机械工程测试技术 教学课件 ppt 作者 谢里阳 9力及导出量测量

《机械工程测试技术 教学课件 ppt 作者 谢里阳 9力及导出量测量》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械工程测试技术 教学课件 ppt 作者 谢里阳 9力及导出量测量（89页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、,东北大学机械工程与自动化学院（2012）,第9章 力及其导出量测量,机械工程测试技术,Mechanical Engineering Testing Technology,学习导航,9.1 电阻应变计的应用（Application of Resistance Strain Gauge） 9.2 应力测量（Stress Measurement ） 9.3 扭矩测量（Torque Moment Measurement ）,力是物质之间的一种相互作用，其单位为牛顿(N)。力是由公式 来确定的，因此力的标定便取决于质量( )和加速度( )的标准。 力的测量是通过观测受力物体的形状，运动状态或所具有的能

2、量的变化来实现的。力值测量所依据的原理是力的静力效应和动力效应。,力的静力效应:指弹性物体受力作用后产生相应变形的物理现象。胡克定律是该物理现象的理论概括：弹性物体在力的作用下产生变形时，若在弹性范围内(严格地说是在比例极限内)，物体所产生的变形量与所受的力值成正比(即 )，从而建立起变形量与力值间的对应关系。 力的动力效应：指具有一定质量的物体受到力的作用时，其动量将发生变化，从而产生相应加速度的物理现象，此物理现象由牛顿第二定律描述，即 。,力的测量方法：直接比较法和间接比较法 直接比较法：采用梁式天平，通过归零技术将被测力与标准质量(砝码)的重力进行平衡。仅适用于作静态测量。 间接比较法

3、：采用测力传感器，将被测力转换为其他物理量，再与标准值作比较，从而求得被测力的大小。能用来作动态测量。 在机械工程实际中，力是机器零件、机械机构和结构最基本和最常见的工作载荷，是最基本的工作载荷物理量，又与应力、应变、弯矩、扭矩、功率、压力、刚度等密切相关。因此，力和扭矩的测量甚为重要。,9.1 电阻应变计的应用,电阻应变测量系统,记录仪器,9.1.1 电阻应变计的工作特性及选择, 工作特性 电阻值的改变由变形和一些非测量因素如温度、湿 度等引起。 灵敏系数 应变计安装在处于单向应力状态的试件表面（如钢试件），轴线与应力方向平行。 应变计电阻值的相对变化与轴向应变的比值 即为灵敏系数 。,9.

4、1 电阻应变计的应用, 可测应变范围 最小应变为 ，相当于钢试件上的应力为 。 最大应变决定于应变计的强度、应变效应的线性范围以及胶粘剂性能，一般当 大于1.52.0%时，会发生电阻丝和基底滑脱现象。,9.1 电阻应变计的应用, 温度的影响 环境温度导致应变计电阻变化： 敏感栅材料的温度效应 式中 敏感栅材料的电阻温度系数。 零件与敏感栅之间线膨胀系数的差异 式中 零件的线膨胀系数； 敏感栅材料的线膨胀系数。,9.1 电阻应变计的应用,综合后，有 式中 应变计的电阻温度系数。 应变计的横向效应及其引起的误差,9.1 电阻应变计的应用, 工作环境的影响 水、蒸汽、油以及强磁场。 例如空气湿度大或

5、应变计与水接触： 引起胶层绝缘下降，使桥臂电阻发生变化； 胶层吸水膨胀，产生附加变形。 在现场测试中，应采取必要的防护措施。,9.1 电阻应变计的应用, 电阻应变计的选用 应变计几何参数的选择 选择依据：输出表示沿长度方向的平均应变。 应变场梯度大、应变波频率高时应采用小标距； 测量点应力及应力分布时，采用小标距； 混凝土、铸钢、铸铁等构件，由于材质为非均匀晶体，宜采用大标距应变计； 一般情况下，标距可选大些；长期使用时，大标距片可减少胶体的应力松弛。,9.1 电阻应变计的应用, 电阻值的选择 应变仪一般按120设计，无特殊要求时宜选用120应变计，否则应根据仪器所提供的曲线进行修正。 灵敏系

6、数的选择 动态电阻应变仪多按 设计，否则应根据仪器说明书修正。 应变计类型的选择 箔式应变计广泛使用，半导体应变计体积小、频率响应好、灵敏系数高，但温度影响大。,9.1 电阻应变计的应用, 基底种类的选择 胶基常用于150以下; 150以上多采用金属、石棉、玻璃纤维布等。 丝栅材料的选择 在200300，多采用康铜； 高温应变计常采用镍铬合金、卡马合金、铂钨合金； 半导体应变计多用锗、硅、锑化铟制成； 双金属线栅温度自补偿应变计可用电阻温度系数符号相反的两种康铜、康铜镍、康铜镍铬合金制成。,9.1 电阻应变计的应用,9.1.2 电阻应变计的安装 常用粘结剂的种类与性能 氰基丙烯酸酯（KH501

7、、KH502） 靠吸收空气中微量水分即可在室温下短时产生聚合反应而固化。 环氧树脂 主要有环氧树脂、固化剂、增塑剂、填料组成，室温固化。,9.1 电阻应变计的应用, 酚醛树脂 强度高、耐热、耐潮、耐疲劳、稳定性好，可作为应变计的基底和粘结剂。当酚醛中加入有机硅、缩甲（甲乙、丁）醛或环氧树脂后，可作为中温粘结剂，工作温度为180300，固化时需加热、加压并进行二次固化处理。 氯仿 专用于粘有机玻璃，其成分为三氯甲烷掺入3%5%有 机玻璃粉末，搅匀后即可使用。,9.1 电阻应变计的应用,此外，在中高温测试中，还用聚酯树脂粘结剂、聚酰压胺粘结剂、有机硅粘结剂、硅酸盐粘结剂、氧化物喷涂等方法安装应变计

8、。,9.1 电阻应变计的应用, 电阻应变计的粘贴 现以常温粘合剂为例说明贴片过程： 检查与分选电阻应变计。用放大镜检查霉斑、锈点、断丝、变形、气泡；用万能表及电桥测阻值并选配。 被测试件的表面处理。 粘贴。用玻璃纸，单方向滚压，挤出多余胶水和气泡。 检查。放大镜，绝缘电阻一般在500M。 组桥连线。接线端子，固定导线。,9.1 电阻应变计的应用,(3)电阻应变计与测量导线的连接 测量导线的焊接 锡焊：焊料多采用锡铅锌或锑的共晶合金，应用最广泛。 电弧焊：分直流和交流两种，都是利用短路电弧将测量导线与电阻应变计引线的接头处熔合在一起。 电接触焊：利用电流流经导体产生热量将测量导线和电阻应变计引线

9、接触部分焊接在一起。 测量导线的固定：固定方法有用白胶布粘接、用接线端子片、胶粘和打金属卡箍等。,9.1 电阻应变计的应用,(4)电阻应变计的防护 防止因水、油、汽的侵蚀而失效，常用的防护剂有以下几种。 合成橡胶防护剂 氯丁胶、聚硫胶可用于60以下水中；硅橡胶可用于250以下的防水测量。 环氧树脂防潮剂 配方与应变胶基本相同，适量减少固化剂用量，914胶可直接用于防潮涂层。,9.1 电阻应变计的应用,凡士林 医用凡士林加热熔化去水，适量加入熔点较高的松香（8993）或石蜡，可提高硬度和使用温度。 石蜡涂层 由45%石蜡、30%松香、15%凡士林及10纯机油加热熔化，搅匀。亦可用石蜡熔化后涂复，

10、但效果不如前者。,9.1 电阻应变计的应用,9.2 应力测量,应力测量的目的：掌握被测试件的实际应力大小及分布规律,进 而分析机械零部件的破坏原因，寿命长短，强度 储备；验证相应的理论公式，合理安排工艺；提 供生产过程或物理现象的数学模型。 应力测量分类：单向应力测量和平面应力测量 应力测量步骤：对被测试件进行应力、应变分析； 确定贴片方式； 确定组桥方式； 根据测得数据进行结果计算和分析。,9.2.1 应变仪的使用 (1)电阻应变仪的分类 按所测应变信号的频率范围分为： 静态电阻应变仪 工作频率为0Hz,用以测量机械结构、零部件在静载荷作用下的应变； 静动态电阻应变仪 工作频率01500Hz

11、，可测以下的动应变或其它动载荷；,9.2 应力测量,动态电阻应变仪 工作频率02000Hz，可测以下的动应变或其它动载荷； 超动态电阻应变仪 工作频率0100kHz ，多用于冲击应力的测量。,9.2 应力测量,(2) 动态电阻应变仪的结构及工作原理,动态电阻应变仪基本结构与工作原理框图,9.2 应力测量,9.2.2 单向应力测量 单向拉伸（压缩）测量 半桥，单臂测量的输出电压,即,9.2 应力测量,温度补偿条件：工作片、补偿片完全相同；都粘贴在完全相同材料的试件上，并放在相同的温度场中，连接在相邻桥臂。,真实应变为：,9.2 应力测量,为了增加电桥的输出，可以用工作片补偿法。 半桥，双臂测量的

12、输出电压,真实应变为：,泊松比,9.2 应力测量,电阻应变计温度补偿的条件： 工作片、补偿片完全相同 粘贴在完全相同材料的试件上 放在相同的温度场中 连接在相邻桥臂,9.2 应力测量,在拉（压）应变测量中消除弯矩的影响,用对称双工作片测量拉（压）应变,9.2 应力测量,四臂工作方式可提高测量的灵敏度。,用四臂工作提高测量的灵敏度,测拉、压时，输出电压最高为 倍，即为：,9.2 应力测量, 弯曲应变测量,半桥，双臂测量,真实应变为：,9.2 应力测量,全桥，四臂测量 真实应变为： 弯矩为,9.2 应力测量, 扭转应变测量 受扭矩作用时，轴表面有最大剪应力 。轴表面的单元 体为纯剪应力状态，在与轴

13、线成 的方向上有最大正应力 和 ，且 。相应的应变为 和 。 测量时应变片沿与轴线成 的方向粘贴。,扭矩测量的布片和组桥方式,9.2 应力测量,若测得沿 方向的应变 ，则相应的剪应变 扭矩为： 式中 材料的抗扭模量。,对于实心轴，有,对于空心轴，有,9.2 应力测量,半桥，双臂测量，则电桥输出电压为： 轴表面与轴线成 方向的真实应变为： 全桥，四臂测量，则电桥输出电压为： 轴表面与轴线成 方向的真实应变为：,9.2 应力测量, 复杂受力情况下单向应力的测量 拉伸（压缩）与弯曲的组合变形 电桥输出电压为： 真实弯曲应变为：,测弯除拉,9.2 应力测量,测拉除弯,半桥连接时，电桥因拉力产生的输出电

14、压为：,真实弯曲应变为：,测拉除弯的布片组桥方式,9.2 应力测量,测扭除拉弯, 拉伸（压缩）、弯曲和扭转的组合变形,9.2 应力测量,由扭矩 引起与轴线成 方向的真实应变为：,9.2 应力测量,测弯除拉扭,电桥输出电压为：,由 引起的与轴线成 方向的真实应变为：,9.2 应力测量,9.2.3 平面应力状态下主应力的测量 主应力方向已知的平面应力测量 胡克定律：,沿主应力方向贴片,9.2 应力测量, 主应力方向未知的平面应力测量 主应力方向未知，要测取任意点 的主应力的大小和方向，可在该点贴三个相互间有一定角度的应变计，测取这三个方向的应变 、 、 就可以利用公式，求得主应力 、 的大小和方向

15、。,9.2 应力测量,由材料力学可知，在单元体中，在与正应力成角的任一截面上的正应力为：,当正应力、分别变为主应力、时：,而与成的平面上的正应力为：,9.2 应力测量,对上述两式两端分别应用胡克定律，经整理得：,解方程组消去 可得到 ，同理求得 、 ，即,9.2 应力测量,应变花的组成形式,9.2 应力测量,令 ， ， ，如图(a)所示。,相应的应力表达式为：,主应变的大小和方向：,9.2 应力测量,令 ， ， ，还有一个温度补偿片，如图(b)所示。,主应力的大小和方向：,令 ， ， ，如图(c)所示。,主应力的大小和方向：,9.2 应力测量,令 ， ， ，还有一个温度补偿片，如图(d)所示。,主应力的大小和方向：,-,-,=,-,+,-,+,-,+,=,),(,3,),(,2,arctan,2,1,),(,3,4,),(,1,1,1,2,2,2,2,1,c,a,b,a,c,b,c,a,c,a,E,e,e,e,e,a,e,e,e,e,m,m,e,e,s,9.2 应力测量,9.2.4 常用的测力装置 9.2.4.1 电阻应变式测力传感器 在被测对象上直接布片组桥； 在弹性元件上布片组桥，组成各种测力仪。 常用的弹性元件有柱式、梁式、环式、轮辐式等多种形 式。