(实验应力分析电测)5动态应变测量课件.ppt

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1、产生：瞬态载荷,1瞬变性动态应变,二、非周期性动态应变,特点：波形是单个脉冲或迅速衰减的震荡曲线,冲击、爆破,特点：,2准周期性动态应变,由若干个简谐周期性动态应变叠加而成,虽是非周期的，但某些性质及处理方法复杂周期性动态应变相同。,三、随机性动态应变,特点：,对非确定性动态应变，要选用频率响应范围很宽的测量记录系统，进行大量重复试验，根据统计规律进行研究。,周期性动态应变和瞬态性动态应变都属于确定性动态应变，如果不考虑误差影响，重复测试时，每次结果都是形同的。,变化规律不能用明确的数学关系描述,随机性动态应变一般含有十分丰富的频率成分，测量时从应变计开始，整个测量系统的频率响应特性都应符合要

2、求。,大量重复实验的数据表现存在一定的统计规律性,5-2 应变计的 动态响应和疲劳寿命,构件上应变传播的两种形式,一、应变计的动态响应,构件表面,沿应变计栅长方向传播,时间短,分析重点,设构件表面上应变分布为,栅长中点 A 处的应变值为,（54）,（55）,A 点读数应变为,栅长中点 A 处的应变值相对误差为,栅长中点 A 处的应变值为,由于,应变计的输出与被测应变频率之间的关系，称为应变计的频率响应特性。,（55）,（56）,（57）,（58）,即 时，近似为,当，,于是,由于应变波在材料中的传播速度是常数，所以有,（59）,1）若给定允许的相对误差 和被测动态应变的最高频率 fmax,则可

3、得出应变计允许的最大栅长l。,如果被测动态应变的频率远小于此数值，应变计的动态相应误差可忽略不计。,2）若给定允许的相对误差 和应变计栅长l，可确定应变 计允许的极限频率fmax。,例如：应变波在钢材中的传播速度，给定允 许的相对误差，应变计的栅长 l=5mm，则应变计允许的极限频率fmax为：,二、应变计的疲劳寿命,一般应变计在常温下,动态应变计可达,寿命与应变幅值有关,（59）,5-3 动态 应变测量的标定和实施,应变计,一、动态应变测量的仪器系统,静动态应变计0200Hz,动态应变计0200kHz,超动态应变计200kHz,磁带记录仪,频谱分析仪,笔式记录仪,存储式示波,动态数据采集分析

4、系统,虑波器,二、动态测量的标定,对于工作频率不高的情况,1、静态标定,原理,应变值的电标定,模拟应变信号,标准电信号,传输给记录仪,原理,应变值的机械标定,应变仪测量,机械装置应变信号,传输给记录仪,对于较高频率的动态应变,2、动态标定,原理,应变仪测量,标准试件已知动应变,传输给记录仪,5-4 动态应变测量中的干扰与防干扰措施,一、干扰的分类及特点,干扰分类,干扰特点,电磁干扰,工频干扰,无线电干扰,静电干扰,测量导线与干扰源之间的漏电容,地电压、地电流干扰,接地保护,工厂的高电压、雷电,测量仪器之间的干扰,各仪器的实际载波频率不同,二、干扰源的检查,仪器内部因素,本身漂移,多台仪器间干扰

5、,未加载接线,有信号输出表明通过应变计及导线进入,标准无感电阻代替应变计,若干扰消除，则为应变计原因,加载后卸载有零票,直流干扰,若干扰仍在，则为外界对导线影响，通过移动导线位置或改变走向查找,往往发生在发动机或电动机开动或关闭时,三、抑制干扰的措施,电磁、静电干扰,导线绞扭减少干扰磁通的耦合面积,采用三芯、四芯屏蔽线,地电压、地电流干扰,信号电路必须一点接地,仪器之间的干扰,强迫各台仪器载波频率同步,调整应变仪的震荡频率，使其接近,其他干扰措施,使用滤波器,增大测量导线与干扰源距离,对干扰源采取屏蔽、接地等,应变仪使用供电电池时，采用浮空,尽可能缩短测量导线长度,5-5 动态应变的记录曲线与

6、修正,一、记录曲线,幅高为 h 所对应的应变值为,周期,B 周期记录长度,（510）,（511）,二、曲线修正,1、零线修正,与静态应变修正相同,原因,输出漂移引起零线的移动,处理,依据零线移动与时间成正比，这点计算移动量,2、应变测量值修正,5-6 动态应变的数据分析,一、周期性应变信号,根据波形图，除了确定应变的幅值 和基频 f1 外，还需计算频谱，为此，将复杂周期应变,改写成,式中：、an、bn 称为傅里叶系数，按下式计算,（512）,（513）,（514）,（515）,这样，第 n 次谐波的幅值 和相位 可由 an、bn 确定如下,因此，计算周期信号的频谱即为确定 时间历程的傅里叶系数

7、。,（516）,（517）,将基波周期 T 分为 N 等分，时间间隔为，,频率为,则傅里叶系数计算公式为,（518）,（519）,（520）,（521）,设傅里叶级数的项数 n 为 m，则包括 在内的傅里叶系数共有2m+1个。,由 N 个数值来确定 2m+1 个系数，则要求。,故所得到的最高谐波次数不超过 次。,如取N=12时，最多只能求得信号的6次谐波，这时 的级数展开式为。,二、瞬变性应变信号,瞬变性信号可看成周期 T 趋近于无穷大时的周期信号，傅里叶积分的形式为,式中：、f1 为基频，是三角函数的复数形式，令,代入式（522)并合并右边项，则有,（522）,（523）,（524）,由式（

8、514)、（515）和（523），可得,（525）,Cn 为 复数频谱分量，写成,（526）,（525）,式中复数模 Cn 及幅角 分别等于信号第 n 次谐波的振幅及相位,为了描述 时应变信号频谱分布的密度，将复数频谱分量 Cn 除以频率间隔，得,当 时，有,（527）,称为 信号的频谱密度。,这时式（524)求和运算变为积分运算,（524）,（528）,称为 的傅里叶几分变换。,称为 的傅里叶逆变换。有,（529）,模与 幅角分别称为应变信号的幅值谱密度和相位谱密度。,实测应变信号曲线的计算只能在 0T 有限时间范围内进行。这时的变换是有限傅里叶变换，其定义为,（530）,进行数值计算时，先

9、将应变信号时间历程 离散化为数据，k=0,1,2,.,N-1,计算得离散频率为,（531）,式中，为信号在频率 处的频谱密度。,这样，变换为,6-1 基本原理,电阻应变计,弹性元件,传感器的构造,传感器的原理,选择弹性元件及结构形式,弹性元件合理部位布应变片,应变片随弹性元件变形,测量应变值并转换成力,一、传感器的构造与原理,二、传感器的设计,设计要求,灵敏度高,非线性误差小,重复性好,湿度影响小,足够的动态频率范围,结构简单,有效区的线性好,1、弹性元件结构的设计原则,刚性好,整体性好,对作用力位置的变化和干扰力的影响不敏感,有效区具有最大应变值,工作区的最佳额定应变值,工作区的工艺性能好,

10、自身具有过载保护或便于设置过载保护装置,安装方便，互换性好,2、弹性元件材料的选择,常用材料：,另：静态和动态加载处理,弹性元件的制造工艺过程,退火,退火便于切削加工，进刀量应小，减小加工应力,热处理提高强度，减小滞后和蠕变，增加稳定性,时效处理消除残余应力,高强度,粗加工,热处理,精加工,时效处理,高弹性极限,低弹性模量,稳定的物理性质,良好的机械加工和热处理性能,3、应变计的的选择与粘贴,考虑使用期限,三、传感器的标定,1加载情况与实测条件一致，注明使用环境,2精度高一级,3测试仪器精度高35倍,4满量程反复35次；额定量程分510级反复至少3次，再取 平均值，制成图或表。,标定,1非线性,2滞后,3重复性,性能指标,四、供桥电压的选择,式中：,R 应变计电阻,经验公式,1初始不平衡,2零漂,3灵敏度漂移,五、传感器的电路补偿,敏感栅上的功率密度。,敏感栅的面积,4非线性,5输出灵敏度,RZ,Rt,RE,RL,RS,6-2 测力传感器,一、拉压弹性元件,1、柱式弹性元件,不带膜片可采用空心截面以提高 抗弯截面模量,带膜片可承受横向载荷，用以消 除横向力和弯矩的影响。,压力与读数应变间的关系,特点：,承载大,2、平板开孔式弹性元件,二、弯曲弹性元件,1、悬臂梁式弹性元件,由材料力学,