大學(xué)電測彎曲正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)報(bào)告

廣州大學(xué)電測彎曲正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)報(bào)告用實(shí)驗(yàn)分析方法確定物體（例如工程構(gòu)件）在受力情況下的應(yīng)力狀態(tài)的學(xué)科。在固體力學(xué)的各分支（如彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)、復(fù)合材料力學(xué)等）中，都常用實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析方法研究應(yīng)力分布基本規(guī)律，為發(fā)展新理論提供依據(jù)。在工程領(lǐng)域內(nèi)，它又是提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和進(jìn)行失效分析的一種重要手段。有效地應(yīng)用實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析方法，不僅能提高工程結(jié)構(gòu)的安全度和可靠性，還能減少材料消耗、降低生產(chǎn)成本和節(jié)約能源。早在17世紀(jì)，人們將力學(xué)原理應(yīng)用于工程問題時(shí)，就曾用簡單的實(shí)驗(yàn)手段測定材料的力學(xué)性能，并闡明工程結(jié)構(gòu)的某些力學(xué)特征。19世紀(jì)后期，雖然出現(xiàn)了較為靈敏的機(jī)械式應(yīng)變測量裝置，但在工程實(shí)用上，仍受到很大限制。20世紀(jì)30年代，粘貼式電阻應(yīng)變計(jì)的出現(xiàn)，光彈性實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)一步完善，以及其他實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，使實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析蓬勃發(fā)展起來，并得到廣泛應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析方法目前已有電學(xué)的、光學(xué)的、聲學(xué)的以及其他方法。一、應(yīng)變花一種具有兩個(gè)或兩個(gè)以上不同軸向敏感柵的電阻應(yīng)變計(jì)，用于確定平面應(yīng)力場中主應(yīng)變的大小和方向。敏感柵由金屬絲或金屬箔制成，稱為絲式應(yīng)變花或箔式應(yīng)變花。二軸90°應(yīng)變花用于主應(yīng)力方向已知的場合，三軸和四軸應(yīng)變花則用于主應(yīng)力方向未知的場合。主應(yīng)變的大小和方向可以用三軸和四軸應(yīng)變花的各敏感柵測得的應(yīng)變，按公式算出，也可以從應(yīng)變莫爾圓求出。主應(yīng)力的大小，可以用各敏感柵測得的應(yīng)變，及被測構(gòu)件材料的彈性模量和泊松比按公式算出。

三軸△-T應(yīng)變花，是三角形和T形相結(jié)合的應(yīng)變花。二、電阻應(yīng)變測量裝置用電阻應(yīng)變計(jì)測量工程構(gòu)件表面應(yīng)變的裝置，一般包括調(diào)制應(yīng)變信號的電橋，放大微弱的調(diào)制電信號、鑒別正負(fù)極性和濾波的電阻應(yīng)變儀，以及平衡指示器（靜態(tài)）或記錄器（動態(tài)）三部分。按照不同測量要求和不同應(yīng)變測量頻率，電阻應(yīng)變儀一般分為靜態(tài)、靜動態(tài)、動態(tài)、超動態(tài)和具有其他特殊功能等五種類型。靜態(tài)和動態(tài)電阻應(yīng)變儀由測量(電)橋、載頻振蕩器、放大器、相敏檢波器、低通濾波器和穩(wěn)壓電源等單元所組成。載頻振蕩器供給電橋一種比應(yīng)變最高頻率高5～10倍（約50～20000赫）的載波信號，將應(yīng)變信號調(diào)制成調(diào)幅波，經(jīng)過交流放大器高增益放大，再由相敏檢波器分辨應(yīng)變信號的正負(fù)極性，送至平衡指示器顯示靜態(tài)讀數(shù)，或經(jīng)過低通濾波器濾掉應(yīng)變信號的殘余載波成分，然后由記錄器將動態(tài)應(yīng)變波形記錄下來。靜態(tài)和靜動態(tài)電阻應(yīng)變儀又有人工手動平衡讀數(shù)和多點(diǎn)自動切換、數(shù)字顯示兩類。工程上常見的數(shù)千赫以下動態(tài)應(yīng)變，可用普通的多通道動態(tài)電阻應(yīng)變儀進(jìn)行測量。爆炸、沖擊波等數(shù)十至數(shù)十萬赫的瞬態(tài)應(yīng)變，則必須采用超動態(tài)電阻應(yīng)變儀進(jìn)行測量。60年代以來，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了直流式動態(tài)應(yīng)變儀和電阻、電容都能自動平衡或自動抵償?shù)膭討B(tài)應(yīng)變儀，以及各種形式的具備特殊功能的數(shù)字式靜態(tài)應(yīng)變儀。它們具有存儲信息、實(shí)時(shí)修正測量數(shù)據(jù)、分析運(yùn)算以及數(shù)字顯示、自動打印等功能，還能與微處理機(jī)或電子計(jì)算機(jī)聯(lián)用，進(jìn)行工程機(jī)械的實(shí)時(shí)在線測量與控制。進(jìn)行動態(tài)應(yīng)變測量或采用傳感器進(jìn)行動態(tài)參量測量，必須選用合適的記錄器，以記錄動態(tài)波形圖。在應(yīng)變測量中常用的記錄器有：①描筆式記錄儀，包括筆式自動記錄儀和自動平衡式記錄儀(有自動平衡記錄儀和X-Y)函數(shù)記錄儀兩種)；②光線示波器；③磁帶記錄器；④陰極射線電子示波器。現(xiàn)代大型結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)往往要求有數(shù)百至數(shù)千個(gè)測點(diǎn)。因此，大量測量數(shù)據(jù)的采集和處理的工作十分繁重。用人工分析處理，精度和效率都較低。專用分析儀器進(jìn)行某些特定參量的分析，但是功能少，通用性差。以微處理機(jī)或電子計(jì)算機(jī)為核心的實(shí)時(shí)在線的測量與控制的聯(lián)機(jī)系統(tǒng)，是應(yīng)變測試技術(shù)的發(fā)展方向。三、應(yīng)變遙測技術(shù)將安裝在移動機(jī)件或旋轉(zhuǎn)機(jī)件上的電阻應(yīng)變計(jì)或傳感器發(fā)出的微弱電信號（電壓的或電流的）由發(fā)射機(jī)發(fā)射，通過電磁波傳輸?shù)浇邮照?，由接收機(jī)加以放大、處理和記錄，從而得出機(jī)件在受力狀態(tài)下的應(yīng)變、扭矩等參量的一種測量方法。應(yīng)變遙測技術(shù)已廣泛用于現(xiàn)代化的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、工業(yè)生產(chǎn)流程和電站設(shè)備的控制以及生物工程等方面。其主要優(yōu)點(diǎn)是信噪比高，耐沖擊，耐振動，使用方便，可在接收站及時(shí)處理大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并可用于各種惡劣環(huán)境，特別是在難以采用集流器和測試人員不易接近的部位，如往復(fù)運(yùn)動的機(jī)件（內(nèi)燃機(jī)曲軸、連桿、大型傳動鏈條等），處在密封殼內(nèi)的高速旋轉(zhuǎn)機(jī)件（渦輪壓縮機(jī)的葉片、葉輪等），以及核輻射環(huán)境下的測試和爆破試驗(yàn)等。對于行駛中的車輛（如火車機(jī)車、汽車、拖拉機(jī)、農(nóng)業(yè)機(jī)械、工程機(jī)械等），需要測量其動態(tài)特性和功率、扭矩等，以及許多移動機(jī)械（如橋吊、塔吊等）的測試和操作控制，都可采用遙測系統(tǒng)。一般的遙測系統(tǒng)，由傳感器、發(fā)射機(jī)、傳播媒介(通常是無線電波或?qū)Ь€)、接收和處理信號的設(shè)備、記錄和顯示裝置組成。在調(diào)頻－調(diào)頻(FM-FM)遙測系統(tǒng)中，傳感器將被測物理量（如應(yīng)變、壓力等）轉(zhuǎn)換成電信號，用來調(diào)制副載波振蕩器，再由輸出的調(diào)頻信號對射頻振蕩器進(jìn)行調(diào)制，這樣經(jīng)過兩次調(diào)制的信號，再由天線以電磁波方式發(fā)射出去。接收機(jī)經(jīng)天線收到信號后，也須經(jīng)過兩次解調(diào)，才能恢復(fù)成原模擬量，然后接入記錄器和顯示裝置。對于一些旋轉(zhuǎn)機(jī)件的物理量測量，通常是在發(fā)射天線和接收天線之間采取電容耦合的近程傳輸方式。通常一個(gè)遙測系統(tǒng)需要處理多路信息。將多路信息混合成一個(gè)組合信號，并通過一條線路傳輸出去的方式，稱為多路傳輸。它主要有頻率分割多路傳輸（簡稱頻分制）和時(shí)間分割多路傳輸（簡稱時(shí)分制）兩種方式。在頻分制中，通道是按照不同的中心頻率劃分的，即每個(gè)通道有一個(gè)中心頻率，并占據(jù)在這個(gè)頻率附近的一定的頻率帶寬，信息以模擬量調(diào)制形式進(jìn)行連續(xù)傳送。在時(shí)分制中，通道是按時(shí)間順序劃分的，即由轉(zhuǎn)換開關(guān)對所要測量的多路模擬量按時(shí)間順序輪流取樣，再將取樣電平轉(zhuǎn)換成脈沖量進(jìn)行傳送。取樣電平對脈沖信號的調(diào)制，有以下幾種方式：①脈幅調(diào)制，脈沖幅度與模擬信號成比例變化。②脈寬調(diào)制，脈沖的幅值不變，而脈沖的寬度和模擬信號成比例變化。③脈位調(diào)制，脈沖的幅度、寬度不變，有信號時(shí)的脈沖位置與無信號時(shí)的基準(zhǔn)位置之間的間隔和模擬信號成比例地錯(cuò)開。④脈碼調(diào)制(PCM)，系將模擬信號轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字編碼的脈沖信號。從遙測系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)在線處理，也可以用各種形式的記錄器記錄下來，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的編碼，便于和計(jì)算機(jī)聯(lián)用，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。四、電容應(yīng)變計(jì)一種能將構(gòu)件的尺寸變化轉(zhuǎn)換成電容變化的變換器。常用的電容應(yīng)變計(jì)有：弓形電容應(yīng)變計(jì)、平板式電容應(yīng)變計(jì)、桿式電容應(yīng)變計(jì)三種。它的主要元件電容極片，可制成平板形或圓柱形。以簡單的平板電容器為例。當(dāng)不考慮邊緣電場的影響時(shí)，有：式中C為電容；χ為電容極片間介質(zhì)的介電常數(shù)；A為極片的面積；s為極片間的距離。將電容應(yīng)變計(jì)安裝在構(gòu)件表面上，電容應(yīng)變計(jì)的電容相對變化ΔC/C與引起此變化的構(gòu)件表面在應(yīng)變計(jì)軸線方向的尺寸相對變化ΔC/C（即應(yīng)變量ε）之比，稱為電容應(yīng)變計(jì)的靈敏系數(shù)(K)：它表示電容應(yīng)變計(jì)輸出信號和輸入信號之間數(shù)量上的關(guān)系。電容應(yīng)變計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是靈敏系數(shù)大(從十至一百)，頻率響應(yīng)高，能在惡劣環(huán)境(如高溫、低溫、核輻射環(huán)境)工作，重復(fù)性好，穩(wěn)定性高。但是，它的輸出的阻抗高和信號小，故測量線路比較復(fù)雜；易受電纜的寄生電容所影響，故應(yīng)有良好的屏蔽和較高的絕緣電阻。電容應(yīng)變計(jì)還可以采取多路同時(shí)測量的方式，已研制出一百路同時(shí)工作的電容應(yīng)變計(jì)測量系統(tǒng)。電容應(yīng)變計(jì)多用于發(fā)電廠的管道、設(shè)備或核能設(shè)備的長期高溫應(yīng)變測量，監(jiān)視裂紋的形成和發(fā)展，以及對航空構(gòu)件材料進(jìn)行高溫性能測試。弓形電容應(yīng)變計(jì)在兩條曲率不同的鎳基合金弓形條之間，安裝一對電容極片，用點(diǎn)焊法將弓形條的兩端固定在試件上。它的工作溫度范圍為-269～+650℃，以空氣為介質(zhì)，介電常數(shù)不隨溫度變化，故工作穩(wěn)定，零點(diǎn)漂移極小。平板式電容應(yīng)變計(jì)在一個(gè)鎳鉻合金的菱形框架上開出墪形槽，中部的槽中裝入四片不銹鋼電容極片，各極片之間以及極片與框架之間用云母片隔開。框架的兩對角處裝有安裝耳片?？捎命c(diǎn)焊或用高溫粘結(jié)劑將安裝耳片固定于試件表面，或在安裝耳片上沖出小孔，用火焰噴涂陶瓷材料進(jìn)行固定。當(dāng)試件產(chǎn)生應(yīng)力時(shí)，通過菱形框架使電容極片間的距離變動，電容就相應(yīng)變動。當(dāng)應(yīng)變計(jì)受熱時(shí)，云母的介電常數(shù)變動，也會使電容發(fā)生變化，但可利用菱形框架和試件的膨脹系數(shù)的差異，使此效應(yīng)互相抵消。這種應(yīng)變計(jì)的工作溫度可達(dá)954℃。桿式電容應(yīng)變計(jì)在一個(gè)安裝板的圓桿上裝一對圓筒形的內(nèi)電容極片，用陶瓷體使它和圓桿絕緣；在另一安裝板上裝一個(gè)環(huán)形外電容極片，套在內(nèi)電容極片上，內(nèi)外電容極片應(yīng)保持同心，以空氣絕緣。圓桿和試件的材料必須相同，以達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)男Ч?。此?nèi)外電容極片構(gòu)成差動電容器，試件上的應(yīng)變使得內(nèi)外電容極片交疊的面積變動而引起電容變化。電容的相對變化和應(yīng)變有線性關(guān)系。這種應(yīng)變計(jì)還可以反映應(yīng)變的方向（壓縮或拉伸）。它的最高工作溫度可達(dá)816℃。五、電阻應(yīng)變計(jì)式傳感器以電阻應(yīng)變計(jì)為敏感元件，將被測物理量(如力、位移等)轉(zhuǎn)換為電信號的器件。傳感器的彈性元件受被測物理量作用而發(fā)生變形時(shí)，粘貼在它上面的電阻應(yīng)變計(jì)將彈性元件發(fā)生的變形轉(zhuǎn)換成為電阻的變化，通過測量儀器，將此變化轉(zhuǎn)變成和被測物理量成比例的模擬電信號而輸出。電阻應(yīng)變計(jì)式傳感器的測量精度可優(yōu)于0.1％，能在各種環(huán)境下長期穩(wěn)定地工作。因?yàn)樗敵龅男盘枮殡娦盘?，所以便于?shí)現(xiàn)物理量測量的數(shù)字化和自動化。為達(dá)到此目的，對彈性元件的設(shè)計(jì)，應(yīng)保證粘貼電阻應(yīng)變計(jì)的部位有足夠明顯的應(yīng)變；彈性元件須采用疲勞強(qiáng)度高、韌性好的優(yōu)質(zhì)材料，如35CrMnSiA、鈹青銅、不銹鋼等。對所用電阻應(yīng)變計(jì)還須進(jìn)行老化處理，并選擇蠕變小、性能穩(wěn)定的粘結(jié)劑將它粘牢。它的測量線路要有零點(diǎn)補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償、靈敏度補(bǔ)償和非線性補(bǔ)償?shù)却胧?，以保證測量的準(zhǔn)確性。常用的電阻應(yīng)變計(jì)式傳感器，按照不同的被測物理量，可分為測定力、壓力、扭矩、載荷、位移、速度、加速度、流量等傳感器。下面為幾種常用的電阻應(yīng)變計(jì)式傳感器。六、集流器安裝在旋轉(zhuǎn)構(gòu)件上的電阻應(yīng)變計(jì)和測量儀器之間，用來傳遞旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的應(yīng)變信號的器件，又稱引電器。它分為接觸式集流器和非接觸式集流器兩類。接觸式集流器是用接觸電阻較低的材料制成和構(gòu)件一起旋轉(zhuǎn)的動環(huán)和固定不動的定環(huán)，利用它們之間的滑動接觸來傳遞信號。常用的接觸式集流器有：拉線式集流器、水銀集流器和炭刷集流器三種。非接觸式集流器是用線圈通過電磁感應(yīng)傳遞信號，又稱為感應(yīng)式集流器。構(gòu)件的應(yīng)變轉(zhuǎn)換成為電阻應(yīng)變計(jì)上的電阻變化是很小的，所以要求集流器的接觸電阻非