(實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析電測(cè))5動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量課件

產(chǎn)生：瞬態(tài)載荷1．瞬變性動(dòng)態(tài)應(yīng)變二、非周期性動(dòng)態(tài)應(yīng)變特點(diǎn)：波形是單個(gè)脈沖或迅速衰減的震蕩曲線沖擊、爆破ty(t)oty(t)o特點(diǎn)：2．準(zhǔn)周期性動(dòng)態(tài)應(yīng)變由若干個(gè)簡(jiǎn)諧周期性動(dòng)態(tài)應(yīng)變疊加而成雖是非周期的，但某些性質(zhì)及處理方法復(fù)雜周期性動(dòng)態(tài)應(yīng)變相同。產(chǎn)生：瞬態(tài)載荷1．瞬變性動(dòng)態(tài)應(yīng)變二、非周期性動(dòng)態(tài)應(yīng)變1三、隨機(jī)性動(dòng)態(tài)應(yīng)變特點(diǎn)：ty(t)o對(duì)非確定性動(dòng)態(tài)應(yīng)變，要選用頻率響應(yīng)范圍很寬的測(cè)量記錄系統(tǒng)，進(jìn)行大量重復(fù)試驗(yàn)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律進(jìn)行研究。周期性動(dòng)態(tài)應(yīng)變和瞬態(tài)性動(dòng)態(tài)應(yīng)變都屬于確定性動(dòng)態(tài)應(yīng)變，如果不考慮誤差影響，重復(fù)測(cè)試時(shí)，每次結(jié)果都是形同的。變化規(guī)律不能用明確的數(shù)學(xué)關(guān)系描述隨機(jī)性動(dòng)態(tài)應(yīng)變一般含有十分豐富的頻率成分，測(cè)量時(shí)從應(yīng)變計(jì)開(kāi)始，整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性都應(yīng)符合要求。大量重復(fù)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)表現(xiàn)存在一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律性三、隨機(jī)性動(dòng)態(tài)應(yīng)變特點(diǎn)：ty(t)o2§5-2應(yīng)變計(jì)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和疲勞壽命構(gòu)件上應(yīng)變傳播的兩種形式一、應(yīng)變計(jì)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)構(gòu)件表面粘結(jié)層和基底應(yīng)變計(jì)敏感柵沿應(yīng)變計(jì)柵長(zhǎng)方向傳播時(shí)間短分析重點(diǎn)設(shè)構(gòu)件表面上應(yīng)變分布為柵長(zhǎng)中點(diǎn)A處的應(yīng)變值為ty(t)oxAl（5—4）（5—5）§5-2應(yīng)變計(jì)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和疲勞壽命構(gòu)件上應(yīng)變傳播的3A點(diǎn)讀數(shù)應(yīng)變?yōu)闁砰L(zhǎng)中點(diǎn)A處的應(yīng)變值相對(duì)誤差為ty(t)oxAl柵長(zhǎng)中點(diǎn)A處的應(yīng)變值為由于應(yīng)變計(jì)的輸出與被測(cè)應(yīng)變頻率之間的關(guān)系，稱為應(yīng)變計(jì)的頻率響應(yīng)特性。（5—5）（5—6）（5—7）（5—8）A點(diǎn)讀數(shù)應(yīng)變?yōu)闁砰L(zhǎng)中點(diǎn)A處的應(yīng)變值相對(duì)誤差為ty(t)4即時(shí)，近似為當(dāng)，于是由于應(yīng)變波在材料中的傳播速度是常數(shù)，所以有（5—9）即時(shí)，近似為當(dāng)51）若給定允許的相對(duì)誤差和被測(cè)動(dòng)態(tài)應(yīng)變的最高頻率

fmax,則可得出應(yīng)變計(jì)允許的最大柵長(zhǎng)l。如果被測(cè)動(dòng)態(tài)應(yīng)變的頻率遠(yuǎn)小于此數(shù)值，應(yīng)變計(jì)的動(dòng)態(tài)相應(yīng)誤差可忽略不計(jì)。2）若給定允許的相對(duì)誤差和應(yīng)變計(jì)柵長(zhǎng)l，可確定應(yīng)變計(jì)允許的極限頻率fmax。例如：應(yīng)變波在鋼材中的傳播速度，給定允許的相對(duì)誤差，應(yīng)變計(jì)的柵長(zhǎng)l=5mm，則應(yīng)變計(jì)允許的極限頻率fmax為：二、應(yīng)變計(jì)的疲勞壽命一般應(yīng)變計(jì)在常溫下動(dòng)態(tài)應(yīng)變計(jì)可達(dá)壽命與應(yīng)變幅值有關(guān)（5—9）1）若給定允許的相對(duì)誤差和被測(cè)動(dòng)態(tài)應(yīng)變的最高頻率6§5-3動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量的標(biāo)定和實(shí)施應(yīng)變計(jì)一、動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量的儀器系統(tǒng)靜動(dòng)態(tài)應(yīng)變計(jì)0—200Hz動(dòng)態(tài)應(yīng)變計(jì)0—200kHz超動(dòng)態(tài)應(yīng)變計(jì)〉—200kHz磁帶記錄儀頻譜分析儀筆式記錄儀存儲(chǔ)式示波動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)慮波器§5-3動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量的標(biāo)定和實(shí)施應(yīng)變計(jì)一、動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)7二、動(dòng)態(tài)測(cè)量的標(biāo)定對(duì)于工作頻率不高的情況1、靜態(tài)標(biāo)定原理應(yīng)變值的電標(biāo)定模擬應(yīng)變信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)傳輸給記錄儀原理應(yīng)變值的機(jī)械標(biāo)定應(yīng)變儀測(cè)量機(jī)械裝置應(yīng)變信號(hào)傳輸給記錄儀對(duì)于較高頻率的動(dòng)態(tài)應(yīng)變2、動(dòng)態(tài)標(biāo)定原理應(yīng)變儀測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)試件已知?jiǎng)討?yīng)變傳輸給記錄儀二、動(dòng)態(tài)測(cè)量的標(biāo)定對(duì)于工作頻率不高的情況1、靜態(tài)標(biāo)定原理應(yīng)變8§5-4動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量中的干擾與防干擾措施一、干擾的分類及特點(diǎn)干擾分類干擾特點(diǎn)電磁干擾工頻干擾無(wú)線電干擾靜電干擾測(cè)量導(dǎo)線與干擾源之間的漏電容地電壓、地電流干擾接地保護(hù)工廠的高電壓、雷電測(cè)量?jī)x器之間的干擾各儀器的實(shí)際載波頻率不同§5-4動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量中的干擾與防干擾措施一、干擾的分類9二、干擾源的檢查儀器內(nèi)部因素本身漂移多臺(tái)儀器間干擾未加載接線有信號(hào)輸出表明通過(guò)應(yīng)變計(jì)及導(dǎo)線進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)無(wú)感電阻代替應(yīng)變計(jì)若干擾消除，則為應(yīng)變計(jì)原因加載后卸載有零票直流干擾若干擾仍在，則為外界對(duì)導(dǎo)線影響，通過(guò)移動(dòng)導(dǎo)線位置或改變走向查找往往發(fā)生在發(fā)動(dòng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)開(kāi)動(dòng)或關(guān)閉時(shí)二、干擾源的檢查儀器內(nèi)部因素本身漂移多臺(tái)儀器間干擾未加載接線10三、抑制干擾的措施電磁、靜電干擾導(dǎo)線絞扭—減少干擾磁通的耦合面積采用三芯、四芯屏蔽線地電壓、地電流干擾信號(hào)電路必須一點(diǎn)接地儀器之間的干擾強(qiáng)迫各臺(tái)儀器載波頻率同步調(diào)整應(yīng)變儀的震蕩頻率，使其接近其他干擾措施使用濾波器增大測(cè)量導(dǎo)線與干擾源距離對(duì)干擾源采取屏蔽、接地等應(yīng)變儀使用供電電池時(shí)，采用浮空盡可能縮短測(cè)量導(dǎo)線長(zhǎng)度三、抑制干擾的措施電磁、靜電干擾導(dǎo)線絞扭—減少干擾磁通的耦合11§5-5動(dòng)態(tài)應(yīng)變的記錄曲線與修正一、記錄曲線幅高為h所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值為前標(biāo)定記錄H

1B時(shí)標(biāo)零線記錄曲線后標(biāo)定記錄H

2H

3H

4h

1h

2b周期B周期記錄長(zhǎng)度（5—10）（5—11）§5-5動(dòng)態(tài)應(yīng)變的記錄曲線與修正一、記錄曲線幅高為h12二、曲線修正1、零線修正與靜態(tài)應(yīng)變修正相同原因輸出漂移引起零線的移動(dòng)處理依據(jù)零線移動(dòng)與時(shí)間成正比，這點(diǎn)計(jì)算移動(dòng)量記錄時(shí)間零線移動(dòng)2、應(yīng)變測(cè)量值修正二、曲線修正1、零線修正與靜態(tài)應(yīng)變修正相同原因輸出漂移引起零13§5-6動(dòng)態(tài)應(yīng)變的數(shù)據(jù)分析一、周期性應(yīng)變信號(hào)根據(jù)波形圖，除了確定應(yīng)變的幅值和基頻f1外，還需計(jì)算頻譜，為此，將復(fù)雜周期應(yīng)變改寫成式中：、an、bn稱為傅里葉系數(shù)，按下式計(jì)算（5—12）（5—13）（5—14）（5—15）§5-6動(dòng)態(tài)應(yīng)變的數(shù)據(jù)分析一、周期性應(yīng)變信號(hào)14這樣，第n次諧波的幅值和相位可由an、bn確定如下因此，計(jì)算周期信號(hào)的頻譜即為確定時(shí)間歷程的傅里葉系數(shù)。（5—16）（5—17）這樣，第n次諧波的幅值和相位可由15t10titN-1將基波周期T分為N等分，時(shí)間間隔為，，，頻率為T則傅里葉系數(shù)計(jì)算公式為（5—18）（5—19）（5—20）（5—21）t10titN-1將基波周期T分為N等分，時(shí)間間隔為16設(shè)傅里葉級(jí)數(shù)的項(xiàng)數(shù)n為m，則包括在內(nèi)的傅里葉系數(shù)共有2m+1個(gè)。由N個(gè)數(shù)值來(lái)確定2m+1個(gè)系數(shù)，則要求。故所得到的最高諧波次數(shù)不超過(guò)次。如取N=12時(shí)，最多只能求得信號(hào)的6次諧波，這時(shí)的級(jí)數(shù)展開(kāi)式為。設(shè)傅里葉級(jí)數(shù)的項(xiàng)數(shù)n為m，則包括在內(nèi)的傅17二、瞬變性應(yīng)變信號(hào)瞬變性信號(hào)可看成周期T趨近于無(wú)窮大時(shí)的周期信號(hào)，傅里葉積分的形式為式中：、f1為基頻，是三角函數(shù)的復(fù)數(shù)形式，令代入式（5—22)并合并右邊項(xiàng)，則有（5—22）（5—23）（5—24）由式（5—14)、（5—15）和（5—23），可得（5—25）二、瞬變性應(yīng)變信號(hào)瞬變性信號(hào)可看成周期T18Cn為復(fù)數(shù)頻譜分量，寫成（5—26）（5—25）式中復(fù)數(shù)模Cn及幅角分別等于信號(hào)第n次諧波的振幅及相位為了描述時(shí)應(yīng)變信號(hào)頻譜分布的密度，將復(fù)數(shù)頻譜分量Cn除以頻率間隔，得當(dāng)時(shí)，有（5—27）稱為信號(hào)的頻譜密度。Cn為復(fù)數(shù)頻譜分量，寫成（5—26）（5—219這時(shí)式（5—24)求和運(yùn)算變?yōu)榉e分運(yùn)算（5—24）（5—28）稱為的傅里葉幾分變換。稱為的傅里葉逆變換。有（5—29）模與幅角分別稱為應(yīng)變信號(hào)的幅值譜密度和相位譜密度。這時(shí)式（5—24)求和運(yùn)算變?yōu)榉e分運(yùn)算（5—24）（5—2820實(shí)測(cè)應(yīng)變信號(hào)曲線的計(jì)算只能在0—T有限時(shí)間范圍內(nèi)進(jìn)行。這時(shí)的變換是有限傅里葉變換，其定義為（5—30）進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，先將應(yīng)變信號(hào)時(shí)間歷程離散化為數(shù)據(jù)，k=0,1,2,…..,N-1計(jì)算得離散頻率為（5—31）式中，為信號(hào)在頻率處的頻譜密度。這樣，變換為實(shí)測(cè)應(yīng)變信號(hào)曲線的計(jì)算只能在0—T有限21§6-1基本原理電阻應(yīng)變計(jì)彈性元件傳感器的構(gòu)造傳感器的原理選擇彈性元件及結(jié)構(gòu)形式外力彈性元件合理部位布應(yīng)變片應(yīng)變片隨彈性元件變形測(cè)量應(yīng)變值并轉(zhuǎn)換成力一、傳感器的構(gòu)造與原理二、傳感器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求靈敏度高非線性誤差小重復(fù)性好濕度影響小足夠的動(dòng)態(tài)頻率范圍§6-1基本原理電阻應(yīng)變計(jì)彈性元件傳感器的22結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單有效區(qū)的線性好1、彈性元件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則剛性好整體性好對(duì)作用力位置的變化和干擾力的影響不敏感有效區(qū)具有最大應(yīng)變值工作區(qū)的最佳額定應(yīng)變值工作區(qū)的工藝性能好自身具有過(guò)載保護(hù)或便于設(shè)置過(guò)載保護(hù)裝置安裝方便，互換性好結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單有效區(qū)的線性好1、彈性元件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則剛性232、彈性元件材料的選擇常用材料：另：靜態(tài)和動(dòng)態(tài)加載處理彈性元件的制造工藝過(guò)程退火退火——便于切削加工，進(jìn)刀量應(yīng)小，減小加工應(yīng)力熱處理——提高強(qiáng)度，減小滯后和蠕變，增加穩(wěn)定性時(shí)效處理——消除殘余應(yīng)力高強(qiáng)度——粗加工——熱處理——精加工——時(shí)效處理高彈性極限低彈性模量穩(wěn)定的物理性質(zhì)良好的機(jī)械加工和熱處理性能3、應(yīng)變計(jì)的的選擇與粘貼考慮使用期限2、彈性元件材料的選擇常用材料：另：靜態(tài)和動(dòng)態(tài)加載處理彈性元24三、傳感器的標(biāo)定1．加載情況與實(shí)測(cè)條件一致，注明使用環(huán)境2．精度高一級(jí)3．測(cè)試儀器精度高3—5倍4．滿量程反復(fù)3—5次；額定量程分5—10級(jí)反復(fù)至少3次，再取平均值，制成圖或表。標(biāo)定1．非線性2．滯后3．重復(fù)性性能指標(biāo)三、傳感器的標(biāo)定1．加載情況與實(shí)測(cè)條件一致，注明使用環(huán)境25四、供橋電壓的選擇式中：R—應(yīng)變計(jì)電阻經(jīng)驗(yàn)公式1．初始不平衡2．零漂3．靈敏度漂移五、傳感器的電路補(bǔ)償—敏感柵上的功率密度。—敏感柵的面積ABCDR1R2uBDR4R3RZVRtRE/2RL/2RS/2RE/2RL/2RS/24．非線性5．輸出靈敏度RZRtRERLRS四、供橋電壓的選擇式中：R—應(yīng)變計(jì)電阻經(jīng)驗(yàn)公式26§6-2測(cè)力傳感器一、拉壓彈性元件1、柱式彈性元件不帶膜片——可采用空心截面以提高抗彎截面模量R1R2ABCDR1R2§6-2測(cè)力傳感器一、拉壓彈性元件1、柱式彈性元件27R1R2ABCDR1R2R1R2ABCDR1R228R3R4R1R2ABCDR1R2R4R3R3R4R1R2ABCDR1R2R4R329帶膜片——可承受橫