应力分析电测法.docx
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1、第一章应力分析电测法1-1概述实验应力分析,是利用实验的方法来测定构件内应力或应变的一种技术。它 在工程应用领域是确定构件的承载能力,验证理论分析结果,改进构件设计的一 种重要手段。目前,实验应力分析技术已经形成一门学科并广泛应用于机械、动 力、土木、水利、航空、材料化工和生物力学等领域。应力分析试验是利用物理原理,把不易测量的力学量,如应力、应变等,转 换成易测量的其他物理量,如光强、电压等,并且这种转换在理论上有确定的关 系。这样,可以通过测量这些物理量得到相应力学量的确定关系。电测应力分析是利用金属丝的“电阻-应变”效应实现应变一电压转换的一 种力学实验技术。于20世纪30年代逐步应用于
2、工程测试。20世纪50年代,出 现箔式应变计,由于箔式应变计便于大批量、标准化制造,使电测法逐步规范化 和规模化,使之成为测量物体表面应变的一种常规测试方法。目前商品化的应变 计达2万余种,应用范围扩展到振动、高温、高压、液下、高速、强辐射等极端 环境下的测量。应变电测法也是某些力学量传感器的技术基础,广泛应用于传感 器的设计。应变电测法的主要缺点是:一只应变计仅能测量物体表面一点的某个 方向的应变。因此,需要多点、多方向布设应变计,才能得到全场测量的近似值。 另外,应变计存在有限面积,当贴附于测点时,反映的应变是片基面积内的平均 应变。对于高应变梯度测试精度较差。本章将介绍应变电测法一一简称
3、“电测法”基本原理与试验技术。 1-2应变电测法原理应变电测法是利用金属丝的“电阻应变效应”测量构件表面应变的一种实验 应力分析技术。在测量硬件上主要由3部分组成:1. 电阻应变片:作为传感器将应变量转换成可测量的电量参数。2. 测量电桥:组成各种测量电路。3. 电阻应变仪:输入测量电路获取的信号加以放大并转换成实际应变值。一. 电阻应变片的工作原理1. 金属丝的电阻应变效应一根长/,横截面积A,电阻率p的金属丝,电阻R表示为:当金属丝受到轴向拉伸作用,上式两边取微分,有:dRdA A2两边同时除以R,得:dR dp d/ dA=+-R p / A考虑圆形截面金属丝,直径为D贝U: A = 土
4、D2 4工曰dAdD_ d/于是=2 = 2 AD /(1-1)dA = -DdD2另外,试验表明,电阻率的变化率dp与体积变化率也成正比,即:PVdpdVdl=m= m(1 2v)pVl式中v为金属材料的泊松比;m为比例常数。将上两式代入式(1-1)得:坐=& + 2v)+mG - 2vH冬=61 + 2v)+mG - 2v)l(1-2)Rl其中为金属丝的纵向线应变。一般地,可将式(1-2)写成如下形式:(1-3)式中Ks = 1 + 2v+ m1 - 2v)称为单根金属丝的灵敏度系数,Ks在一般情况下是常数。式(1-3)表明,金属丝的电阻变化率dR/R与其发生的线应变成正比,此式奠定了电测
5、法的基础。1图1-1应变计结构示意2. 电阻应变片为了便于应用,金属丝通常制成栅状且附着于特定的片基上,构成电阻式应 变传感器,称为“电阻应变片”,简称“应变片”,又称“应变计”。目前工程上 常用的“箔式”应变片的典型构造如图1-1所示,其构造为1:敏感栅;2:基底;3:引线;4:定位线。常用的电阻应变计由敏感栅、基底、粘结剂、覆盖层和引线组成。早期的应 变计敏感栅由细金属丝绕成栅形,金属丝的直径一般为1050微米,材料通常采 用高电阻率、高电阻-应变灵敏度的铜竦合金或竦金各合金;随后发展的敏感栅, 选择质量更高、稳定性更好的金属箔,栅形由光刻制成,其厚度在36微米,长 度最小可达到0.2毫米
6、。基底和盖层初期为纸质,目前多采用环氧树脂、酚醛树 脂或聚乙烯醇缩醛。引线一般采用镀锡或镀银的细铜丝。把电阻应变片贴附于被测构件表面,将感应沿栅线方向的线应变,引起应变 片的电阻变化率可以表示为:(1-4)其中K称为应变片的灵敏度系数。由于应变片构造上的原因,K与Ks不等,而 且 KKs。二. 应变片的主要参数1. 几何尺寸:指敏感栅的“宽X长”尺寸用BXL表示。工程上使用的应变片在长度尺寸上,最小0.2mm,最大可达150mm。由于测量的应变是敏感栅范围 内的“平均应变”,所以,当沿测量方向上应变梯度较大时宜选用较小尺寸的应 变片,以提高测量精度;反之选用较大尺寸的应变片,以增加测量灵敏度。
7、2. 名义电阻值:同一生产批次应变片的电阻平均值。常用值为120Q 土 1Q3. 应变片的灵敏度系数K:同一生产批次应变片的灵敏度系数均值。通常由厂 家通过实验测定。常用值为2.170.01。以上参数是电测法试验中必须给出的,所以,生产厂家要在产品包装上标出。 另外,还有一些参数是在某些特殊实验中需要考虑的,如:在频率较高的动态测 量中,要考虑“机械滞后七在大变形测量中要考虑“应变极限”等参数。这些 参数通常厂家并不给出,可根据具体情况通过实验测定。三应变片的粘贴应变片是通过粘贴在构件表面使之与构件发生相同的应变来工作的,所以应变片的粘贴将直接影响测量精度。下面简单介绍应变片的粘贴方法:1.
8、应变片检查:首先观察敏感栅外观有无损坏,引线焊接是否可靠;然后用万 用表测量其电阻值,一般同一组应变片的阻值不应大于0.5。2. 被测件表面处理:用砂布清除表面油漆、氧化物等覆盖物,使表面平整;改 用中粒度砂布打出与贴片方向大致成45度的交叉条纹以增加粘接强度;仔细用 划针沿测试方向划出定位线;用酒精或丙酮清洗表面油污。3. 应变片的粘贴:一般工程测试可选用常温快速固化剂如502胶。优点是固化 快,1小时后即可进行测量,固化强度高峰在24小时后;固化后性能稳定且无 须特殊固化条件。首先在应变片背面滴上适量胶水,不可过多!将应变片按预先 定位方向放置,此时可用镊子等轻轻拨动应变片,调整位置和方向
9、,力求定位准 确。然后在应变片上覆盖一层聚乙烯薄膜,用于指轻轻滚压挤出多余的胶水和气 泡并保持一段时间。4. 检查与连接导线:胶水固化后轻轻揭去聚乙烯薄膜,检查粘贴质量,包括方 位是否准确,是否夹有气泡。如果质量太差,应当刮除该片,重新按2、3步骤 粘贴。质量满意时即可用电烙铁将应变片引线与导线焊接并用胶布固定。最后用 万用表再次测量电阻保证焊接可靠且应变片连接正常。5. 保护:保护是为了防止应变片在测量前或测量中出现意外损坏。一般条件下, 短期测量不需特殊保护,但潮湿环境下应覆盖石蜡或凡士林油防潮。特殊测试条 件,如高温,高压,液下等环境或长期监测时的保护十分重要,往往需要特殊防 护,请参阅
10、有关资料。AC图1-2电桥电路 1-3测量电桥电路与应变仪测量电桥在应变测量电路中起接口的作 用:一方面,将应变片接入电桥电路可以实 现从电阻变化率到电压变化率的转换,而电 压信号较易进行后处理;另一方面,应变片 在电桥电路中的不同接入方式,可以用于测 量所需要的特定应变量。.直流电桥的工作原理一个直流电桥测量电路可用图1-2表示。在测量电路中,4个桥臂电阻R1, R2, R3, R4可以全部或部分为电阻应变片。节点A,C接直流电源,节点B,D 输出一个电压UBD,UBD可表示为:UBD=UR1R3 - R R4AC (R1 + R2)(R3 + R4)(1-5)电桥的平衡条件UBD=0,则有
11、:R R3 = R2 R4(1-6)现在设4个桥臂电阻R1,R2, R3, R4都接成应变片,且由应变产生的电阻变化率为E 蚂 岔R,普,则引起输出电压ubd的变化为:4dU 沁bd dR + 沙bd bd 叫 1 3R2dR + bd dR + 8bd dR23R333R44将式(1-5)求偏导后代入,忽略2阶以上的高阶小量整理得:m 口 RR dR dRR R dR dR、(1-7)dU = U (1 -2 ) +(3)BD AC (R + R )2 R R(R + R )2 R R1-12123434如果R1=R2=R3=R4,上式简化为:dU = acBD 4dR1R1dR dRR 2
12、 R323dR4R(1-8)又由于dR/R=K & 式(1-8)最终可以表示为:dUBD+ 8 -8 )(1-9)式(1-9)给出了直流电桥的输出电压变化dUBD与应变片感受的应变之间的变 换关系,即直流电桥输出电压的改变量与应变量成正比,且为4个桥臂电阻感受 应变量的线性叠加。二应变仪应变仪的作用是以直流电桥输出电压duBD为输入信号,按比例放大后,显 示出相应的应变值。在工程上应变仪分静态应变仪和动态应变仪,当应变仪的频 率响应小于200Hz时,称为静态应变仪;频响小于10KHz时,称为动态应变仪;而频响大于10KHz的应变仪称为超动态应变仪。静态应变仪的硬件组成如图1-3,主要包括:1预
13、调平衡电路,2电压放大器,3模拟/数字转换电路,4显示。预调平衡电路一电压放大器一* A/D转换器一显示图1-3应变仪主要组成1. 预调平衡原理预调平衡电路做为静态应变仪的输入电路主 要有两个作用:1)保证测量电桥在测试前的平衡 状态,即没有应变时dUBD =0; 2)当需要进行多点 的应变测量时完成不同测试通道应变信号的切 换。一个通道的预调平衡原理如图1-4a。预调平图 1-4a衡通过应变仪外接的预调平 衡箱完成。在预调平衡箱上, 一个通道共有A、B、C、D、 D、D2六个接线柱(图1-4b, c),其中A、B、C、D为测量电桥的4个节点,A、B、C间在平衡箱内部接有一个精密电位器W,用于
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