理是用电阻应变片测定构件表面的线应变，再根据应变应力关系确定构件表面应力状态的一种实验应力分析方法。这种方法是将电阻应变片粘贴到被测构件表面，当构件变形时，电阻应变片的电阻值将发生相应的变化，然后通过电阻应变仪将此电阻变化转化成电压（或电流）的变化，再换算成应变值或者输出于此应变成正比的电压（或电流）的信号，由记录仪进行记录，就可得到所测定的应力或应变，其原理框图如图2-10所示。电测法的优点是：（1）测量灵敏度和精度高，其最小测量灵敏度为1微应变（即10-6）。在常温静态测量时，误差一般为1%3%；动态测量时，误差在3%5%范围内。（2）测量范围广。可测12104微应变；力或重力的测量范围在10-2105N内。被侧物体电量欲测量被侧物体敏感元件光、电、机传感器测量仪器数据采集与处理电压电流数字量物理量力学量机械量生物参数图2-10（3）频率响应好。可以测量从静态到数105Hz的动态应变。（4）轻便灵活。适用于现场或野外等恶劣环境下进行测试。电阻应变片的最小标距仅0.2mm。（5）能在高、低温或高压等特殊环境下进行测量。（6）便于与计算机连接进行数据采集与处理，易于实现数字化、自动化及无线电遥测，可广泛用于生产管理的自动化及控制。（7）可制成各种传感器，如力、位移、压力、加速度传感器等。电测法的缺点是：（1）只能测量构件表面有限点的应变，而不能测量构件内部的应变。（2）只能测得电阻应变片栅长范围内的平均应变值，因此对于应力集中及应变梯度大的应力场会引起较大的误差。 一、电阻应变片的工作原理 1、电阻应变片的构造与种类 电阻应变片一般由敏感栅、引线、基底、覆盖层和粘结剂组成，其构造如图2-11 所示。图2-11图2-12 电阻应变片有丝绕式电阻片和箔式电阻片两大类，如图2-12所示。丝绕式应变片是用直径为0.0030.01mm的铜镍合金或镍铬合金丝绕成栅状而成；箔式应变片则是采用厚度为0.0030.01mm的应变合金为敏感材料，经光刻腐蚀工艺制成敏感栅。箔式应变片制造工艺自动化，可大量生产各种规格、形状和尺寸的应变片。箔式应变片具有横向效应小、粘贴牢固、散热性能好、疲劳寿命长和测量精度高等许多优点，故得到广泛的应用。2、 阻应变片的工作原理电阻应变片主要是根据金属丝电阻应变效应的物理原理工作的。当金属丝沿其轴线方向受力而产生变形时，其电阻值也随之发生变化，这一现象称为电阻应变效应。由物理学可知，金属导线的电阻为 （2-7）式中：为导线材料电阻率，为导线长度，为导线截面积。对式（2-7）等号两边取对数在微分得到 （2-8）式中，l/l为金属导线长度的相对变化，它可以用线应变表示，即 （2-9）而A/A为导线截面积的相对变化，若导线直径为D，则 （2-10）式中为导线材料泊松比，。 将式（2-9）和（2-10）代入式（2-8）即得到 （2-11）上式表明，粘贴在构件上的电阻片受力变形时，其电阻相对变化率R/R与导线的应变l/l成一次函数关系。由于电阻片的敏感栅并不是一根直丝，所以比例系数一般在标准应变梁上由抽样标定测得，标定梁为纯弯曲梁或等强度梁。对于电阻片来说，式（2-11）可写成 （2-12）式中k为电阻片的灵敏系数。K值在电阻应变片出厂时由厂方标明，k值一般为2.0左右。3、电阻应变片的选择应变片种类、规格很多，只有正确选用合适的应变片，才能保证测量精度和可靠性，达到预期的测试目的。选用应变片时，应根据试验环境、应力状态、应变梯度及测量精度等因素来决定，一般应遵循以下原则。（1）应变片标距的选择 在均匀应变场或应变梯度小的构件上测量，应采用标距为310mm的中标距应变片。中标距应变片比其他标距应变片性能要好，且分散性较小。在应变梯度大或有应力集中的区域，应选用小于3mm的小标距应变片，以获得更接近于测点真实应变的测量值。在非均质材料上测量，应选用长标距的应变片，如在混凝土、岩石、相似材料等构件上进行测量。对动态应变测量，如应变片在长期交变载荷下工作，应使用疲劳寿命高的应变片，如箔式应变片。测量高频应变时宜选用标距相对较小的应变片。应变片在强磁场作用下，使敏感栅磁致伸缩，产生干扰信号，造成测量误差。因此，敏感栅材料应采用磁致伸缩效应小的镍铬合金、铂钨合金或防磁应变片。（2）基底的选择 基底的材料决定了应变片的工作温度，测量时应根据构件的温度，选择合适该温度范围内使用的应变片，在明显超出应变片的工作温度范围时，应变片的正常工作特性不能保证。潮湿对应变片的性能影响很大，潮湿将使应变片对构件之间的绝缘电阻变小、电容变化和粘接强度降低等现象，造成零点漂移，灵敏度下降，因而产生误差，严重时甚至使应变片锈蚀损坏。在潮湿环境中，应使用防潮性能好的胶膜基底应变片，并采取适当的防潮措施，如涂敷各种防潮剂等。（3）敏感栅个数的选择 在单向应力状态下，沿应力方向贴片测量应变时，应采用单轴应变片。而在平面应力状态下测量应变时，应使用应变花，应变花的面积要尽量小，相对地接近于一点为好，且横向效应系数要小。（4）测量精度的选择 工厂生产的应变片同一规格分为若干精度等级。应根据应变测量中对精度的要求选择合适的等级。一般认为以胶膜为基底，如铜镍合金或镍铬合金材料为敏感栅的应变片的性能较好，它具有精度高、稳定性和防潮性能好等优点。（5）电阻值的选择 用于应变测量时，应选用名义值为120的应变片，因为应变仪的电桥是按120桥臂电阻的应变中系数k=2.00设计的。采用其他阻值时，对测量结果要进行修正。 4、电阻应变片的粘贴与防护（1）应变片选择和检查 在确定采用应变片类型后，应该对应变片进行外观检查和阻值测量。检查应变片的敏感栅有无锈班、缺陷，基底和覆盖层有无损坏，引线是否牢固。电阻值测量目的检查应变片是否有断路和短路情况并按阻值进行分选，以保证使用同一温度补偿片的一组应变片，使其阻值差不超过0.1。（2）胶粘剂选择 目前常用的应变胶有：氢基丙稀酸脂，如501、502胶，其优点是：在常温下指压快速固化，操作简便，容易掌握，粘接强度高；缺点是耐久性、耐潮性差。它主要用于短期内的应变测量；环氧树脂，如914胶；酚醛树脂，如1720胶、JSF-2和JSF-4胶等多种型号，这两类胶的粘接力强，时间稳定性好，蠕变、滞后小、耐潮性好，能在稍高于常温下工作，主要长期应变测量，是制作应变式传感器的理想粘接剂。（3）测点表面的处理 首先清除测点表面的污垢、漆、锈班和氧化层，用砂轮或锉刀、砂布等打平、磨光，在磨光的表面用细砂布沿450方向交叉打出一些纹路，以便增加粘接力，用钢划针画出贴片定位线，接着用浸有丙酮（或无水酒精）的脱脂棉球擦洗，直至清洗棉球不见污迹为止。（4）贴片 在应变片的底面或测点位置上涂薄薄一层胶水，用手指捏住应变片的引线，把应变片轴线对准坐标线，上面盖一块透明的聚四氟乙烯薄膜，用手指均匀按压，并从有引线的一端向另一端滚压，以挤出气泡和过量的胶。轻轻按压适当时间后，即可松开手指。贴好的应变片应保证胶层均匀、位置准确、无气泡和整洁干净。（5）固化 氢基丙稀酸胶，（如501、502胶水），只要在室温下放置数小时即可充分固化。如经600C以内的烘烤可进一步提高粘接强度，一般是用红外线灯烘烤，但要避免聚热。其他需要加温固化的粘接剂，应严格按规范进行。（6）导线的焊接与固定 在应变片初步固化以后即可进行焊接导线。常温静态测量可使用双芯多股铜芯塑料电缆作导线，动态测量应用屏蔽电缆。导线与应变片引线之间最好使用接线端子，接线端子粘在应变片附近，将导线与应变片分别焊接在端子上。常温应变片均用锡焊，导线、引线的焊接应保证无虚焊，已焊好的导线应在零件上牢靠地固定。（7）检查与防护 对已充分固化并已连接好导线的应变片，在正式使用前必须进行质量检查。除对应变片作外观检查外，尚应进行应变片是否粘贴良好、贴片方位是否正确、有无短路和断路、绝缘电阻是否符合要求等。以上检查没有问题后，应采取恰当的保护措施。防止方法的选择取决于应变片的工作条件、工作期限及所要求的测量精度。对于常温应变片，常采用硅橡胶密封剂、凡士林、蜂蜡及环氧树脂等防护方法。二、电阻应变片的工作原理1测量电路测量电路有很多种，最常见的就是惠斯登电桥电路，如图2-13所示。其工作原理请DBACR3I2R4R2R1I4I3I1UiU0图2-13参看2.5节，静态电阻应变仪的工作原理。2应变片在电桥中的接线方法（1）半桥接线法；（2）全桥接线法； （3）1/4半桥单臂、公共补偿片接线法。3组桥方法组桥方法以XL2101B3电阻应变仪的结构和接线方法说明：2.6 XL 2101B2/B3应变仪的使用说明一、XL 2101B2/B3性能指标 测量范围：020000 零点不平衡范围：5000 灵敏系数设定范围：1.003.00 基本误差：0.2%F.S. 3个字 自动扫描速度：1点/3秒 测量方式：1/4桥、半桥、全桥 零点漂移：3/4小时：/ 桥压：DC2V 分辨率：1 0 测点数：B210、B316 显示：8位LED2为测点序号、6为测点应变值 电源：AC22V（10%）50Hz 功耗：约15W二、XL 2101B2/B3操作键的用途 电源开关工作状态指示灯功能按键应变值显示前面板说明功能按键（从左右）如下：1、自动平衡键：对本机全部测点自动扫描从B2（0110）、B3（0116）进行全部测点的桥路自动平衡（预读数法）。平衡完毕返回01测点。2、灵敏系数键：按该键后进入灵敏系数修正状态。灵敏系数设定完毕后自动保持，下此开机时仍然有效。3、单点平衡键：在手动测量状态，对当前测点进行自动平衡操作。4、通道减键：在手动测量状态，按键一次，当前测点序号减1，并显示对应测点的应变值。5、通道增键：在手动测量状态，按键一次，当前测点序号增1，并显示对应测点的应变值。备注：在手动测量状态，同时按下“通道增”键及“通道减”键，则进入自动扫描测量状态（1点/3秒）。此时可通过手工记录方式记录各测点应变值，退出自动扫描状态时，请按“灵敏系数键“。工作状态指示灯：（从左右）如下：1、自动平衡指示灯：在所有测点进行桥路自动平衡时被点亮。2、自动指示灯：在进行自动扫描状态时被点亮。3、手动指示灯：在进行手动测量状态时被点亮。 三、XL 2101B2/B3组织及结构XL 2101B2/B3系统示意图控制信号粘贴在结构件上的应变片 接线端子 通道切换高精度数据放大器有源滤波器高精度模数转换器M C U供桥电压键盘显示2101B-K1接口选件：用于连接微机DC2VXL2101B2/XL2101B3四、XL 2101B2/B3的使用方法1、准备工作1） 根据测试要求，使用1/4桥、半桥或全桥测量方式。2） 建议尽可能采用半桥或全桥测量，以提高测试灵敏度及测量点之间的温度补偿。3） 将仪器与AC220V、50Hz电源连接。2、接线1）电桥接线端子与测量桥原理对应关系如图示。B1为测量电桥的辅助接线端，在1/4桥测量时使用，半桥、全桥测试时不使用B1端。打开仪器的上面板，会看到接线单元部分，由10/16组电桥接线端子和1组公共补偿片接线端子及一个桥路切换开关。3、组桥方法1）接线示意图 XL 2101B2接线单元示意图2）组桥示意图图3：1/4半桥单臂、公共补偿的接线方法图4：半桥测试接线图5：全桥测试接线应注意：在1/4桥测试时，应在B和B1端，连接出厂时配备的短接线或短接片，只有1/4桥测试时需要连接短接线；半桥/全桥测试时B与B1之间的电器开关断开，否则会影响测试结果。4、测量1）仪器预热20分钟，即可进行测试。2）在手动状态下（手动指示灯亮），按“自动平衡“键，可进行所有测点的桥路的自动平衡。此时，通道显示从01依次递增到10/16，自动平衡指示灯同时点亮。完成自动平衡后，仪器返回手动状态01号测点。在测量中，如果测点桥路零点漂移，可在手动状态下按“单点平衡”键可对当前测点进行平衡。注意：因“自动平衡“按键将对所有测点通道依次扫描进行平衡，故为避免误操作，应按住该键三秒钟以上，系统才会自动平衡。3）手动状态时，按“通道增”、“通道减”键进行单步测量，按键一次或增或减当前通道序号，同时LED显示按键处理后的通道号和应变值。4）同时按下“通道增”、“通道减”键，“自动”指示灯亮，仪器将进入自动巡检状态，从当前测点开始进行循环测量（1点/3秒）。此时可手工记录扫描到的测点数据。退出“自动测量”状态时按“灵敏系数”键返回手动测量状态。5）当LED显示“”时，表示当前测点输入过载或平衡失效，请检查应变片是否损坏及接线是否正确等。5、灵敏系数的设定在XL2101B2/B3上自检过程中，即DEL显示全8字样及“HL2101”时按下“灵敏系数”键约一秒钟以上，则XL2101B2/B3不进入到测试状态，而进入到系统设置状态。首先进入系统工作模式设定状态（本机自控/计算机外控）C1.LED显示本机控制模式 计算机控制模式此时，可用通道增键循环选择C1设置的）on/off状态，按灵敏系数键存入设置，按自动平衡键放弃修改，之后进入测量参数设置方法选择状态。悬臂梁电测应力实验一、实验目的（1）了解用电测法测取应力的基本原理和方法。（2）学会仪器使用、应变片的粘贴、实验的设计、温度补偿片的使用。（3）学会使用电阻应变仪测量悬臂梁应力。二、实验设备和仪表（1）悬臂梁实验装置一台。（2）静态数字电阻应变仪一台。 （3）万用表、应变片、502胶、电烙铁、导线、镊子、绝缘胶布、游标卡尺，钢卷尺等。三、装置及原理测量对象是一个钢制矩形截面的悬臂梁，如图4-4所示。在悬臂梁某截面上选A1、A2、A3、A4四个测点。由于各测点在试件的上、下表面，所以各测点均处于单向应力状态，注意在各测点处粘贴电阻应变片必须与杆轴平行，的测点上粘贴的应变片也标以测点名称A1、A2、A3、A4，它们均为工作片。贴于梁外伸端无应力处为补偿片。加载后可得到测点的电阻应变值，再由单向虎克定律即可计算得到应力值。 =E （4-10）式中：E为材料的弹性模量，可取E=210GPa 测量时可采用等量加载荷，每加载一次，记录应变仪读数一次，至最大载荷（25kg）为止。A1A3A2A4图4-4A1A3温度补偿片工作片四、实验步骤（1）筛选应变片 应变片的外观应没有破损，丝栅或箔栅有无锈蚀斑痕。用数字万用表检查应变片的阻值在出厂时规定的范围内。 （2）处理试件表面 在需要贴片的部位处理出应贴应变片基底面积的3倍的区域。其方法是：用砂纸打磨出与应变片轴线约成45的交叉纹，用钢针画出应变片的定位线。用蘸有丙酮的脱脂绵球擦洗干净，直至绵球洁白为止。（3）粘贴应变片、焊线 一手用镊子捏住应变片的引线，一手拿502胶瓶，在应变片底面上涂一层粘结剂，并立即将应变片放置于试件上（切勿放反），且使应变片基准线对准定位线。用一小片聚四氟乙烯薄膜盖在应变片上，用手指沿应变片轴线朝一个方向滚压，以挤出多余的粘结剂和气泡。注意此过程要避免应变片滑移或滑动。保持12min后，由应变片的无引线一端向有引线一端，沿着与试件表面平行方向轻轻揭去聚四氟乙烯薄膜。用镊子将引线与试件轻轻脱开，检查应变片是否为通路。应变片与应变仪之间，需要用导线连