應(yīng)變測試原理及工程實(shí)例

1、應(yīng)變測試原理及工程實(shí)例每次面世的新型汽車或火車都在輕型化上下了很大功夫，以提高其速度及節(jié)省燃料。雖然使用薄的或細(xì)的輕型材料可以實(shí)現(xiàn)輕型化（效率化），但是如果不能保證必要的強(qiáng)度的話對安全性會有很大影響。相反，如果只考慮強(qiáng)度的話就會使重量增加，對經(jīng)濟(jì)性造成影響。因此，在機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，安全性與經(jīng)濟(jì)性的協(xié)調(diào)也是非常重要的因素。為了在設(shè)計(jì)上既要保持這種協(xié)調(diào)性，又要保證強(qiáng)度，就必須要知道材料各個(gè)部位的“應(yīng)力”。但是，以現(xiàn)有的科學(xué)水平，無法對這種應(yīng)力進(jìn)行直接測量及判定。因此要對表面的“應(yīng)變”進(jìn)行測量，進(jìn)而計(jì)算出內(nèi)部的“應(yīng)力”。1應(yīng)變測量原理1.1基本概念所謂“應(yīng)力”，是在施加的外力的影響下物體內(nèi)部產(chǎn)生的力。

2、如圖所示，在柱體的上面向其施加外力P的時(shí)候，物體為了保持原形在內(nèi)部產(chǎn)生抵抗外力的力一內(nèi)力。內(nèi)力被物體（這里是柱體）的截面積所除后得到的值（單位面積上的內(nèi)力）即是“應(yīng)力”（單位為Pa帕斯卡或N/m2）。如圓柱橫斷面積為A（m2）,所受外力為P（N牛頓），由外力=內(nèi)力可得，應(yīng)力。P.-（Pa或者N/m）A這里的截面積A與外力的方向垂直，所以得到的應(yīng)力叫做垂直應(yīng)力。圖1棒被拉伸的時(shí)候會產(chǎn)生伸長變形國，棒的長度則變?yōu)閘+兇。這里，由伸長量四和原長l的比所表示的伸長率（或壓縮率）就叫做“應(yīng)變”，記作S。-1與外力同方向的伸長（或壓縮）方向上的應(yīng)變稱為軸向應(yīng)變。應(yīng)變表示的是伸長率（或壓縮率），屬于無量綱數(shù)

3、，沒有單位。由于量值很小，通常用1父10上（百萬分之一）“微應(yīng)變”表示，或簡單的用表示。棒在被拉伸的狀態(tài)下，變長的同時(shí)也會變細(xì)。直徑為do的棒產(chǎn)生&d的變形時(shí)，.1I-圖2直徑方向的應(yīng)變?nèi)缦率剿?：d；21d0這種與外力成直角方向上的應(yīng)變稱為“橫向應(yīng)變”。軸向應(yīng)變與橫向應(yīng)變的比稱為泊松比，記為v。每種材料都有其固定的泊松比，且大部分材料的泊松比都在0.3左右。v=0.3鳥各種材料的應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)系已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了測定。圖3所示為一種普通鋼材（軟鐵）的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系圖。應(yīng)力與應(yīng)變成直線關(guān)系的范圍內(nèi)胡克定律成立，對應(yīng)的最大應(yīng)力稱為比例極限。d=E心或一=Ez應(yīng)力與應(yīng)變的比例常數(shù)E被稱為

4、縱彈性系數(shù)或揚(yáng)氏模量，不同的材料有其固定的揚(yáng)氏模量。如上所述，雖然無法對應(yīng)力進(jìn)行直接的測量，但是通過測量由外力影響產(chǎn)生的應(yīng)變可以計(jì)算出應(yīng)力的大小。*性情域i域龍變S1.2 應(yīng)變的大小42應(yīng)變到底小到什么程度呢？如圖4所示，從1父10m（每邊長1cm）的鐵棒上面垂直施加10kN的力時(shí)，會產(chǎn)生多大的應(yīng)變呢？讓我們來計(jì)算一下。首先，應(yīng)力P_10KNA一110“m210103N110“m2二100MPa再通過應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系式計(jì)算出應(yīng)變。二100MPa'一百一206GPa100106206109=4.8510-通常，應(yīng)變用百萬分之一表示，本例中4851000000=48510-作為應(yīng)變量，用4

5、85父10.應(yīng)變，或485微應(yīng)變表示。10k5(ni0：0kgf)lxlOm:(km-ktn)的帙柱£=：WGPa)圖4應(yīng)變的正負(fù)，應(yīng)變分為拉伸和壓縮兩種，分別用正負(fù)號加以區(qū)別。拉伸T正（+）壓縮T負(fù)（-）表示10的倍數(shù)的前綴記號名稱倍數(shù)G千兆109M兆106K千103h百102da十10d十分之一10c百分之一10”m毫10二R微成1.3 應(yīng)變片原理1 .應(yīng)變片的構(gòu)造應(yīng)變片有很多種類。一般的應(yīng)變片是在稱為基底的塑料薄膜上貼上由薄金屬箔材制成的敏感柵，然后再覆蓋上一層薄膜作成迭層構(gòu)造。菇星國2 .應(yīng)變測定方法的種類應(yīng)變的測定方法有很多種，大致分為機(jī)械，光學(xué)，電子測定法。每種方法都是考

6、慮到物體的應(yīng)變從幾何學(xué)角度上看表現(xiàn)為物體上兩點(diǎn)間距離的變化，從而對其進(jìn)行測量為基礎(chǔ)的。物體材料的彈性系數(shù)己知的情況下，根據(jù)應(yīng)變可以計(jì)算出應(yīng)力。所以經(jīng)常通過測量應(yīng)變以計(jì)算由于外力的作用而在物體內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力。3 .應(yīng)變片的原理將應(yīng)變片貼在被測定物上，使其隨著被測定物的應(yīng)變一起伸縮，這樣里面的金屬箔材就隨著應(yīng)變伸長或縮短。很多金屬在機(jī)械性地伸長或縮短時(shí)其電阻會隨之變化。應(yīng)變片就是應(yīng)用這個(gè)原理，通過沉量電阻的變化而對應(yīng)變進(jìn)行沉定。一般應(yīng)變片的敏感柵使用的是銅銘合金，其電阻變化率為常數(shù)，與應(yīng)變成正比例關(guān)系。即R二K；R在這里R:應(yīng)變片原電阻值建歐姆）R:伸長或壓縮所引起的電阻變化C（歐姆）K:比例常數(shù)

7、（應(yīng)變片常數(shù)）z:應(yīng)變不同的金屬材料有不同的比例常數(shù)Ko銅銘合金（Adavance）白KK值約為2。這樣，應(yīng)變的測量就通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)換為對電阻變化的測量。但是由于應(yīng)變是相當(dāng)微小的變化，所以產(chǎn)生的電阻變化也是極其微小的。例如我們來計(jì)算1000x10-6的應(yīng)變產(chǎn)生的電阻的變化。應(yīng)變片的電阻值一般來說是120歐姆，即.Re=2100010120（c）R=120X2X1000M0*=0.24Q電阻變化率為R0.24=0.002>0.2%R120要精確地測量這么微小的電阻變化是非常困難的，一般的電阻計(jì)無法達(dá)到要求。為了對這種微小電阻變化進(jìn)行沉量，我們使用帶有惠斯通電橋回路的專用應(yīng)變測量儀。惠斯通電橋

8、是由電阻R1、R2、R3R4順序連成的一個(gè)環(huán)形電路，在環(huán)形的一個(gè)對角上接直流電源作為激勵(lì)，在另一個(gè)對角端之間接輸出負(fù)載，R1、R2、R3R4稱為電橋的橋臂，如下圖所示。當(dāng)Rl/R2=R3/R4時(shí)，Vo=0。這種狀態(tài)稱為橋路平衡。任何一個(gè)橋臂上的電阻值發(fā)生變化時(shí)，都會導(dǎo)致橋路不平衡，橋路就會有電壓輸出?，F(xiàn)在將R4替換為應(yīng)變片，應(yīng)變片阻值大小為RG,同時(shí)使橋臂上另外三個(gè)電阻的阻值為:R1=R2=R3=RG,那么在應(yīng)變片沒有產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，橋路輸出電壓也為零。如果產(chǎn)生應(yīng)變，應(yīng)變片阻值發(fā)生變化為爾,那么電橋車出電壓Vo相應(yīng)發(fā)生變化：VexRgLRg+aR四邊的電阻中只有應(yīng)變片產(chǎn)生變化，輸出電壓可寫成:1廿

9、L4其中，K為比例常數(shù)（應(yīng)變片常數(shù)），E為橋路電壓，一般的應(yīng)變測量大部分都使用單應(yīng)變片法。1.4惠斯通電橋構(gòu)成上例電路中只聯(lián)入了一枚應(yīng)變片，所以稱為單一應(yīng)變片法。除此之外，還有雙應(yīng)變片發(fā)及四應(yīng)變片法。雙應(yīng)變片法如下圖所示，在電橋中聯(lián)入了兩枚應(yīng)變片，共有兩種聯(lián)入方法。招-1口(fl)當(dāng)兩個(gè)應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化，聯(lián)入方式上圖（a）所示時(shí),1/AA溫。e-iE居R.）或«?-一G）七4聯(lián)入方式上圖（b）所示時(shí)，或e=工Kg+.）/74也就是說當(dāng)聯(lián)入兩枚應(yīng)變片時(shí)，根據(jù)聯(lián)入方式的不同，兩枚應(yīng)變片上產(chǎn)生的應(yīng)變或加或減。雙應(yīng)變片法的用途如圖11所示，同時(shí)對懸臂梁施加使其彎曲和伸長的兩個(gè)作用力，在梁

10、的上下表面對應(yīng)的位置分別貼上一枚應(yīng)變片，再聯(lián)入橋路的相鄰邊或相對邊就可以測知分別由彎曲和伸長所產(chǎn)生的應(yīng)變。下面對這種用法加以說明。由于懸臂梁的彎曲，在應(yīng)變片上產(chǎn)生拉伸應(yīng)變（正），在應(yīng)變片上產(chǎn)生壓縮應(yīng)變（負(fù)）。因?yàn)閮擅稇?yīng)變片與梁的末端距離相同，所以雖然二者的正負(fù)不同，但絕對值的大小相同。這樣，如果只想測量由于彎曲產(chǎn)生的應(yīng)變，則如圖12所示，將，聯(lián)入電橋的相鄰邊。因?yàn)檩敵鲭妷呵依熳饔迷趹?yīng)變片，上同時(shí)產(chǎn)生大小相等的正應(yīng)變，所以括號中的項(xiàng)等于零。另一方面，由于彎曲變形而在應(yīng)變片，上產(chǎn)生的應(yīng)變大小相等，符號相反，從數(shù)學(xué)角度看括號中的項(xiàng)變?yōu)槊棵稇?yīng)變片上產(chǎn)生的應(yīng)變的2倍，從而可以測得由于彎曲而產(chǎn)生的應(yīng)變。

11、若如圖13所示，將應(yīng)變片聯(lián)入橋路的相對邊，則輸出電壓e=（久+eJE4圖-13o*-與上例相反，這種情況下，由于彎曲應(yīng)變所產(chǎn)生的輸出電壓為零，由于拉伸應(yīng)變所產(chǎn)生的輸出電壓變?yōu)槊棵稇?yīng)變片所產(chǎn)生的電壓的2倍。也就是說如圖13所示聯(lián)接即可測得僅由拉伸作用所產(chǎn)生的應(yīng)變。四應(yīng)變片法的輸出電壓四應(yīng)變片法是橋路的四邊全部聯(lián)入應(yīng)變片，在一般的應(yīng)變測量中不經(jīng)常使用，但常用于應(yīng)變片式的變換器中。如下圖所示，當(dāng)四條邊上的應(yīng)變片的電阻分別引起如Ri+ARi,R2+R2,R3+AR3,R4+AR4的變化時(shí)A/i.Vc?：=4E4氏町.若四枚應(yīng)變片完全相同，比例常數(shù)為K,且應(yīng)變分別為£1,£2,

12、63;3,£4o則上面的式子可寫成下面的形式。e'一乩+%一&41.5 應(yīng)變片溫度補(bǔ)償方法在應(yīng)變測量中會遇到一個(gè)問題，那就是溫度對應(yīng)變的影響。因?yàn)楸粶y定物都有自己的熱膨脹系數(shù)，所以會隨著溫度的變化伸長或縮短。因此如果溫度發(fā)生變化，即使不施加外力貼在被測定物上的應(yīng)變片也會測到應(yīng)變。為了解決這個(gè)問題，可以應(yīng)用溫度補(bǔ)償法。動(dòng)態(tài)模擬法這是使用兩枚應(yīng)變片的雙應(yīng)變片法。如圖14所示，在被測物上貼上應(yīng)變片（A）,在與被測物材質(zhì)相同的材料上貼上應(yīng)變片（D），并將其置于與被測物相同的溫度環(huán)境里。如圖所示，將兩枚應(yīng)變片聯(lián)入橋路的相鄰邊，這樣因?yàn)椋ˋ）,（D）處于相同的溫度條件下，由溫度引

13、起的伸所量相同，即由溫度引起的應(yīng)變相同，所以由溫度引起的輸出電壓為零。自我溫度補(bǔ)償法從理論上講，動(dòng)態(tài)模擬法是最理想的溫度補(bǔ)償法。但是有粘貼兩枚應(yīng)變所費(fèi)勞力和模擬物的放置場所的選擇等問題。為了解決這個(gè)問題，可以使用只用一枚應(yīng)變片即可進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)淖晕覝囟妊a(bǔ)償應(yīng)變片。這種方法根據(jù)被測物材料的熱膨脹系數(shù)的不同來調(diào)節(jié)應(yīng)變片敏感柵，因此使用適合被測物材料的應(yīng)變片就可以僅用一枚應(yīng)變片對應(yīng)變進(jìn)行測量，且不受溫度的影響。除了特殊的情況，現(xiàn)在基本上都使用自我溫度補(bǔ)償型應(yīng)變片。如下圖所示，在熱膨脹系數(shù)為3s的被側(cè)物表面貼上敏感柵熱膨脹系數(shù)為3g的應(yīng)變片。則溫度每變化1度，其所表現(xiàn)出來的應(yīng)變£T如下式所示

14、。%=+（尸*一尸彎）這里電阻元件的制度系數(shù)|Ks:應(yīng)變片的應(yīng)變片常數(shù)上式中，Ks為由敏感柵材料決定的應(yīng)變片常數(shù)，3s,pg分別為由各自材料決定的被測物與敏感柵的熱膨脹系數(shù)，這三項(xiàng)均為定值，則通過調(diào)整“就可以使由溫度引起的應(yīng)變變?yōu)榱恪４藭r(shí)a=-Ksi肉-）=給（戶g-應(yīng)電片電碼元行1至密胱系數(shù)仃門在箔材的制作過程中可以通過熱處理對a的值進(jìn)行控制。而且它是與特定的被測物的熱膨脹系數(shù)3s相對應(yīng)的，如果用在不適用的被測物時(shí)，不僅不會補(bǔ)償溫度引起的應(yīng)變還會引起較大的測量誤差。自我溫度補(bǔ)償片的適用材料的熱膨脹系數(shù)如下表所示。自我溫度補(bǔ)償片的適用材料應(yīng)用材料熱穿麻套數(shù)合成材料T鉆石等合成材料,e.硫瞄等合

15、成材料,木材，鈣等5x10/合成忖料，制等GxlO：合成材料，認(rèn),白金等9x10"*/°C普遍鋼材,SUS631nxw°zac適用材料熱膜肽系數(shù)防腐物，耐地合金.鍥等13X19-1不銹鋼，SUS304.銅等16x10.VCW01414毋.黃銅.鋤等23X10-6疑合金，合成材料等27xiorc丙陸酸樹脂.聚碳檄曲65翼10<FC1.6 應(yīng)變片粘貼應(yīng)變片的粘貼方法根據(jù)應(yīng)變片，粘貼劑，使用環(huán)境的不同而不同。這里以常溫室內(nèi)測量為例。選用普通型應(yīng)變片（帶有導(dǎo)線的KFG應(yīng)變片），速干性粘貼劑（氟基丙烯酸鹽酸粘合劑系列CC-33A）,低碳鋼試驗(yàn)片。選擇應(yīng)變片根據(jù)被測物與

16、目的選擇應(yīng)變片的種類及長度。應(yīng)變片的熱膨脹系數(shù)上表中所示，可以從中選擇適用于被測物的應(yīng)變片。除銹，保護(hù)膜將應(yīng)變片所要粘貼的部位（到除去涂漆，銹跡及鍍金等。范圍要大于應(yīng)變片的面積）用砂布（#200300）打磨，直確定粘貼位置4H以上的硬質(zhì)鉛筆或劃線器,在需要測量應(yīng)變的位置沿著應(yīng)變的方向做好記號。使用注意在使用劃線器時(shí)，不要留下深的刻痕。對粘貼面的脫脂和清潔用工業(yè)用薄紙蘸丙酮溶液對要粘貼應(yīng)變片部位進(jìn)行清潔。在清潔過程中，沿著一個(gè)方向用力擦拭，然后再沿著相同方向擦拭。如果來回擦拭會使污物反復(fù)附著，無法擦拭干凈。涂粘貼劑首先要確認(rèn)好應(yīng)變片的正反面。向應(yīng)變片的背面滴一滴粘貼劑（CC-33A）。如果涂抹粘

17、貼劑的話，先涂抹部分的粘貼劑會出現(xiàn)硬化使粘性下降。因此不使用涂抹的方式。粘貼將滴有粘貼劑的應(yīng)變片立即粘在所作記號的中心位置。加壓在置于粘貼位置的應(yīng)變片上面蓋上附帶的聚乙烯樹脂片，并在上面用手指加壓。步驟,，要連貫快速地進(jìn)行。將放好的應(yīng)變片取下調(diào)整位置重新粘貼時(shí)會使粘性極大地下降。完成加壓一分鐘左右，取下聚乙烯樹脂片，確認(rèn)是否已粘貼牢固。這樣整個(gè)粘貼過程結(jié)束。為了達(dá)到更好的效果，最好將應(yīng)變片放置60分鐘左右等粘貼劑完全硬化后再使用。2應(yīng)變測試工程實(shí)例本實(shí)驗(yàn)室具備江蘇東華公司研制的DH5902數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可可實(shí)現(xiàn)三線制1/4橋、半橋及全橋的連接。通過信號輸入線與電阻應(yīng)變計(jì)連接，信號輸入線的LEM

18、O插頭接入DH5902的數(shù)據(jù)采集通道，如下圖所示（以三線制1/4橋的連接為例），+Eg表示供橋電壓正極、-Eg表示供橋電壓負(fù)極、Vi+表現(xiàn)信號正極、Vi-表現(xiàn)信號負(fù)極。橋路連接盒橋路類型指在應(yīng)變電橋中，根據(jù)不同的測試情況，接應(yīng)變計(jì)的數(shù)量和方式有不同。應(yīng)變測試具體分為方式1到方式6,對于東華DH5902不同橋路有不同橋路連接方式，下圖為應(yīng)變片貼片方式及應(yīng)變片和應(yīng)變半橋、全橋輸入線連接方式。序號用途現(xiàn)場實(shí)例專用應(yīng)變輸入線連接示意方式一三線制1/4橋適用于測量簡單拉伸壓縮或彎曲應(yīng)變W|i/一Rh本試驗(yàn)是測試振動(dòng)試驗(yàn)過程中，測試產(chǎn)品關(guān)鍵位置應(yīng)變的大小，測試示意圖如下圖所試驗(yàn)夾具本試驗(yàn)中所用振動(dòng)臺東華應(yīng)變測試系統(tǒng)如下圖所示。本試驗(yàn)用的如下圖所示的應(yīng)變花，可根據(jù)式(1)應(yīng)變花三個(gè)獨(dú)立的應(yīng)變數(shù)據(jù)計(jì)算出該點(diǎn)的最大主應(yīng)變。圖1應(yīng)變花布置圖；0；90122；max-；0-；901-！2工5-