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1、 工程力学实验指导书（电测实验）能源工程学院二 00 九年三月力学实验规则及要求一、 作好实验前的准备工作（1）按各次实验的预习要求，认真阅读实验指导复习有关理论知识，明确实验目的，掌握实验原理，了解实验的步骤和方法。（2）对实验中所使用的仪器、实验装置等应了解其工作原理，以及操作注意事项。（3）必须清楚地知道本次实验须记录的数据项目及其数据处理的方法。二、 严格遵守实验室的规章制度（1）课程规定的时间准时进入实验室。保持实验室整洁、安静。（2）未经许可，不得随意动用实验室内的机器、仪器等一切设备。（3）作实验时，应严格按操作规程操作机器、仪器，如发生故障，应及时报告，不得擅自处理。（4）实验
2、结束后，应将所用机器、仪器擦拭干净，并恢复到正常状态。三、 认真做好实验（1）接受教师对预习情况的抽查、质疑，仔细听教师对实验内容的讲解。（2）实验时，要严肃认真、相互配合，仔细地按实验步骤、方法逐步进行。（3）实验过程中，要密切注意观察实验现象，记录好全部所需数据，并交指导老师审阅。四、 实验报告的一般要求实验报告是对所完成的实验结果整理成书面形式的综合资料。通过实验报告的书写，培养学习者准确有效地用文字来表达实验结果。因此，要求学习者在自己动手完成实验的基础上，用自己的语言扼要地叙述实验目的、原理、步骤和方法，所使用的设备仪器的名称与型号、数据计算、实验结果、问题讨论等内容，独立地写出实验
3、报告，并做到字迹端正、绘图清晰、表格简明。目 录第一章 绪论11-1 实验的内容.11-2 试验方法和要求.1第二章 实验设备及测试原理22-1 组合式材料力学多功能实验台.22-2 电测法的基本原理3第三章 材料力学电测实验8实验一 材料弹性模量 E 的测定.8实验二纯弯曲梁横截面上正应力的分布规律实 验 13实验三薄壁圆筒在弯扭组合变形下主应力测定 . 15实验四 偏心拉伸实验2021第一章 绪 论1-1 实验的内容实验教学作为材料力学课程的一个重要组成部分，对于提高学生实践能力、设计能力具有重要意义，电测实验具体包含以下两个方面内容：1、验证理论材料力学常将实际问题抽象为理想模型，再由科
4、学假设推导出一般公式，如纯弯曲梁和纯扭转圆轴（或筒）等的分析都使用了平面假设。用实验验证这些理论的正确性和适用范围，有助于加强学生对理论的理解和认识。2、实验应力分析工程上许多实际构件的形状和受载情况，都十分复杂。关于它们的强度问题，仅依靠理论计算，不易得到满意的结果。近几十年来出现了用实验分析方法确定构件在受力情况下应力状态的学科。它可用于研究固体力学的基本规律，为发展新理论提供论据，同时又是提高工程设计质量，进行失效分析的一种重要手段。1-2 实验方法和要求材料力学实验过程中主要是测量作用在试件上的载荷和试件产生的变形，它们往往要同时测量，要求同组同学必须协同完成，因此，实验时应注意以下几
5、方面：（一）实验前的准备工作要明确实验目的、原理和实验步骤，了解实验的方法、拟订加载方案，设计实验表格以备使用。实验小组成员，应分工明确，分别有记录、测变形和测力者。（二）进行实验未加载前，首先检查仪器安放是否稳定，按要求接好传感器和试件；接通电源后，力应变综合测试仪中拉压力和应变量是否调零；检查无误后即可进行实验，实验过程严格按照学生实验守则来完成。（三）书写实验报告实验报告应当包括下列内容1. 实验名称、实验日期、实验者及同组成员2. 实验目的及装置3. 使用的仪器设备4. 实验原理及方法5. 实验数据及其处理6. 计算和实验结果分析2第二章 实验设备及测试原理2-1 组合式材料力学多功能
6、实验台组合式材料力学多功能实验台是方便同学们自己动手作材料力学电测实验的设备，一个实验台可做七个以上电测实验，功能全面，操作简单。一、 构造及工作原理1、外形结构实验台为框架式结构，分前后两片架，其外形结构如图 2-1。前片架可做弯扭组合受力分析，材料弹性模量、泊松比测定，偏心拉伸实验，压杆稳定实验，悬臂梁实验、等强度梁实验；后片架可做纯弯曲梁正应力实验，电阻应变片灵敏系数标定，组合叠梁实验等。前面 后面图 2-1 组合式材料力学多功能实验台外形结构图1.传感器； 2.弯曲梁附件；3.弯曲梁； 4.三点挠度仪；5.千分表（用户需另配） ；6.悬臂梁附件； 7.悬臂梁；8.扭转筒； 9.扭转附件
7、； 10.加载机构； 11.手轮；12.拉伸附件； 13.拉伸试件； 14.可调节底盘2、加载原理加载机构为内置式，采用蜗轮蜗杆及螺旋传动的原理，在不产生对轮齿破坏的情况下，对试件进行施力加载，该设计采用了两种省力机械机构组合3在一起，将手轮的转动变成了螺旋千斤加载的直线运动，具有操作省力，加载稳定等特点。3、工作机理实验台采用蜗杆和螺旋复合加载机构，通过传感器及过渡加载附件对试件进行施力加载，加载力大小经拉压力传感器由力应变综合参数测试仪的测力部分测出所施加的力值；各试件的受力变形，通过力应变综合参数测试仪的测试应变部分显示出来，该测试设备备有微机接口，所有数据可由计算机分析处理打印。二、
8、操作步骤1、将所作实验的试件通过有关附件连接到架体相应位置，连接拉压力传感器和加载件到加载机构上去。2、连接传感器电缆线到仪器传感器输入插座，连接应变片导线到仪器的各个通道接口上去。3、打开仪器电源，预热约 20 分钟左右，输入传感器量程及灵敏度和应变片灵敏系数（一般首次使用时已调好，如实验项目及传感器没有改变，可不必重新设置） ，在不加载的情况下将测力量和应变量调至零。4、在初始值以上对各试件进行分级加载，转动手轮速度要均匀，记下各级力值和试件产生的应变值进行计算、分析和验证，如已与微机连接，则全部数据可由计算机进行简单的分析并打印。三、 注意事项1、每次实验最好先将试件摆放好，仪器接通电源
9、，打开仪器预热约 20分钟左右，讲完课再作实验。2、各项实验不得超过规定的终载的最大拉压力。3、加载机构作用行程为 50mm，手轮转动快到行程末端时应缓慢转动，以免撞坏有关定位件。4、所有实验进行完后，应释放加力机构，最好拆下试件，以免闲杂人员乱动损坏传感器和有关试件。5、蜗杆加载机构每半年或定期加润滑机油，避免干磨损，缩短使用寿命。2-2 电测法的基本原理电测法的基本原理是用电阻应变片测定构件表面的线应变，再根据应变应力关系确定构件表面应力状态的一种实验应力分析方法。这种方法是将电阻应变片粘贴的被测构件表面，当构件变形时，电阻应变片的电阻值将发生相应的变化，然后通过电阻应变仪将此电阻变化转换
10、成电压（或电流）的变化，再换算成应变值或者输出与此应变成正比的电压（或电流）的信号，由记录仪进行记录，就可得到所测定的应变或应力。其原理框图如图 2-2。4R1BR2A CR3 R4UBDDE敏 感 元 件 测 量 仪 器 光、电、机传感器 数据采集与处理图 2-2 电测技术原理图电测法的优点：1测量灵敏度和精度高。其最小应变为 1（ 微应变，1=10 -6） 。在常温静态测量时，误差一般为 13%；动态测量时，误差在 35%范围内。2测量范围广。可测1210 4;力或重力的测量范围 10-210 5N 等。3频率响应好。可以测量从静态到数 105Hz 动态应变。4轻便灵活。在现场或野外等恶劣
11、环境下均可进行测试。5能在高、低温或高压环境等特殊条件下进行测量。6便于与计算机联结进行数据采集与处理，易于实现数字化、自动化及无线电遥测。电测法测量电路及其工作原理1、 电桥基本特性通过电阻应变片可以将试件的应变转换成应变片的电阻变化，通常这种电阻变化很小。测量电路的作用就是将电阻应变片感受到的电阻变化率R/R 变换成电压（或电流）信号，再经过放大器将信号放大、输出。测量电路有多种，惠斯登电路是最常用的电路，如图 23。设电桥各桥臂电阻分别为 R1、R 2、R 3、R 4，其中任一桥臂都可以是电阻应变片。电桥的A、C 为输入端接电源 E，B、D 为输出端，输出电压为 UBD。从 ABC 半个
12、电桥来看， A、C 间的电压为 E，流经 R1 的电流为I21R1 两端的电压降为 REIUAB21被测物体 电 量欲 测 量物理量 力学量 机械量 生物参数 电 压电 流数字量5同理，R 3 两端的电压降为REIUAB43图 23 因此可得到电桥输出电压为 REREUADBD 432144321 由上式可知，当或 R32414321时，输出电压 UBD 为零，成为电桥平衡。设电桥的四个桥臂与粘在构件上的四枚电阻应变片联接，当构件变形时，其电阻值的变化分别为：R 1+R1 、R 2+R2、R 3+R3 、R 4+R4 ，此时电桥的输出电压为 EBD 42124经整理、简化并略去高阶小量，可得
13、RRUBD 432121当四个桥臂电阻值均相等时即:R 1R 2R 3R 4R，且它们的灵敏系数均相同，则将关系式 带入上式，则有电桥输出电压为K（21）432143214 EKEUBD由于电阻应变片是测量应变的专用仪器，电阻应变仪的输出电压 UBD 是用应变值 d 直接显示的。电阻应变仪有一个灵敏系数 K0，在测量应变时，只需将电阻应变仪的灵敏系数调节到与应变片的灵敏系数相等。则 d =,即应变仪的读数应变 d 值不需进行修正，否则，需按下式进行修正（22）K0则其输出电压为dBDEKEU44321由此可得电阻应变仪的读数应变为（23）4321KBd式中 1 、 2、 3、 4 分别为 R1
14、、R 2、R 3、R 4 感受的应变值。上式表明电桥6的输出电压与各桥臂应变的代数和成正比。应变 的符号由变形方向决定，一般规定拉应变为正，压应变为负。由上式可知，电桥具有以下基本特性：两相邻桥臂电阻所感受的应变 代数值相减；而两相对桥臂电阻所感受的应变 代数值相加。这种作用也称为电桥的加减性。利用电桥的这一特性，正确地布片和组桥，可以提高测量的灵敏度、减少误差、测取某一应变分量和补偿温度影响。2、 温度补偿电阻应变片对温度变化十分敏感。当环境温度变化时，因应变片的线膨胀系数与被测构件的线膨胀系数不同，且敏感栅的电阻值随温度的变化而变化，所以测得应变将包含温度变化的影响，不能反映构件的实际应变
15、，因此在测量中必须设法消除温度变化的影响。消除温度影响的措施是温度补偿。在常温应变测量中温度补偿的方法是采用桥路补偿法。它是利用电桥特性进行温度补偿的。（1）补偿块补偿法把粘贴在构件被测点处的应变片称为工作片，接入电桥的 AB 桥臂；另外以相同规格的应变片粘贴在与被测构件相同材料但不参与变形的一块材料上，并与被测构件处于相同温度条件下，称为温度补偿片，将它接入电桥与工作片组成测量电桥的半桥，电桥的另外两桥臂为应变仪内部固定无感标准电阻，组成等臂电桥。有电桥特性可知，只要将补偿片正确的接在桥路中即可消除温度变化所产生的影响。（2）工作片补偿法这种方法不需要补偿片和补偿块，而是在同一被测构件上粘贴几个工作应变片，根据电桥的基本特性及构件的受力情况，将工作片正确地接入电桥中，即可消除温度变化所引起的应变，得到所需测量的应变。3、 应变片
