在材料力学实验教学中运用电测法的体会

1、在材料力学实验教学中运用电测法的体会2011 年教育部下达了实施“关于实施卓越工程师教育培养 计划的若干意见”的通知，主要目的是针对当前我国工程教育培 养过程中，理论教学环节薄弱、学生动手能力差的现状；要求改 变现有的灌输式教学，形成创新教育的氛围，进一步推动工程教 育教学改革，提高工程教育的教学质量。材料力学实验是土木、材料和机械等工科类专业的必修基础 课，是进一步加深学生对材料力学的认知、 巩固材料力学的基本 概念、树立严谨科学态度、培养学生创新精神、增强工程实践能 力、提高学生综合素质的重要环节。 近几年随着高校学生人数 的不断增加，相应配套的实验教学仪器设备不足、 新的仪器设备 购置时

2、间漫长等一系列问题的出现， 导致高校实验教师往往要投 入大量时间来应付，因此严重影响了实验教学过程， 从而很难实 现优质高效的实验教学效果，更谈不上通过实验教学提升学生的 综合能力。目前，大多数高校的材料力学实验教学遵循这样的步骤： 首 先由教师讲解本次实验的内容、 仪器操作流程以及注意事项， 随 后向学生演示实验过程；然后学生按照演示的步骤完成实验过 程；最后记录并整理数据，提交实验报告。在整个实验教学过程 中，学生只是按照教师或教材的指导机械地完成操作仪器， 对于 实验目的、实验现象所反映的问题缺乏深入的思考， 实验做完后 很多学生只知其然不知其所以然。 尤其是在材料力学实验中对金 属材料

3、弹性模量和泊松比测定需要用到电测法， 然而初学者对力 学实验中出现的电学原理和方法一下子很难接受， 并且很难跟其 所掌握的理论知识相结合。 整个材料力学实验完成以后， 由于学 生对实验原理的理解不够透彻， 无法提高和加深对理论知识的掌 握与运用。1 电测法的基本原理 电阻应变测量简称电测法，其原理是在被测物体表面的力学 量、物理量等非电量变化通过传感元件转换成电量变化的一种实 验方法（如图 1 所示）。电测法作为应变测试方法中的一种在材 料力学实验教学中经常用到，根据电学原理金属丝在受到拉伸或 压缩时，其截面面积会发生微小变形从而使电阻发生变化， 通过 信号采集器将电量转变为变形量。 进行实验

4、前，首先将电阻应变 片，用特殊的胶合剂粘贴在被测物体上， 当试件受到载荷作用发 生变形时，电阻应变片中的电阻丝随之一起变形， 导致电阻丝长 度及截面积的改变，从而引起其电阻值的变化。可见，电阻的变 化与应变有一定的对应关系。 通过电阻应变仪，就可测得相应的 变化。利用胡克定律就可求得应力值。2 金属材料弹性模量和泊松比测定实验中运用电测法出现 的问题弹性模量和泊松比是反映材料性能的重要参数， 是材料本身 固有的两个常数，是衡量材料产生弹性变形难易程度的两个重要物理量，也是设计各种工程结构时选用材料的主要依据之一， 因 此对材料的弹性模量和泊松比这两个参数的准确测量显得非常 重要。一般构件受载，

5、表面上的点处于平面应力或平面应变状 态。通常采用拉伸实验来测定材料的弹性模量， 在材料的弹性范 围内，应力与应变成正比关系，即 = ，从而可以得到弹性模量 = /。大多数的材料在受到拉力作用时，不但沿着材料的长度方向 发生变形，同时横向发生短缩的横向变形。由材料力学可知，在 弹性变形范围内，横向变形和纵向变形 成正比关系，这一比值 称为材料的泊松比，一般以表示，即 = | / |。笔者一直以来承担着全校 14个工科专业的材料力学实验教 学，绝大部分学生通过材料力学实验，以及材料力学、工程力学 等专业理论课的学习，学生对弹性模量和泊松比的概念有一个初 步的理解，但是在实验测量过程中为何要用到电测

6、法， 以及如何 实现力学实验与电测法相结合， 并不能完全理解，对如何把力学 的量（应力、应变）用电学的方法表达这个原理还一知半解，无 法很快接受并做到融会贯通。为了让学生尽快地理解并掌握电测 法原理，并与材料力学实验充分地相结合， 笔者在教学过程中经 过不断尝试，取得了一些教学体会。3 运用电测法在材料力学实验教学中的体会3.1 从理论到实验的切入 为了让学生对电测法这一原理有更清楚、 更直观的认识，笔 者在进行材料力学实验课教学时， 先从所要测定的材料两个基本物理量入手， 先引入弹性模量的概念， 再结合学生已学的理论知识 = ，得出 = / 。以图 2 为例， = / ， = / 。若能求得

7、应力、 应变，则弹性模量很容易就得出。 荷载是在实验过程中施加的外 力，可由压力传感器测得，横截面面积可以用 = ?椎贸觯渲形约 峤孛婵矶龋峤孛婧穸取J约脑尢梢圆饬康贸觯衷诘奈侍馐堑越 锥蔚摹/蛭苄。苣延媚壳暗牟饬渴侄尾饬砍隼矗杂？= /这个公式无法求得。从而引入了电测法求解。3.2 电测法如何与实验相结合讲解电测法， 先从应变片的构造介绍， 当粘贴在试件表面的 应变片跟随试件一起变形时， 应变片的电阻丝会因其变形而发生 电阻的变化 / = ?，而值是应变片敏感系数， 出厂时厂家会标定。 因此应变与电阻的变化率之间存在一个比例关系， 通过电阻应变 仪就可以根据电阻的变化率和灵敏系数直接把应变值

8、采集出来， 由于应变片与试件紧密粘贴在一起， 此时应变片的应变就代表应 变片粘贴部位试件的应变值。 这样， 学生就可以明白为何引入电 测法，以及电测法的工作原理， 等他们自己动手实验的时候思路 就可以非常清晰，对数据的处理也可以比较准确。4 结束语笔者在近几年的材料力学实验教学过程中， 不断探索教学方 法，经过一些尝试，发现在材料力学实验中，首先介绍学生的理 论知识， 让学生有一个回顾， 然后再启发学生在实验中如何用理 论公式求解相应的参数， 再慢慢引入电测法， 让学生一步步理解 了实验的原理， 后期学生自己动手实验时思路比较清晰， 处理数 据比较准确， 整个实验过程中师生互动较好， 达到材料力学实验 教学的目的，提高了学生分析问题、动手解决问题的能力。注释 徐国强，胡玉林 . 材料力学实验教学模式改革的探索和实践J.高校实验室工作研究，2011 (4): 36-37. 郑艳，莫时旭 .PBL 教学法在材料力学实验教学中的应用J. 中国电力教育， 2013(11)： 139-140. 张烈霞 . 电测法测量弹性模量和泊松比的实验研究 J. 机电工程技术， 2