装备测试技术演示

装备测试技术,绪论,课程概况：,学时数：20学时（周学时4）主要内容：电阻应变测试技术、压力容器无损检测课程特点：实用性教材：实验应力分析清华大学张如一（第二篇）过程装备制造与检测邹广华等编（第篇）主要参考书：实验应力分析潘少川电阻应变测试技术四川省建筑科学研究所承压类特种设备无损检测相关知识王晓雷,概述,一、结构强度设计的方法,上海东方电视塔总高468m主体高350m球径45m,飞机整机结构强度试验机翼破坏试验,飞机整机结构强度试验机身破坏试验,二、开课原因：,1、科学研究的需要测试技术2、工程技术实际需要测试技术3、生产工艺要求超出标准规定（即超标设计）4、结构过于复杂无法用常规的方法计算5、检验结构加工质量以及确保其安全使用也需要相应的测试技术,掌握应力测试的基本原理和方法，建立质量检测的概念，能够应用所学的知识进行基本的测试和检测。,三、开课目的：,四、测试技术的发展趋势,不断提高仪器仪表的性能可靠性，扩大应用范围研究新型材料，并制成器件、电路一体化的仪表研究无接触测量技术采用微机处理器，使仪器智能化研究新型原理的传感器五、测试依据JB4732-1995钢制压力容器分析设计标准附录B实验应力分析中：“对于结构中的控制应力，当理论应力分析不适当或无可用的设计公式与数据时，可采用本附录规定的方法来确定”。在该标准中并规定“确定控制应力的试验，可采用应变电测试验或光弹试验，也可采用其它可靠的试验方法”。若是“确定极限载荷，应采用应变电测试验方法。”JB/T4730-2005承压设备无损检测,实验应力分析,从测量范围,全场测量,逐点测量,脆性涂层、光弹、云纹,变形仪法、电阻应变电测法,实验应力测试方法的分类：,电阻应变测试技术,电测的原理：电阻应变测试技术是凭借安装在试件上的电阻应变片，将力学量转换成电阻的变化，并用专门的仪器把电阻的变化再转变成电流或电压或功率形式输出，从而获得试件应变状况的测量方法。,电阻应变测试物理量变化过程：,发展过程：,英国人W.Thomson发现的1856年发表“金属电动力学性质”的论文，详细描述了“金属丝在应变的作用下会发生电阻变化”的现象。文中给出了三个关键性的结论：1、铜丝和铁丝的应变与其电阻变化成函数关系；2、铜丝和铁丝的应变与电阻之间关系有不同的灵敏度；3、由于应变而产生的微小电阻变化可用惠斯登电桥测量。1936年美国人E.Simmons和A.Ruge制成纸基丝绕式电阻应变片。1940年投入批量生产。,电阻应变片,一、应变片的工作原理A、应变片的构造,B、应变片的类型,C、金属丝的应变电阻效应,金属丝的应变电阻效应金属材料的电阻值随其机械变形而变化的一种物理特性。,设：金属丝长度为L截面积为A电阻率为电阻值为R,加载后金属丝的变化：,电阻率与金属丝体积关系：,前苏联的布里奇曼在研究了高压液下的电阻丝特性时指出电阻率的变化与三向压力有关，其与导体体积变化成线性关系m仅与材料和加工方法有关。,金属丝的灵敏系数：,应变片实际工作状况：,应变片与金属丝间的区别：,应变片由敏感栅、基底等组成，它的灵敏系数受到横向变形的影响，同时受胶层、基底等传递变形能力的影响。金属丝电阻率变化的机理至今未完全掌握，从理论计算得到灵敏系数精确值尚不可能。,应变片电阻相对变化率与应变间的关系：,电阻应变片灵敏系数定义：当应变片安装在单向应力状态的试件表面，其轴线与应力方向相同时，应变片的灵敏系数为应变片的电阻相对变化率与沿其轴向应变之比。,应变片灵敏系数的5个主要影响因素：,制作应变栅的金属丝材的特性应变片的几何形状粘结剂和基底材料传递应变的性能和厚度应变片的制作，粘贴等加工过程被测件的材料和测点的应力状态,应变片灵敏系数的测试条件：,常温下进行测量时，温度波动不能超过1抽检数量：丝式取5%，箔式1%，且不少于6片标定应在一维应力场下进行测试，且试件材料的=0.285测试装置采用等强度梁或等弯矩梁。,应变片的横向效应,一个单向应变同时作用于应变片的栅宽和栅长，所产生的相应电阻变化率的比值百分数。,横向效应系数实际测量的装置：,应变片的横向效应系数定义,横向效应系数的表达式,应考虑横向效应系数修正的几种情况：,1、测量状况与标定状况间仅是材质的不同，所产生的误差一般不超过1%，无需修正。2、在单向应力状态下，应变片的主轴线与应力方向不重合时应进行修正。3、在平面应力状态下一般应进行修正,应变片的工作特性参数,应变片的电阻值R=601000机械滞后绝缘电阻蠕变应变极限疲劳寿命灵敏系数横向效应系数详见课本表4-3,应变片的测量电路,一、电桥的构造,二、电桥的分类,电压桥的输出电压,电桥的平衡条件：,承受应变后电压桥输出电压：,对于等臂电桥和卧式电压桥输出电压,等臂电桥和卧式电压桥输出电压线性化处理,设：,原输出电压表示式可表示成：,则：,若舍去非线性部分，产生的相对误差,等臂电桥和卧式电压桥输出电压,立式电压桥输出电压：,电流桥,负载电阻为RL。其以流经RL电流形式输出，此时负载电阻两端电压为：,电流桥等效电路及输出电压：,功率桥,当负载电阻等于电桥内阻时，输出的电功率最大。此时输出电压为：,三种形式电桥比较：,平衡条件相同输出电压与供桥电压成正比输出电压与桥臂电阻相对变化率间均存在加减特性。三种电桥间存在一定关系不同负载电阻时，电桥的输出电压对电阻变化率有不同的灵敏度，电压桥最大。电压桥的输出电压仅与桥臂电阻变化率有关，电流桥还与负载阻值大小有关。,一、温度对测量影响的主要因素：,1、温度变化时，应变片金属栅的阻值将发生改变。2、温度变化时，因应变片和构件间线膨胀系数不同，将产生附加电阻变化。3、应变片敏感栅和引线材质不同，在焊接点形成热电偶，在焊点处将产生复杂的热电势。4、温度变化时，胶层传递应变的能力变化，引起应变片的灵敏系数变化。,B、温度对电测的影响及其补偿方法,二、温度补偿方法：,三、补偿片法消除温度效应：,设：两应变片特性参数均相等,四、采用补偿片法应注意的问题：,工作片和补偿片的阻值、灵敏系数、电阻温度系数都应相等。补偿块与构件材质必须相同，且厚度相当。补偿块与构件必须同处一温度场中。,交流电桥,在实际使用中，应变仪内是以交流电作桥源电压、载波放大的方式，以构成交流电压输出桥。,一、交流电桥的平衡条件,因此桥臂复数阻抗为,式中,交流电桥桥源电压的圆频率,当取半桥接法时，电容的影响可认为仅在应变电桥的半桥。,交流电桥的平衡条件为,各臂的阻抗为：AB：,BC：,CD：,DA：,代入上式整理得：交流电桥平衡的条件,故有：,从交流电桥的平衡条件得出：此时电桥除电阻平衡外，分布电容尚需满足一定的条件，交流电桥才可能达到平衡。,二、交流电桥输出电压与应变片电阻变化率间的关系,设电桥负载电阻为无穷大，电桥接法采用卧式半桥接法，输出电压为：,设应变前电桥经过仔细的平衡：R1=R2=R，C1=C2=C,设电桥中应变片承受应变后有,应变片的电阻变化造成的电压输出。,证明：在分布电容不太大的情况下，令,而不会对,产生太大的影响。,忽略带来的相对误差,将其展成幂级数，并略去高阶小量得：,当供桥的交流电频率低于50KHz，规定误差：,设,通常使用的双股导线分布电容约为：100200pF/m，则导线长度应限制在10m内。,电容不平衡造成的输出电压,相位不同,交流电桥输出电压：,电位计式电路,电位计式电路的电路图,E为输入电压，AB是输出端，在未受载荷时应变片的电阻值为R1、R2,，,受载荷后应变片电阻值有增量，此时输出电压为：,此时AB端开路时电压为：,令,代入上式得：,电位计式电路实际使用中通常R1是应变片，而R2采用固定电阻，故实际使用中电位计电路输出电压为：,流经应变片的电流,令：,镇定电阻,r=9,当应变片电阻值R1=120，K=2，Ig=20mA，则,若输入电压E=24V，,B、在进行布片、接桥前应做的事情：,对构件进行全面的受力分析了解测点处受力的状况，掌握应变的分布状况如何利用应变电桥的加减特性提高测量的灵敏度,并得到所需载荷引起的应变分量,应变片在构件上的布置和在电桥中的接法,A、应变片布置接桥中应注意的问题：,应变片所感受的是构件表面应变栅所覆盖区域内的平均应变量。应变片给出的应变可能是多种载荷共同作用下的合应变，如何在测量中分离出所需载荷产生的应变量。,例1：压力容器法兰密封垫圈的比压y，均是通过实验测定的。今要精确取得一搪瓷反应釜法兰密封垫圈比压。问应如何测量？已知密封垫圈有效宽度为b0，法兰密封中径D，螺栓个数N，螺栓横截面积F。,若每个螺栓压紧力为P，则法兰垫圈比压：,作螺栓受力分析，在图中A-A截面处承受有两个载荷：,1、压紧力P产生的拉应力；,2、压紧力偏离螺栓轴线偏心距为e，而产生的弯曲应力。,螺栓若加载后，各应变片所测得的应变值分别为：,解法一：全桥接法,解法二：半桥接法,若要测量e值应如何接法？,例2：测定反应釜中新型搅拌器工作时所需的搅拌功率,分析：轴功率,微元受力分析,剪应力引起微元的应变分量：,拉力引起微元的应变分量：,弯矩引起微元的应变分量：,背面微元受力分析,剪应力引起背面微元的应变分量,拉力引起背面微元的应变分量,弯矩引起背面微元的应变分量,测量轴推力引起的应变,接桥1：,接桥2,接桥3,接桥4,接桥5,测量弯矩,接桥1,接桥2,接桥3,电阻应变仪,一、应变仪的种类、性能、技术指标及用途,1、静态应变仪测量静态应变零读法读数如：YJ-5、TS38602、动态应变仪测量应变的频率10005000Hz偏位法读数多通道如：YD-213、静动态应变仪测量应变频率0200Hz具备零读和偏位法数据输出装置一般为单通道如：YJD-174、超动态应变仪测量高频应变或瞬态应变通常采用直流电源电位计式电路如：Y6C-9,二、应变仪的构成及工作原理,应变仪主要由电桥电路、载波放大器、相敏检波器、滤波器、指示记录仪、载波发生器（振荡器）、稳压电源等部分组成。以动态应变仪为例,三、应变信号的调幅作用,设：电桥纯阻性，其桥源电压为正弦交流电压，最大幅值Em，圆频率,为振荡器频率，桥源电压瞬时值,1、当AB桥臂应变片承受恒定的拉应变时电桥输出的电压,2、当AB桥臂应变片承受恒定压应变时电桥输出的电压,3、应变片承受交变的应变时，电桥输出的电压,为了使调幅波的包络线能较真实的反映应变信号波形，通常情况下电阻应变仪要求：,电桥的组成1、RsRB1组成电阻平衡装置2、C1RB2组成电容平衡装置3、RCS组成标定电路,二、应变仪中的电桥电路,1、电阻的平衡装置,该装置最大电阻平衡量：,2、电容平衡装置,3、标定电路,三、相敏检波器,交流电桥输出的电压信号是一个载波电压被应变信号调制的调幅波。,调幅波频率和载波频率相同，振幅随应变信号变化规律变化，在相位方面，它可能与载波同相，也可能反相。在电子线路中将调幅波的波形还原为信号波形的过程称为检波（解调）。,1、相敏检波器结构,2、相敏检波器工作原理,约定：1）u22u12）u2在正半周时，a是高电位，c是低电位3）u2在负半周时，a是低电位，c是高电位4）应变片未承受应变时，电桥是平衡的（u1=0）,u1=0时，u2在正半周时,u1=0时，u2在负半周时,i2,i1,i3,i3,i4,i4,应变电桥承受拉伸应变时，u2在正半周,应变电桥承受拉伸应变时，u2在负半周,i3,i4,i2,i1,i2,i1,ig,i3,i4,ig,应变电桥承受压缩应变时，u2在正半周,应变电桥承受压缩应变时，u2在负半周,i3,i4,i2,i1,i2,i1,ig,i3,i4,ig,相敏检波器输出的波形,注意：书中图6-12有误,相敏检波器定量分析,且u1，u2同相，u2在负半周时,设：,在节点d处：,在右环路fcdf：,在左环路afda：,解得：,相敏检波器在u2负半周时，正常工作条件：,最小环流大于0,整理得：,为了当D3、D4导通时，D1、D2截止，即处于反向电压,在左环路abefa,在右环路bcfeb,得：,得：,D2截止条件：,D1截止条件自然满足,D3、D4导通条件：,D1、D2截止条件：,比较截止导通条件,相敏检波器正常工作条件：,因此也成为应变仪最大可测的应变范围的限定条件,超前的载波信号,超前时相敏检波器输出的波形,当=/2、-/2，Ig=0,当=，u1、u2反相，Ig0,相敏检波器输出电流,矩形载波,电测技术现场测试,定义：通常把在生产地或使用地对原型结构或模型的测试称为现场测试。一、现场测试应解决的问题：如何把应变片牢固的安装在被测构件的表面，使它能可靠准确的传递应变。如何消除和减少外界因素引起的非所测载荷引起的应变（温度、湿度、磁场干扰、振动等）。如何准确观测和记录应变以及测得数据的处理。二、现场测试的基本步骤：A、明确测试目的，制定测试总体方案B、测试器材的选择和筹集C、应变片的安装D、加载测读E、测试数据的处理、修正及报告整理,A、明确测试目的，制定测试总体方案,4、拟定测试方案a、确定测点分布和数量测点布置在构件的易损区、应力集中区、带缺陷区、最大应力区以及需要了解的特定的测试区域数量首先满足测试目的要求，考虑测试区域形状、位置大小以及可能引出导线数量b、加载和测试程序工作载荷、设计载荷、试验载荷、危险工况,1、测试目的：a、验证设计理论或方法b、挖掘设备潜力或鉴定设备安全度c、监测设备使用及工程构件的应力指标d、测定其它非电量2、了解被测设备、构件背景情况a、设备、构件设计b、制造、施工、检验情况c、设备、构件现状及工作状况d、用于测试的场所和条件3、确定测试截面或区域对设备、构件作定性或定量的载荷受力分析，确定测试截面，测试区域应力状况。,B、测试器材选择和筹集,包括应变片、应变仪以及其它测试所需的器材选择与筹集,1、应变片的确定与准备应变片类型选择应变片阻值选择应变片尺寸选择应变片质量检查和分选,类型选择应考虑的因素,温度-5050康铜纸基应变片-50200康铜胶基应变片200400卡玛合金（KAMARNiCr20AlSi）玻璃纤维浸胶基（石棉或金属）400以上高温应变片湿度在水下或较潮湿的环境下或长时间监测的测量，应选用抗潮性能较好的胶基应变片。结构应力状态与方向主应力方向已知还是未知单向应力、方向已知无特殊要求，对于双向应力宜选用箔式应变花。载荷状态对于高频动载或冲击载荷，不宜采用丝式短接式应变片。对于循环次数较大时应考虑应变片疲劳寿命。（见P66表4-3）应变范围应估计所测的应变不会达到应变片应变极限值。（见P66表4-3）应变片的加强效应。,应变片阻值选择,国产应变片的标称电阻值多在60400之间，而以120为主。同时因应变仪的测量桥多按120进行设计的，所以选用阻值时只要无特别要求，尽量选用120应变片。选用时主要依据应变仪测量电桥组合的要求，在一般情况下等臂、卧式电桥不仅有最大的线性输出，而且有利于预调平衡。,应变片标距选择,应变片测量的应变值是其标距内被测结构的宏观平均应变值，因此应变测量的精度和应变片的标距直接相关，标距太大不能代表点应变，标距太小则不仅应变片制作困难，而且没有实际意义，也不经济。考虑因素：结构材料特性、应力分布特性、动态应变传播特性,结构材料特性对于弹性模量较高的均质材料，一般可选用较小标距的应变片。对于非均质材料应注意材质的不均匀程度。,应力分布特性,线性应变时,应变片给出的应变,设：应变片栅长L范围内应变分布的规律可用多项式表示：,均匀应变时,非线性应变时,应变片中点L/2处应变值为：,应变片测得的应变值为：,二者误差：,动态应变传播特性,控制误差1%，应使标距小于波长的5,应变片质量检查和分选,阻值：对阻值分散度的要求，主要由应变仪应变电桥预调平衡范围确定，由于实际测量中还需考虑引出导线引起的电阻差异，因此实际控制的分散范围应更小。灵敏系数：由于厂家出厂前对灵敏系数的测定是采用抽样测定，所以分散性较大。对于高精度的测量还需重新进行抽样检定，求出k值的平均值和分散度。,外观检查,2.应变仪选择的原则,依据测量载荷的频率确定应变仪类型。依据测量应变的范围选定应变仪最大可测量的范围。依据测点的数量确定应变仪的台数。,3.其它器材的选取和筹备,加载装置胶粘剂、防潮材料兆欧表、万用表表面清洗剂打磨工具测量、划线的工量具连接导线以及接线端子,C、应变片的安装,D、加载测读,通常采用逐级加载，读取数据。另外在正式加载测读前，应加卸载几次，以消除应变片的残余应力,E、测试数据的修正和处理,灵敏系数修正导线电阻的修正粘贴方位不准造成的修正应变片电阻值不为120时的修正横向效应的修正应变与应力的换算,导线电阻的修正：,当无导线电阻影响时，应变仪测得的应变:,二者之比,设导线电阻为RL，应变仪测得的应变:,修正式,两条截面积为0.5mm2的铜导线每米的电阻值约为0.06。,当应变片电阻标称值为120，若控制导线造成的误差不大于0.5%，应控制导线长度不大于10m。,当有导线电阻影响时，应变仪测得的应变:,粘贴方位不准造成的误差,所画基准线上的应变：,有偏差角时：,产生的误差：,应变片电阻值不为120时的修正横向效应的修正应变与应力的换算自学P120表8-1,黄克智介绍,黄克智（1927-），中国科学院院士，俄罗斯科学院外籍院士，著名力学家和力学教育家。他培养了60多名研究生，其中人当选为中科院院士，2人获我国优秀青年科学家奖，有国务院学位委员会表彰的“在工作中做出突出贡献的中国博士学位获得者”4人。从1990年至今，国际SCI学术榜中国作者前10名中，几乎每年都有1位黄克智的学生。,例1：薄管板研究过程,换热器是动力、化工、石油等行业中大量使用的通用设备，对其关键部件管板，由于结构十分复杂，又难以采用数值解法分析，各先进工业国家至今尚无完善的分析设计方法。自年代初，清华大学的黄克智与合作者经过理论研究和对块大型管板的测试，于年在国家原石化、一机两工业部牵头下提出了新型管板设计方法，年法国也随之在部分工业部门采用了与黄克智等建议的类似的设计方法，并力图把这一方法交流到世界各国。此外，第十届国际反应堆结构力学会议（）与美国机械工程师学会（）压力容器与管道年会也都邀请我国介绍管板研究成果，在国际上引起了广泛的关注与赞赏。这一设计方法的重大技术性突破即在于它可以大幅度地减薄大直径管板的厚度，节省原材料，减少加工制造工艺上的困难。它比国际权威性规范（如各国多年一直沿用的美国规范）更为合理，且符合实验结果。这一设计规范广泛应用于我国个工业部门。,管板实例,按照TEMA（美国列管式换热器制造者协会）规范设计一台Pg2.5MPaDg1800换热器的管板厚度达到130mm，重2.58吨。而采用新的设计方法该管板厚度仅需30多mm。,TEMA规范对管板的两个假设：,a、假设管板是处在弹性支座上受均布压力P1的平板。b、假设支座的支承力P2是均布的。,实际支承反力状况：,列管所形成的支承反力P2是不均匀分布的,两种模型的应力分布状况,例2：泉港码头WGQ500A2型桅杆式起重机,例3：再热器大开孔接管设计,国内可看到的权威的压力容器设计规范：ASME压力容器规范（美国机械工程师协会）JISB8243压力容器设计规定（日本）BS5500压力容器设计规定（英国）AD压力容器设计规定（西德）GB150压力容器,例3：压力容器大开孔接管设计,福州二化VCM回收冷凝器开孔结构设计：换热器直径1050mm，分离器直径1100mm。径比0.955,例4：90年1月长乐轻安公司生产的谷氨酸钠反应釜封头结构,例5：漳州华阳后石电厂（600MW超超临界发电锅炉）,水的临界点：压力22.12MPa、温度374.14大型发电锅炉分类1、亚临界机组的典型参数为16.7MPa、538，其发电效率约为38。2、超临界机组的主蒸汽压力通常为24MPa左右，主蒸汽和再热蒸汽温度为538560；超临界机组的典型参数为24.1MPa/538，对应的发电效率约为41。3、超超临界机组的主蒸汽压力为2531MPa，主蒸汽和再热蒸汽温度为580610，对应发电效率约为47%。,无缺陷三通管座强度分析,计算结果试验验证,全息照相,全息照相是指一种记录被摄物体反射波的振幅和相位等全部信息的新型摄影技术。普通摄影是记录物体面上的光强分布，它不能记录物体反射光的相位信息，因而失去了立体感。全息照相采用激光作为照明光源，并将激光源发出的光分为两束，一束直接射向感光片，另一束经被摄物的反射后再射向感光片。两束光在感光片上叠加产生干涉，感光底片上各点的感光程度不仅随强度也随两束光的相位关系而不同。所以全息摄影不仅记录了物体上的反光强度，也记录了相位信息。人眼直接去看这种感光的底片，只能看到像指纹一样的干涉条纹，但如果用激光去照射它，人眼透过底片就能看到原来被拍摄物体完全相同的三维立体像。,武汉长江二桥背景资料：,武汉长江二桥是香港新世界发展集团投资8.6亿元参与兴建的市政工程。1991年开建，1995年6月18日，长江二桥建成通车，其北连汉口，南接武昌，是武汉市内环线的重要组成部分，武汉长江二桥总长4678米，正桥1877米，主跨400米，桥面宽度26.5米至33.5米，设6车道。桥下通航净空为24米，日通车设计能力为6万辆机动车。系双塔双索面预应力钢筋混凝土斜拉桥。它是