結(jié)構(gòu)強(qiáng)度電測(cè)試方法

1、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度電測(cè)試方法1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）掌握電阻應(yīng)變測(cè)試原理及方法；（2）掌握電阻應(yīng)變片的安裝工藝；（3）掌握電阻應(yīng)變片電橋線路的連接及電阻應(yīng)變儀的使用；（4）熟練運(yùn)用材料力學(xué)性能的電測(cè)實(shí)驗(yàn)方法；（5）確定構(gòu)件在軸向載荷作用下危險(xiǎn)點(diǎn)的主應(yīng)力大小和方向及許用載荷；（6）測(cè)試矩形截面在純剪切內(nèi)力作用下的分布規(guī)律；2.實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備名稱及型號(hào)NH04多功能組合實(shí)驗(yàn)裝置、TS3863力指示器、YJ4501A靜態(tài)數(shù)字電阻應(yīng)變儀、實(shí)驗(yàn)件、電阻應(yīng)變片（R=120歐姆，Ks1.88）和導(dǎo)線若干。3.實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)方法3.1 電阻應(yīng)變片的工作原理當(dāng)測(cè)量某一力學(xué)參數(shù)時(shí)，首先要把這個(gè)非電學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)換成某一電學(xué)參數(shù)。將非電

2、學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)換成電學(xué)參數(shù)的裝置稱為傳感器。電阻片是應(yīng)用電阻絲的電阻率隨絲的變形而變化的關(guān)系，把力學(xué)參數(shù)（如壓力、載荷、位移、應(yīng)力或應(yīng)變）轉(zhuǎn)換成與之成比例的電學(xué)參數(shù)。電阻片在工作過(guò)程中引起的是電阻的變化。通過(guò)測(cè)量電橋可使這微小的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化，再經(jīng)電子放大器放大，并根據(jù)某一比例常數(shù)關(guān)系，將其變換成試件的應(yīng)變值而顯示出來(lái)。完成上述工作的儀器叫電阻應(yīng)變儀。把用電阻片作為敏感元件、用電阻應(yīng)變儀作為測(cè)量?jī)x器的測(cè)量方法，稱為電阻應(yīng)變測(cè)量。 （1）式（1）是電阻應(yīng)變片的工作原理表達(dá)式，式中Ks是應(yīng)變片的應(yīng)變靈敏系數(shù)?？梢姂?yīng)變片是通過(guò)應(yīng)變靈敏系數(shù)將應(yīng)變值轉(zhuǎn)化成為電阻的相對(duì)變化值。選用合適的應(yīng)變電阻

3、絲，在適當(dāng)?shù)姆秶涂梢缘玫诫娮钁?yīng)變片的dR/R的線性變化關(guān)系。3.2 電阻片的工作特性電阻片是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)制造而成的。在電阻片的變形過(guò)程中，除了機(jī)械應(yīng)變對(duì)電阻值影響的特性外，還應(yīng)具有以下性能，以保證測(cè)試精度。（1） 機(jī)械應(yīng)變極限電阻片所能測(cè)量的最大應(yīng)變值稱為電阻片的機(jī)械應(yīng)變極限。機(jī)械應(yīng)變極限值的大小取決于電阻片的強(qiáng)度、線性段的大小以及基底和粘結(jié)劑材料的性質(zhì)。為了保證測(cè)量精度，一般電阻片測(cè)量應(yīng)變的上限應(yīng)小于0.5%。如果應(yīng)變量大于這個(gè)數(shù)值，則基底和敏感柵之間容易發(fā)生滑脫現(xiàn)象，使測(cè)量失去意義。（2） 線性一般情況下，電阻變化率與應(yīng)變之間成線性關(guān)系。電阻片的線性度用非線性的百分比或者線性相

4、關(guān)系數(shù)來(lái)表示。測(cè)量值偏離理想直線值的偏差與測(cè)量范圍內(nèi)的最大值s的百分比就是非線性的百分比：（3） 零點(diǎn)漂移在恒溫恒濕的環(huán)境中，以及試件不受力的條件下，粘貼在試件上的電阻片視應(yīng)變值隨時(shí)間變化的特性稱為零點(diǎn)漂移。零點(diǎn)漂移值為：產(chǎn)生零漂的主要原因是由于電阻片受潮使絕緣電阻降低。通電后，驅(qū)散潮氣，造成電阻值改變和基底收縮，從而出現(xiàn)視應(yīng)變值。敏感柵與引線產(chǎn)生熱電勢(shì)，也可能出現(xiàn)視應(yīng)變值。（4） 蠕變與松弛在恒溫、恒濕及恒載的作用下，粘貼在試件上的電阻片的視應(yīng)變值隨時(shí)間變化的特性。若向增加趨勢(shì)變化，稱為蠕變。若向減小趨勢(shì)變化，稱為松弛。其變化數(shù)值隨載荷增大而增大。蠕變和松弛主要是由粘結(jié)劑與基底引起的。若粘結(jié)

5、劑與基底固化不充分，受力時(shí)它們本身會(huì)產(chǎn)生蠕變。在高溫測(cè)量時(shí)，工作溫度若接近或超過(guò)粘結(jié)劑和基底的軟化溫度，也會(huì)產(chǎn)生蠕變。而當(dāng)粘結(jié)劑抗剪強(qiáng)度過(guò)低或與試件親和力較差時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生松弛現(xiàn)象，嚴(yán)重者還可能脫膠。在進(jìn)行這項(xiàng)性能標(biāo)定時(shí)，要扣除零點(diǎn)漂移值，而恒溫與恒載都應(yīng)采用測(cè)量時(shí)的極限溫度與最大載荷。（5） 機(jī)械滯后當(dāng)對(duì)貼有電阻片的試件進(jìn)行反復(fù)加卸載試驗(yàn)時(shí)，其特性曲線不完全重合，并且呈一條封閉曲線，這種現(xiàn)象稱為電阻片的機(jī)械滯后。滯后值可用滯后曲線與豎直兩交點(diǎn)間的距離，同測(cè)量范圍內(nèi)的最大值之比的百分比表示。即，也可用絕對(duì)值表示，即電阻片產(chǎn)生機(jī)械滯后的原因很多，主要是電阻片的特性差、粘結(jié)劑固化處理不當(dāng)、膠層過(guò)后、

6、局部脫膠或翹曲等原因引起的。（6） 頻率響應(yīng)機(jī)械應(yīng)變由試件傳遞到電阻片敏感柵所需要的時(shí)間，稱為電阻片的頻率響應(yīng)時(shí)間。據(jù)分析，金屬柵電阻片的頻率響應(yīng)時(shí)間為10-7秒，所以電阻片在沿其厚度方向?qū)υ嚰?yīng)變的響應(yīng)是非常迅速的，故可以認(rèn)為電阻片本身是沒(méi)有慣性的一種變形測(cè)量元件。（7） 疲勞壽命粘貼在試件上的電阻片，在某一定的動(dòng)載荷作用下，不致使電阻片產(chǎn)生破壞的循環(huán)次數(shù)，稱為電阻片的疲勞壽命。產(chǎn)生疲勞破壞的主要原因是：1）敏感柵本身達(dá)到疲勞極限。對(duì)短接式電阻片是縱橫連接點(diǎn)斷開。2）電阻片敏感柵與引線的連接點(diǎn)斷開。3）電阻片敏感柵與基底脫開。3.3 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電橋的工作原理。如圖1所示，是由四個(gè)電阻應(yīng)

7、變片組成的惠斯通電橋。電橋的輸出電壓與電阻的關(guān)系如式（2）所示： （2）1）在實(shí)驗(yàn)測(cè)量中為了提高測(cè)量的精度，通常使電橋的初始電壓輸出值為0，即通過(guò)調(diào)節(jié)電阻使之滿足R1R4=R2R3。調(diào)零后電橋的輸出電壓就完全歸因于橋臂電阻的阻值變化。2）設(shè)電橋各個(gè)橋臂的電阻增量分別為R1、R2、R3、R4，則電橋的輸出電壓可以表示為： （3）展開式（3），考慮到式R1R4=R2R3，略去R/R的二次項(xiàng)，得到 （4）一般而言，在電阻應(yīng)變儀的設(shè)計(jì)中普遍采用兩種方案：（1）等臂電橋。各個(gè)橋臂電阻的初始值相等，（2）對(duì)輸出端對(duì)稱的半等臂電橋。R1=R2=R，R3R4R，R，R，?？梢姛o(wú)論哪一種方案，都滿足平衡條件，且

8、滿足R1=R2，則式（4）可以化為： （5）式（5）便是測(cè)量電橋輸出電壓和橋臂電阻相對(duì)變化值之間的關(guān)系，兩者呈現(xiàn)非線性關(guān)系。通常的實(shí)驗(yàn)情況下，電阻的相對(duì)變化很小可以忽略，式（5）可以簡(jiǎn)化為： （6）通常用式（6）近似地描述電橋輸出電壓和橋臂電阻相對(duì)變化值之間的線性變化關(guān)系。在四個(gè)橋臂中接入相同的電阻應(yīng)變片并結(jié)合式（1）就可以得到測(cè)量電橋的基本原理表達(dá)式： （7）式（7）中K是應(yīng)變片的應(yīng)變靈敏系數(shù)，1、2、3、4分別是四個(gè)電阻應(yīng)變片所測(cè)量構(gòu)件處的應(yīng)變值。由式（7）可以看出，相鄰橋臂應(yīng)變值代數(shù)相減，相對(duì)橋臂應(yīng)變值代數(shù)相加。3）溫度補(bǔ)償。當(dāng)電阻應(yīng)變片安裝在無(wú)外力作用，無(wú)約束的構(gòu)件表面時(shí)，在溫度變化的

9、情況下，由于溫度效應(yīng)，它的電阻會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，這樣在測(cè)量應(yīng)變中就含有溫度變化產(chǎn)生的溫度應(yīng)變，使結(jié)果與機(jī)械應(yīng)變出現(xiàn)偏差。通常可以采用兩種線路補(bǔ)償?shù)姆椒ㄏ篴）溫度補(bǔ)償片補(bǔ)償，在測(cè)量電路中接入一個(gè)無(wú)約束無(wú)應(yīng)變的補(bǔ)償片，位于工作應(yīng)變片的相鄰橋臂；b）工作應(yīng)變片補(bǔ)償，將工作應(yīng)變片接入相鄰的測(cè)量橋臂中使得彼此產(chǎn)生的溫度應(yīng)變相互抵消。4）幾種典型的測(cè)量電橋如下圖所示： （沒(méi)有加下標(biāo)的電阻是電阻應(yīng)變儀內(nèi)部的固定電阻，帶下標(biāo)沒(méi)有陰影的是溫度補(bǔ)償片，帶下標(biāo)和陰影的是電阻應(yīng)變片）圖2（a）， 圖2（b） 圖3（a）， 圖3（b）3.4 電阻應(yīng)變儀的工作原理。 （8）式（8）是電阻應(yīng)變儀的工作原理表達(dá)式，式中K

10、0是應(yīng)變儀的靈敏系數(shù)，d是應(yīng)變儀的讀數(shù)應(yīng)變。所以，只要調(diào)節(jié)應(yīng)變儀的靈敏系數(shù)，使之滿足K0K，就有電阻應(yīng)變儀測(cè)量試件應(yīng)變值的原理表達(dá)式： （9）試件最大允許載荷的計(jì)算設(shè)有載荷P作用于試件上，通過(guò)測(cè)量得出試件危險(xiǎn)點(diǎn)在平面應(yīng)力狀態(tài)下的主應(yīng)力分別是1、2。采用第四強(qiáng)度理論進(jìn)行強(qiáng)度校核，得出試件危險(xiǎn)點(diǎn)的相當(dāng)應(yīng)力： （10）所以試件的最大允許載荷為： （11）4.實(shí)驗(yàn)步驟1、 打磨：在試件上要貼片的位置（危險(xiǎn)截面）用砂紙進(jìn)行打磨，去除表面雜質(zhì)。2、 清洗：對(duì)打磨好的部位用丙酮進(jìn)行清洗。3、 貼片：按下圖所示在危險(xiǎn)截面粘貼應(yīng)變片。圖4 試件一 圖5 試件二圖6 試件三4、 焊線：把應(yīng)變片的引腳與導(dǎo)線用錫焊焊

11、接起來(lái)。5、 檢查貼片、焊線：保證貼片位置、數(shù)量無(wú)誤，沒(méi)有虛焊存在。6、 組橋：連接電路，將各個(gè)應(yīng)變片分別按照半橋接線法中的單臂測(cè)量方法接入應(yīng)變儀的各個(gè)通道中。7、較零。將各個(gè)通道上的初始值進(jìn)行清零和校準(zhǔn)處理。8、測(cè)量：確定實(shí)驗(yàn)的加載方案：根據(jù)試件一分別加載400N，800，和1200N的力，然后將其應(yīng)變儀的應(yīng)變顯示值記錄下來(lái)，重復(fù)進(jìn)行2次。根據(jù)試件二，加載1000N的力，記錄上述貼片位置的應(yīng)變情況，然后應(yīng)變儀的應(yīng)變顯示值記錄下來(lái)，并重復(fù)進(jìn)行4次實(shí)驗(yàn)。根據(jù)試件三，鋼架試驗(yàn)件加載到500N，共加載五次，分別記錄數(shù)據(jù)如圖6所示。9、拆除電路，關(guān)閉電源并整理實(shí)驗(yàn)器材拆線，整理儀器。5.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)試件一

12、：表1 各載荷點(diǎn)處各應(yīng)變片在應(yīng)變儀上的讀數(shù)實(shí)驗(yàn)次數(shù)（n）應(yīng)變片載荷 ()（N）1234591011121314006945395273-140-168-170-159-133800116715787124-262-315-321-299-24812001428165110170-374-450-459-426-34824006133253348-121-149-159-150-127800104604975110-249-299-310-289-2391200128685598158-362-435-449-416-338試件二：表2 純剪試驗(yàn)件加載1000N數(shù)據(jù)應(yīng)變片（）實(shí)驗(yàn)次數(shù)(n)123

13、456781-178-61128-138-85-108-1121382-174-52132-142-89-105-1251413-173-60128-144-81-110-1191374-173-63130-142-88-103-115134試件三：表3鋼架元件加載500N應(yīng)變片（）實(shí)驗(yàn)次數(shù)123456781-664725176-162328-280209-2502-657767175-169328-264207-2493-667712191-173345-267225-2454-661703190-184343-269222-2405-660700190-189344-268223-2456

14、.實(shí)驗(yàn)結(jié)果（1）純剪試驗(yàn)件：對(duì)于純剪試驗(yàn)件共加載兩次，每次分三級(jí)加載，每級(jí)400N。數(shù)據(jù)處理如下表：表4 應(yīng)變平均值通道400N_1400N_2400N_3400N_4400N_5400N_6平均值169472661432445245261033278253391882524620452352333422334.5573514648624854.59-140-122-112-121-128-113-122.610-168-147-135-149-150-136-147.511-170-151-138-159-151-139-151.312-159-140-127-150-139-127-140

15、.313-133-115-100-127-112-99-114.3由貼片情況，15號(hào)應(yīng)變片分別和913號(hào)應(yīng)變片正反面對(duì)應(yīng)，分別對(duì)其求應(yīng)變平均值和總的平均值，數(shù)據(jù)如下：表5 對(duì)應(yīng)點(diǎn)應(yīng)變平均值通道400N_1400N_2400N_3400N_4400N_5400N_6平均值1，9-35.5-37.5-38-30-42.5-44.5-38.82，10-61.5-60.5-62.5-58-61.5-64-61.33，11-65.5-66.5-65-67-63.5-66.5-65.74，12-53.5-52.5-52-58.5-48.5-52-52.85，13-30-32-27-39.5-25-25.5

16、-29.8根據(jù)分別求得各測(cè)點(diǎn)處由加載力引起的應(yīng)力值不確定度和由應(yīng)變測(cè)量引起的應(yīng)力不確定度值，在t分布中取99%置信度，t值為3.1427。二者合成得到最終各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值得不確定度如下：表6 應(yīng)力不確定度通道加載力不確定度應(yīng)變測(cè)量不確定度總不確定度1，90.030MPa0.099 MPa0.324 MPa2，100.093 MPa0.057 MPa0.343 MPa3，110.114 MPa0.037 MPa0.377MPa4，120.093 MPa0.093 MPa0.415 MPa5，130.030 MPa0.155 MPa0.497 MPa根據(jù)分別求得各測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)力平均值如下：表7 應(yīng)力測(cè)量

17、結(jié)果通道應(yīng)力平均值1，9-5.843MPa2，10-9.218MPa3，11-9.879MPa4，12-7.939MPa5，13-4.481MPa3號(hào)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力絕對(duì)值最大，橫截面中面可視為結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)點(diǎn)，由第三強(qiáng)度校核準(zhǔn)則，結(jié)構(gòu)最大需用載荷：最終得出，沿著和方向受到的剪切力最大。（2）彈性試驗(yàn)件：分別記1號(hào)和5號(hào)應(yīng)變片測(cè)量1號(hào)測(cè)量點(diǎn)的縱向應(yīng)變，2號(hào)和6號(hào)應(yīng)變片測(cè)量1號(hào)測(cè)量點(diǎn)的橫向應(yīng)變，3號(hào)和8號(hào)應(yīng)變片測(cè)量2號(hào)測(cè)量點(diǎn)的-45度方向應(yīng)變，4號(hào)和7號(hào)應(yīng)變片測(cè)量2號(hào)測(cè)量點(diǎn)的45度方向應(yīng)變。對(duì)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行受力分析，1號(hào)測(cè)量點(diǎn)縱向?yàn)橹鲬?yīng)力方向，2號(hào)測(cè)量點(diǎn)-45度方向?yàn)橹鲬?yīng)力方向；按此分析進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理。1號(hào)

18、應(yīng)變片和5號(hào)應(yīng)變片平均得到1號(hào)測(cè)量點(diǎn)縱向的應(yīng)變平均值，3號(hào)應(yīng)變片和8號(hào)應(yīng)變片平均得到2號(hào)測(cè)量點(diǎn)-45度方向的應(yīng)變平均值，分別如下：表8 應(yīng)變平均值測(cè)點(diǎn)1234均值1,5（縱向）-131.5-131.5-127-130.5-130.13,8（-45度方向）133136.5132.5132133.5根據(jù)求得1號(hào)測(cè)量點(diǎn)和2號(hào)測(cè)量點(diǎn)由加載力引起的應(yīng)力不確定度。由求得1號(hào)測(cè)量點(diǎn)和2號(hào)測(cè)量點(diǎn)由應(yīng)變測(cè)量引起的應(yīng)力不確定度，在t分布中取99%置信度，t值為3.7469。二者合成得到最終各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值得不確定度如下：表9 應(yīng)力不確定度測(cè)點(diǎn)加載力不確定度應(yīng)變測(cè)量不確定度總不確定度1,5（縱向）0.0294MPa0.075 MPa0.303 MPa3,8（-45度方向）0.196 MPa0.071 MPa0.779 MPa根據(jù)，分別求得各測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)力平均值以及最終應(yīng)力值如下：表10 應(yīng)力測(cè)量結(jié)果測(cè)點(diǎn)應(yīng)力平均值應(yīng)力值1,5（縱向）-9.11MPa-9.110.303 MPa3,8（-45度方向）9.35 MPa9.350.779 MPa由上述應(yīng)力分析可知，2號(hào)測(cè)點(diǎn)（圓形薄板中心）處為危險(xiǎn)部位。查材料手冊(cè)取，由第三強(qiáng)度校核準(zhǔn)則，計(jì)算得到結(jié)構(gòu)許用載荷： （3）鋼架試驗(yàn)件：各應(yīng)變片應(yīng)變值如下：相應(yīng)地可以計(jì)算出各點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值：由應(yīng)變測(cè)量引起的應(yīng)力不確定度如下：根