機械工程測試技術(shù)三級項目報告

1、機械工程測試技術(shù)三級項目報告題目：等強度懸臂梁的動態(tài)響應(yīng)測量與數(shù)據(jù)分析 班級：13級機械裝備-2班 小組成員：才旺 李同 孫向男 指導(dǎo)教師：胡福泰2016年7月目 錄1、 摘要22、 前言33、正文6 3.1 等強度懸臂梁工作原理6 3.2 應(yīng)變片的工作原理73.3 電測法基本原理93.4 實驗內(nèi)容及步驟.113.5 實驗數(shù)據(jù)記錄及實驗結(jié)果.123.6 注意事項. 133.7 實驗分析說明及結(jié)論.134、心得.14 摘要本實驗?zāi)康脑谟谡莆赵诓煌膭討B(tài)力作用下應(yīng)變測量方法，是對基本測試方法的一次綜合訓(xùn)練過程，通過對具體所要測試機械裝備的工作狀態(tài)進(jìn)行分析、了解要測試的對象，最終確定測試實驗方案以及

2、選擇要采用的儀器。通過此過程了解靜態(tài)、動態(tài)信號的采集及數(shù)據(jù)分析處理過程，熟悉從傳感器到計算機之間各儀器的連接、測試軟件的使用和機械信號測試方法。關(guān)鍵字： 動態(tài)力 懸臂梁 應(yīng)變測試 軟件輔助測量前言本次實驗的實驗?zāi)康氖钦莆赵诓煌膭討B(tài)力狀態(tài)下，應(yīng)變測量的方法。實驗內(nèi)容是懸臂梁在動態(tài)力作用下梁身應(yīng)變的變化。此次實驗采用電阻應(yīng)變測量方法測量應(yīng)變。研究強度問題可以有兩種途徑：理論分析和實驗應(yīng)力分析。實驗應(yīng)力分析是用實驗方法來分析和確定受力構(gòu)件的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)的一門科學(xué)，通過實驗應(yīng)力分析可以檢驗和提高設(shè)計質(zhì)量、工程結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，并且可以達(dá)到減少材料消耗、降低生產(chǎn)成本和節(jié)約能源的要求。實驗應(yīng)力分析

3、的方法很多，有電測法、光測法、機械測量方法等。本實驗主要是利用電測法。電測法有電阻、電容、電感測試等多種方法，其中以電阻應(yīng)變測量方法應(yīng)用較為普遍。電阻應(yīng)變測量方法是用電阻應(yīng)變片測定構(gòu)件表面的應(yīng)變，再根據(jù)應(yīng)變應(yīng)力關(guān)系確定構(gòu)件表面應(yīng)力狀態(tài)。工程中常用此方法來測量模型或?qū)嵨锉砻娌煌c的應(yīng)力，它具有較高的靈敏度和精度。由于輸出的是電信號，易于實現(xiàn)測量數(shù)字化和自動化，并可進(jìn)行遙測。電阻應(yīng)變測量可以在高溫、高壓、高速旋轉(zhuǎn)、強磁場、液下等特殊條件下進(jìn)行。此外還可以對動態(tài)應(yīng)力進(jìn)行測量。由于電阻應(yīng)變片具有體積小、質(zhì)量輕、價格便宜等優(yōu)點，且電阻應(yīng)變測試方法具有實時性、現(xiàn)場性，因此它已成為實驗應(yīng)力分析中應(yīng)用最廣的一

4、種方法。它的主要缺點就是：一個電阻應(yīng)變片只能測量構(gòu)件表面一個點在某一個方向的應(yīng)變，不能進(jìn)行全域性的測量。 電阻應(yīng)變測量方法是用電阻應(yīng)變片測定構(gòu)件表面的應(yīng)變再根據(jù)應(yīng)變應(yīng)力關(guān)系確定構(gòu)件表面應(yīng)力狀態(tài)。工程中常用此方法來測量模型或?qū)嵨锉砻娌煌c的應(yīng)力它具有較高的靈敏度和精度。由于輸出的是電信號易于實現(xiàn)測量數(shù)字化和自動化并可進(jìn)行遙測。電阻應(yīng)變測量可以在高溫、高壓、高速旋轉(zhuǎn)、強磁場、液下等特殊條件下進(jìn)行此外還可以對動態(tài)應(yīng)力進(jìn)行測量。由于電阻應(yīng)變片具有體積小、質(zhì)量輕、價格便宜等優(yōu)點且電阻應(yīng)變測試方法具有實時性、現(xiàn)場性因此它已成為實驗應(yīng)力分析中應(yīng)用最廣的一種方法。它的主要缺點就是一個電阻應(yīng)變片只能測量構(gòu)件表面

5、一個點在某一個方向的應(yīng)變不能進(jìn)行全域性的測量。應(yīng)變片是一種能把被測試件的應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻變化量的敏感元件，它一般由基底、敏感柵、覆蓋層和引線四部分組成。把一根電阻絲機械的分布在一塊有機材料制成的基底上，即成為一片應(yīng)變片?，F(xiàn)在使用的稱重傳感器、力傳感器，絕大部分都是電阻應(yīng)變式傳感器。隨著傳感器在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活中發(fā)揮著越來越重要的作用，對傳感器技術(shù)的要求也越來越高。實驗需要對懸臂梁的應(yīng)變進(jìn)行測量，所謂的懸臂梁，即一端固定，另一端可以動的彈性元件。應(yīng)變是描述一點處變形程度的力學(xué)量，它是由載荷、溫度、濕度等因素引起的物體局部的相對變形，主要有線應(yīng)變和切應(yīng)變兩類。電阻應(yīng)變片是一種將

6、機械構(gòu)件上應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感元件。懸臂梁在偏振電機的不同轉(zhuǎn)速條件下偏置質(zhì)量塊產(chǎn)生動態(tài)力不同，在不同轉(zhuǎn)速條件下懸臂梁發(fā)生的應(yīng)變不同。測出梁身動態(tài)應(yīng)變與動態(tài)力之間的關(guān)系，再根據(jù)機械工程測試技術(shù)基本實驗中的應(yīng)變片靈敏度測定實驗所得到的應(yīng)變片靈敏度準(zhǔn)確得出在不同動態(tài)力下梁身發(fā)生的真實動態(tài)應(yīng)變。而偏振電機轉(zhuǎn)速變化是通過給定電壓來實現(xiàn)。試驗中懸臂梁上應(yīng)變片是沿懸臂梁軸線兩側(cè)對稱粘貼，可抵消偏置電機在旋轉(zhuǎn)過程中對懸臂梁所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力影響。我們需要了解和實驗有關(guān)的原理知識和儀器設(shè)備的使用的知識，通過實驗結(jié)果來分析動態(tài)力和應(yīng)變的關(guān)系，進(jìn)行測量數(shù)據(jù)、分析結(jié)果并最終得出結(jié)論。預(yù)期結(jié)果：開始時隨著電壓的增

7、加偏置電機轉(zhuǎn)速隨之增加，懸臂梁振幅增大，應(yīng)變增加。當(dāng)偏置電機與懸臂梁產(chǎn)生共振現(xiàn)象時懸臂梁振幅最大，偏置電機轉(zhuǎn)速再增加時，振幅變小。正文結(jié)構(gòu)在承受動載作用或強迫振動時，結(jié)構(gòu)上各點的應(yīng)變隨時間改變而變化，這種應(yīng)變成為動應(yīng)變。例如：汽車在行駛中、機床在加工時，其上面的許多構(gòu)件及部件都承受著動載荷的作用，它們所產(chǎn)生的應(yīng)變是動應(yīng)變。在電阻應(yīng)變測量中，動態(tài)應(yīng)變測量與靜態(tài)應(yīng)變測量不同。靜態(tài)應(yīng)變不隨時間變化，可以直接讀取或?qū)?shù)據(jù)打印出來。而動態(tài)應(yīng)變隨時間改變而發(fā)生變化，必須通過記錄儀器進(jìn)行實時記錄或存儲，然后進(jìn)行信號處理。動態(tài)應(yīng)變不但要測量其應(yīng)變幅值，還要測量其隨時間的變化規(guī)律，或者測量其變化頻率。不失真地記

8、錄動態(tài)應(yīng)變是保證測量精度的基礎(chǔ)。在電阻應(yīng)變測量技術(shù)中，動態(tài)應(yīng)變與靜態(tài)應(yīng)變的測量基本相同，只是測量系統(tǒng)有差異。由于被測應(yīng)變的頻率不同，各種動態(tài)應(yīng)變記錄儀器的頻率適用范圍都有限制，因此應(yīng)根據(jù)動應(yīng)變頻率范圍選擇合適的儀器。除此之外還需考慮儀器之間的阻抗匹配以及數(shù)據(jù)處理方式。 本次實驗裝置是由加載裝置、動態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)以及計算機三部分組成。在懸臂振動梁上安裝一個帶有偏心質(zhì)量塊的可調(diào)速小馬達(dá)。如欲測量其某截面在振動過程中的應(yīng)變，可根據(jù)需要在梁截面的上下表面沿軸線分別貼上應(yīng)變計。當(dāng)啟動馬達(dá)時，由于偏心質(zhì)量塊的旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力作用，使簡支梁發(fā)生振動，在梁的垂直方向上產(chǎn)生了一個按正弦規(guī)律變化的周期性動載荷。

9、逐漸提高馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速接近梁的固有頻率時，梁產(chǎn)生共振，此時梁及梁上測點將產(chǎn)生較大的振幅和動應(yīng)變。將機械應(yīng)變信號通過電橋盒輸入動態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)，再通過計算機對信號進(jìn)行分析和處理。3.1 等強度懸臂梁工作原理以彎曲為主要變形的桿件稱為梁。一端固定，另一端自由的梁為懸臂梁。為了使懸臂梁各個截面的彎曲應(yīng)力相同隨著彎矩的大小相應(yīng)地改變截面尺寸以保持相同強度，這樣的懸臂梁稱為等強度懸臂梁。 等強度懸臂梁實驗儀由已粘貼好電阻應(yīng)變片的等強度梁、支座、調(diào)節(jié)螺釘和加載砝碼等組成。本實驗用電測法測量等強度懸臂梁的應(yīng)變。 圖1 等強度懸臂梁基本構(gòu)造示意圖3.2 應(yīng)變片的工作原理（1）電阻應(yīng)變片的構(gòu)造 電阻應(yīng)

10、變片一般由敏感柵、引線、基底、覆蓋層和粘結(jié)劑構(gòu)成，其構(gòu)造簡圖如圖1。 敏感柵是用金屬絲制成的應(yīng)變轉(zhuǎn)換元件，是構(gòu)成電阻應(yīng)變片的主要部分。為了使應(yīng)變片有足夠的電阻值，把一定長度的金屬絲做成柵狀。 引線作為測量敏感柵電阻值時與外部導(dǎo)線連接之用，一般采用直徑0.150.3mm的鍍銀、鍍錫或鍍合金的軟銅絲。制片時先將其與敏感柵焊接在一起。因為敏感柵直徑比引出線細(xì)得多，焊接處容易折斷，使用時必須特別小心。 基底的作用是保持敏感柵的幾何形狀和相對位置，而蓋層是用來護(hù)敏感柵的?；妆仨毮鼙ＷC金屬絲和被測試件之間的絕緣，并且要求基底有一定的機械強度、熱穩(wěn)定性及易于粘貼。 粘貼劑是用來將敏感柵固結(jié)在覆蓋層和基底之

11、間的，粘結(jié)劑粘結(jié)強度要高，絕緣性要好。 圖2 電阻應(yīng)變片基本構(gòu)造示意圖（2）電阻應(yīng)變片的工作原理電阻應(yīng)變片工作原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值隨著所受機械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化。變化值和應(yīng)變片粘貼的構(gòu)件表面的應(yīng)變成正比，最后通過測量儀器測電阻變化，進(jìn)而得到構(gòu)件表面的應(yīng)變?，F(xiàn)在對金屬絲電阻與應(yīng)變之間的關(guān)系作以下簡單分析。由物理學(xué)可知，長度為L、橫截面積為A和電阻率為的均勻金屬絲，其電阻值R由下式給出： （1） 當(dāng)金屬絲受到軸向拉伸（或壓縮）作用時，其電阻值R的變化，可由式（1）的微分得到，對式（1）進(jìn)行微分，并除以總電阻R，得 （2） 式中

12、：為導(dǎo)線長度的相對變化，即應(yīng)變；為金屬絲中橫向應(yīng)變所造成的橫截面面積的改變。由于橫向應(yīng)變等于-，如果把金屬絲受軸向應(yīng)變之前的直徑記為,那么受應(yīng)變以后的直徑為： （3) 式中：為金屬絲材料的泊松比。由式（3）可得 (4) 將上式代入式（2）得 (5) (6) 于是 （7）稱為單根金屬絲的應(yīng)變靈敏系數(shù)。式（7）表明了金屬絲的電阻變化率與其軸向應(yīng)變之間的關(guān)系，如果為常數(shù)，則關(guān)系為線性的。應(yīng)變片就是利用金屬絲的這種電阻應(yīng)變效應(yīng)制成的。式（5）表明，導(dǎo)體的應(yīng)變靈敏度是由兩個因素引起的，一個是導(dǎo)體尺寸的改變，由（）項來表示；另一個是電阻率的改變，由項來表示。3.3 電測法基本原理 電測法基本原理，是將金屬

13、絲等制成的電阻應(yīng)變片貼在構(gòu)件待測應(yīng)變處，當(dāng)構(gòu)件受力變形時，金屬絲亦隨之伸縮，因而其電阻也隨之改變。電阻改變量與金屬絲的線應(yīng)變之間存在一定的關(guān)系。通過電阻應(yīng)變儀將電阻改變量測出，進(jìn)而可得到構(gòu)件所測部位的應(yīng)變。電阻改變量與構(gòu)件應(yīng)變之間存在如下關(guān)系： （1） 式中，為電阻應(yīng)變片電阻值的相對變化量，K為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)，對于本實驗K為常數(shù)，為構(gòu)件應(yīng)變。測量等強度懸臂梁應(yīng)力的電路，由于懸臂梁產(chǎn)生的應(yīng)變一般都很小, 引起應(yīng)變片的電阻變化也很小，要想把這種應(yīng)變直接測量出來很困難。因此, 需要有專用的測量電路來測量這種由應(yīng)變變化而引起的電阻變化。一般情況下，將懸臂梁上的應(yīng)變片連接成電橋進(jìn)行測量。可將一枚、二枚

14、或四枚應(yīng)變片接入到橋臂中，分別稱作單橋、半橋和全橋電路。接入應(yīng)變片的橋臂稱為工作臂，在輸入端加電壓E，則在輸出端有輸出電壓U。本實驗采用全橋電路，四個橋臂均接有應(yīng)變片。電阻值分別為R1、R2、R3和R4。則有 當(dāng)在砝碼盤上加上砝碼時，梁發(fā)生彎曲變形。電阻應(yīng)變片也產(chǎn)生相同的應(yīng)變，阻值發(fā)生變化。這時有 （2）若四個橋臂上應(yīng)變片的靈敏系數(shù)均為K，則 則（2）式變?yōu)?(3)本實驗中電路中的應(yīng)變片均是相同的，因此則（3）式變?yōu)?(4)式中，為傳感器的輸出靈敏度，所以 (5)等強度懸臂梁所受的正應(yīng)力與應(yīng)變之間有如下的關(guān)系式： (6)又因為 (7)所以（7）式變?yōu)椋?(8)3.4 實驗內(nèi)容及步驟 1、根據(jù)下

15、圖組裝全橋電路 圖3 全橋電路圖 2、打開儀器、計算機，打開軟件，實驗通道選擇默認(rèn)即可。在設(shè)置完通道參數(shù)，正式開始采樣前，一般需要對通道進(jìn)行平衡。可以通過控制工具欄上的平衡按鈕和清零按鈕實現(xiàn)。然后進(jìn)行通道子參數(shù)設(shè)置，點擊通道子參數(shù)下的橋路類型。 3、開始測量。采用電機帶動偏心質(zhì)量塊旋轉(zhuǎn)來產(chǎn)生動態(tài)力，我們通過控制電機的轉(zhuǎn)速來改變動態(tài)力的大小。改變直流電壓，電機轉(zhuǎn)動，測量轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定下來時，點擊軟件的暫停按鈕，記錄下最大值及最小值。增大直流電壓，重復(fù)以上過程五次，將實驗數(shù)據(jù)記錄在表格中。 4、完成實驗后，關(guān)閉電源，對實驗器械進(jìn)行整理。對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、整理和歸納，做曲線圖找規(guī)律。3.5 實驗數(shù)據(jù)

16、記錄及實驗結(jié)果 序號轉(zhuǎn)速對應(yīng)應(yīng)變（）平均應(yīng)變值最大值最小值（）194713.319-13.0430.1382110620.083-20.442-0.1803137337.183-37.603-0.2104178570.243-70.551-0841-129.536-0.1533.6 注意事項1、 注意應(yīng)變片的保護(hù)，要做好應(yīng)變片的防潮、防濕工作，確保在應(yīng)變片烘干后進(jìn)行測量。2、 實驗中應(yīng)當(dāng)注意儀器的保護(hù)，并在老師的正確指導(dǎo)下進(jìn)行儀器的操作，特別是應(yīng)變片的安裝。3、 實驗后應(yīng)把儀器歸類放好，并整理實驗臺。3.7 實驗分析說明及結(jié)論1、當(dāng)給出的轉(zhuǎn)速（即動態(tài)力）不同，會產(chǎn)生不

17、同的應(yīng)變，從圖中可以看到應(yīng)變隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大。 2、根據(jù)所得應(yīng)變值正負(fù)最大值可知，全橋法測量應(yīng)變是近似對稱的。 3、全橋法測量應(yīng)變可以消除溫度的影響，同時，可以消除偏心載荷的影響。實驗心得 在我們小組三個人的辛勤付出下，從課題分析研究、進(jìn)行實驗、數(shù)據(jù)記錄分析、整理歸納總結(jié)以及最后的項目報告的纂寫，雖然中間有曲折、有疑惑，但最終我們都克服了這些困難，順利完成了這次測試技術(shù)三級項目。通過本次測試技術(shù)三級項目，我們加深對了對測試技術(shù)基礎(chǔ)知識的理解，并將所學(xué)的知識應(yīng)用于具體的實驗與實踐中，鍛煉了我們積極思考、主動學(xué)習(xí)的能力，提高了我們交流、溝通和表達(dá)能力以及團隊合作能力，培養(yǎng)了我們的責(zé)任感和職業(yè)道

18、德。我們學(xué)到了很多課本上以及課本所延伸擴展出來的知識。在課本相關(guān)知識的研讀中，在圖書館詳實文獻(xiàn)的閱覽中，使我們學(xué)會了懸臂梁的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，以及應(yīng)變片的工作原理，掌握了懸臂梁應(yīng)變?nèi)绾尾计?。我們真切感受到自己對懸臂梁在動態(tài)力作用下梁身應(yīng)變有了更高層次的認(rèn)識，這些是僅僅從課堂上或者課本中所難以收獲的。在實驗中我們分工明確，團結(jié)協(xié)作，不斷相互溝通，配合默契，每個人都時刻牢記自己的職責(zé)，快速高效的完成了實驗，在很短的時間內(nèi)就將實驗數(shù)據(jù)記錄完全。我們深知只有理論是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須要動手去操作，這樣才能使理論與實踐相結(jié)合，同時這樣也可以加深對理論知識的理解。通過本次三級項目及其實驗，我們認(rèn)識到學(xué)習(xí)要與實踐相結(jié)合，我們要在學(xué)習(xí)理論知識的同時，也要盡量實際操作，懂得實驗原理，學(xué)會使用相關(guān)實驗儀器。 通過這次三級項目，讓我們認(rèn)識到具備扎實的理論知識是非常重要的，擁有豐富的理論知識才能更好的去指導(dǎo)實驗。由于知識往往不是獨立的，因此需要對知識融會貫通。如在懸臂梁在動態(tài)力作用下梁身應(yīng)變測試的過程中，涉及傳感器，測試電路，誤差理論分析，材料力學(xué)等學(xué)科。 通過這些天來的努力，我們深深感受到測試技術(shù)的魅力。老師課堂上教授的知識對我們幫助很大，