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1、第六章测试技术的工程应用本讲稿第一页，共十八页一、一、应力、应变测量的组桥原则应力、应变测量的组桥原则常用的力测量方法是用应变片和应变仪测量构件的表面应变，根据应变和应力、力之常用的力测量方法是用应变片和应变仪测量构件的表面应变，根据应变和应力、力之间的关系，确定构件的受力状态。间的关系，确定构件的受力状态。应变片的布置和电桥组接（简称布片组桥）应根据被测量和被测对象受力分应变片的布置和电桥组接（简称布片组桥）应根据被测量和被测对象受力分布来确定。还应利用适当的布片组桥方式来消除温度变化、复合载荷作用的影响布来确定。还应利用适当的布片组桥方式来消除温度变化、复合载荷作用的影响和达到提高测量灵敏
2、度的目的。应变电桥组桥是在应变仪上实现。和达到提高测量灵敏度的目的。应变电桥组桥是在应变仪上实现。1应变仪应变仪电阻应变片的电阻变化很小，测量电桥的输出信号也很小，不足以推动显示和记电阻应变片的电阻变化很小，测量电桥的输出信号也很小，不足以推动显示和记录装置，因此需将电桥的输出信号用一个高增益的放大器进行放大，以实现将应录装置，因此需将电桥的输出信号用一个高增益的放大器进行放大，以实现将应变信号转变成有一定驱动能力的电压或电流信号输出，以便连接计算机进行数据变信号转变成有一定驱动能力的电压或电流信号输出，以便连接计算机进行数据处理和便于连接各种记录仪器，完成这一任务的仪器称应变仪。处理和便于连
3、接各种记录仪器，完成这一任务的仪器称应变仪。第一节第一节 应变、力与力矩的测量应变、力与力矩的测量本讲稿第二页，共十八页（1）静态电阻应变仪）静态电阻应变仪主要测量静载荷作用下物理量的变化，其应变信号变化十分缓慢或变化一次后能主要测量静载荷作用下物理量的变化，其应变信号变化十分缓慢或变化一次后能相对稳定。静态应变仪一般是载波放大式的，使用零位法进行测量，进行多点测相对稳定。静态应变仪一般是载波放大式的，使用零位法进行测量，进行多点测量时需选配一个预调平衡箱。各传感器和箱内电阻一起组桥，并进行预调平衡。量时需选配一个预调平衡箱。各传感器和箱内电阻一起组桥，并进行预调平衡。预调或实测时需另配一手动
4、或自动的多点转换开关，依次接通测量。如预调或实测时需另配一手动或自动的多点转换开关，依次接通测量。如YJ-5型静型静态电阻应变仪。态电阻应变仪。（2）静动态电阻应变仪）静动态电阻应变仪静动态电阻应变仪测量静态应变为主，也可测量频率较低的动态应变。静动态电阻应变仪测量静态应变为主，也可测量频率较低的动态应变。YJD-1和和YJD-7型静动态电阻应变仪工作频率分别为型静动态电阻应变仪工作频率分别为010Hz和和0100Hz。（3）动态电阻应变仪）动态电阻应变仪动态应变仪与各种记录仪配合用以测量动态应变。测量的工作频率可达动态应变仪与各种记录仪配合用以测量动态应变。测量的工作频率可达02000Hz。
5、个别可达。个别可达10kHz。动态应变仪具有电桥、放大器、相敏检波器和滤波。动态应变仪具有电桥、放大器、相敏检波器和滤波器等。动态应变仪用器等。动态应变仪用“偏位法偏位法”进行测量，可测量周期或非周期性的动态应变。进行测量，可测量周期或非周期性的动态应变。如如YD-15型动态电阻应变仪。型动态电阻应变仪。（4）超动态电阻应变仪）超动态电阻应变仪工作频率高于工作频率高于10kHz的应变仪称超动态应变仪，用于测量冲击等变化非常剧烈的瞬间的应变仪称超动态应变仪，用于测量冲击等变化非常剧烈的瞬间过程。超动态电阻应变仪工作频率比较高，要求载波频率就更高，因此，多采用直流过程。超动态电阻应变仪工作频率比较
6、高，要求载波频率就更高，因此，多采用直流放大器。放大器。本讲稿第三页，共十八页2直流电桥的输出加减特性直流电桥的输出加减特性直流电桥的输出电压为：直流电桥的输出电压为：本讲稿第四页，共十八页若在力作用下所产生的电阻变化分别为若在力作用下所产生的电阻变化分别为R1、R2、R3和和R4，初，初始状态电桥的各臂阻值又相等，即始状态电桥的各臂阻值又相等，即R1=R2=R3=R4=R，且考虑，且考虑到到RR，忽略，忽略R的高次项，则上式可写成：的高次项，则上式可写成：当各桥臂应变片的灵敏度当各桥臂应变片的灵敏度K相同时，上式可改写为：相同时，上式可改写为：本讲稿第五页，共十八页3单向应力状态应变测量中组
7、桥及温度补偿单向应力状态应变测量中组桥及温度补偿在轴向力在轴向力P作用下。试件为单向应力状态。沿构件表面的轴线方向贴工作片作用下。试件为单向应力状态。沿构件表面的轴线方向贴工作片R1,在温度补在温度补偿板上贴补偿片偿板上贴补偿片Rt，将二者组成半桥即可测得轴向应变，将二者组成半桥即可测得轴向应变。电桥的输出为：新产品。电桥的输出为：新产品本讲稿第六页，共十八页实现温度补偿必须满足以下条件：实现温度补偿必须满足以下条件：补偿板和试件的材料相同；补偿板和试件的材料相同；工作片、补偿片完全相同；工作片、补偿片完全相同；放在完全相同温度场中；放在完全相同温度场中；接在相邻桥臂。接在相邻桥臂。4拉（压）
8、应变测量中弯矩影响的消除拉（压）应变测量中弯矩影响的消除工作片在上、下表面对称粘贴，由加减特性工作片在上、下表面对称粘贴，由加减特性可知，这样可以消除因加载偏心而造成的附可知，这样可以消除因加载偏心而造成的附加弯矩。其中全桥接法的输出是半桥接法的加弯矩。其中全桥接法的输出是半桥接法的二倍。二倍。本讲稿第七页，共十八页5用全桥提高应变测量的灵敏度用全桥提高应变测量的灵敏度这样布片实现了温度自补偿，又得到了最大这样布片实现了温度自补偿，又得到了最大输出应变值，还消除了因加载偏心而造成的输出应变值，还消除了因加载偏心而造成的附加弯矩。此时：附加弯矩。此时：6平面应力状态下主应力测量数据采集平面应力状
9、态下主应力测量数据采集已知主应力方向已知主应力方向例如承受内压的薄壁圆筒形容器的筒体，其主应力方向是已知的。这时例如承受内压的薄壁圆筒形容器的筒体，其主应力方向是已知的。这时只需要沿两个互相垂直的主应力方向各贴一片应变片，另外再采取温度补只需要沿两个互相垂直的主应力方向各贴一片应变片，另外再采取温度补偿措施，就可以直接测出主应变。其贴片和接桥方法如下图所示。先测出偿措施，就可以直接测出主应变。其贴片和接桥方法如下图所示。先测出应变值，再由虎克定律计算出主应力，即应变值，再由虎克定律计算出主应力，即本讲稿第八页，共十八页主应力方向未知平面应力状态主应力方向未知平面应力状态当平面应力的主应力当平面
10、应力的主应力 1和和2的大小及方向都未知时，需对一个测点贴三个不同方向的的大小及方向都未知时，需对一个测点贴三个不同方向的应变片，测出三个方向的应变，才能确定主应力应变片，测出三个方向的应变，才能确定主应力 1和和 2及主方向角及主方向角 三个未知量。三个未知量。下图表示边长为x和y、对角线长为l的矩形单元体。设在平面应力状态下，与主应力方向成角的任一方向的应变为，即图中对角线长度l的相对变化量。本讲稿第九页，共十八页由于主应力由于主应力 x、y的作用，该单元体在的作用，该单元体在X、Y方向的伸长量为方向的伸长量为x、y，如，如图图6-6(a)、(b)所示，该方向的应变为所示，该方向的应变为
11、x=x/x、y=y/y；在切应力；在切应力xy作用下，使原直角作用下，使原直角XOY减小减小 xy，如图，如图6-6(c)所示，即切应变所示，即切应变 xy=x/y。这三个变形引起单元体对角线长度这三个变形引起单元体对角线长度l的变化分别为的变化分别为xcos、ysin、y xycos，其应变分别为，其应变分别为 xcos2、ysin2、xysin cos。当。当 x、y、xy同时发生时，则对角线的总应变为上述三者之和，可表示同时发生时，则对角线的总应变为上述三者之和，可表示为为本讲稿第十页，共十八页二、力参数测量的应用二、力参数测量的应用1轧制力测量轧制力测量广泛采用两种测量轧制力的方法：广
12、泛采用两种测量轧制力的方法：一、通过测量基架立柱的拉伸应变测量轧制力，又称应力测量法；一、通过测量基架立柱的拉伸应变测量轧制力，又称应力测量法；二、用专门设计的测力传感器直接测量轧制压力，至于所用的变换原理及传感器形式，二、用专门设计的测力传感器直接测量轧制压力，至于所用的变换原理及传感器形式，则有电阻应变式、压磁式、电容式及电感式等。则有电阻应变式、压磁式、电容式及电感式等。闭口牌坊，轧制时轧机牌坊力柱同时受拉应力p和弯曲应力N，其应力分布图如下图：本讲稿第十一页，共十八页2切削力测量切削力的测量是一种比较典型的多向动态力测量。切削力信号是复杂的信号，一般情况下是随机信号。本讲稿第十二页，共
13、十八页三、扭矩的测量1扭矩测量中应变计的布置和组桥方法；2扭矩信号的传输；第二节温度的测量1温度的测量方法；2热电偶和热电阻；3）常用热电偶的基本要求物理化学性能稳定；测量温度范围宽；热电性能好；电阻温度系数小；有良好的机械加工性能；价格便宜，并尽量少用稀有及贵重金属。本讲稿第十三页，共十八页4）热电偶的温度补偿法）热电偶的温度补偿法使用补偿导线的优点在于：使用补偿导线的优点在于：（1）可以改善热电回路的机械和物理特性，如使用软的或硬而细的补偿导线，）可以改善热电回路的机械和物理特性，如使用软的或硬而细的补偿导线，可以增加一部分回路的柔软可挠性；可以增加一部分回路的柔软可挠性；（2）补偿导线同
14、样还可以用来调整回路的电阻值和屏蔽外界干扰；）补偿导线同样还可以用来调整回路的电阻值和屏蔽外界干扰；（3）补偿导线还可以把温度测量的信号从现场传送到集中控制室或温度恒定的场）补偿导线还可以把温度测量的信号从现场传送到集中控制室或温度恒定的场所。所。2热电阻热电阻热电阻感温元件的电阻与温度关系特性可以用列表法来表示，简称为热电阻感温元件的电阻与温度关系特性可以用列表法来表示，简称为“分度分度表表”。分度表是通过大量的实验，测试并经过数据处理以后获得。分度表是通过大量的实验，测试并经过数据处理以后获得。本讲稿第十四页，共十八页3非接触式温度计非接触式温度计1全辐射温度计2光学高温计和光电高温计3比
15、色高温计第三节第三节流体参数的测量流体参数的测量1流量计流体的流量分为体积流量和质量流量，分别表示某瞬时单位时间内流过管道某一截面处流体的体积或质量。2流量计的分类1）差压式流量计2）流体阻力式流量计3）测速式流量计（4）热量流量计（5）标志法测速流量计本讲稿第十五页，共十八页（1）流速方程式如上图所示，超声波逆流从换能器1送到换能器2的传播速度c被流体流速所减慢，为：本讲稿第十六页，共十八页2)多普勒（效应）法多普勒（效应）法USF是利用在静止（固定）点检测从移动源发射声波多产生多普勒频移现象。本讲稿第十七页，共十八页3.多普勒法优缺点和局限性多普勒法优缺点和局限性1）优点USF可作非接触测量多普勒USF可测量固相含量较多或含有气泡的液体。2)缺点和局限性传播时间法USF只能用于清洁液体和气体，不能测量悬浮颗粒和气泡超过某一范围的液体；反之多普勒法USF只能用于测量含有一定异相的液体。外夹装换能器的USF不能用于衬里或结垢太厚的管道，以及不能用于衬里（或锈层）与内管壁剥离（若夹层夹有气体会严重衰减超声信号）或锈蚀严重（改变超声传播路径）的管道。多普勒法USF多数情况下测量精度不高。本讲稿第十八页，共十八页