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1、第第10 10章章 应变、应力测试应变、应力测试机械工程测试原理与技术机械工程测试原理与技术 应变、应力测试应变、应力测试第第10 10章章 应变、应力测试应变、应力测试重庆大学机械学院测试中心尹爱军重庆大学机械学院测试中心尹爱军10.1 10.1 概述概述应变测试原理框图应变测试原理框图电阻应变片电阻应变片测量电路测量电路显示与记录仪显示与记录仪器或计算机器或计算机 R u或或i 应变测试的特点：应变测试的特点：用途广泛用途广泛动态特性好动态特性好测量范围大测量范围大适应性强适应性强 机械工程测试原理与技术机械工程测试原理与技术 应变、应力测试应变、应力测试10.2 10.2 应变片的选择应
2、变片的选择敏感栅材料的选择敏感栅材料的选择 底基材料的选择底基材料的选择 栅长与栅厚的选择栅长与栅厚的选择 灵敏系数的选择灵敏系数的选择 测试环境的选择测试环境的选择 在特殊条件下对应变片的选择在特殊条件下对应变片的选择 机械工程测试原理与技术机械工程测试原理与技术 应变、应力测试应变、应力测试10.3 10.3 应变测量电路应变测量电路 应变测试中，应变片感受的应变很微弱，其电阻相应变测试中，应变片感受的应变很微弱，其电阻相对变化率对变化率R/RR/R很小，因此需要专门的测量电路进行放大，很小，因此需要专门的测量电路进行放大，并将其转换成电信号加以检测，通过对被测应变性质并将其转换成电信号加
3、以检测，通过对被测应变性质（拉或压）的鉴别，再输入显示、记录仪表进行显示记（拉或压）的鉴别，再输入显示、记录仪表进行显示记录，或输入计算机、分析仪器进行分析处理。通常采用录，或输入计算机、分析仪器进行分析处理。通常采用电桥电路对信号进行变换或放大。电桥电路对信号进行变换或放大。10.3.1 10.3.1 直流电桥直流电桥直流电桥电路直流电桥电路 机械工程测试原理与技术机械工程测试原理与技术 应变、应力测试应变、应力测试(1)直流电桥平衡条件，输出电压直流电桥平衡条件，输出电压当电桥平衡时，即：当电桥平衡时，即：此时输出电压此时输出电压U U=0=0机械工程测试原理与技术机械工程测试原理与技术
4、应变、应力测试应变、应力测试(2)(2)半桥单臂联接半桥单臂联接 电桥输出电压电桥输出电压式中：式中：（一般情况下，（一般情况下，R R1 1RR1 1）机械工程测试原理与技术机械工程测试原理与技术 应变、应力测试应变、应力测试(3)半桥单臂联接半桥单臂联接电桥电压灵敏度电桥电压灵敏度1 1）电桥电压灵敏度）电桥电压灵敏度K KV V正比于供桥电压正比于供桥电压E E，但供桥电压受限于应变但供桥电压受限于应变片允许的工作电流。故一般情况下，不依赖增大片允许的工作电流。故一般情况下，不依赖增大E E来实现电压灵来实现电压灵敏度的提高。敏度的提高。2 2）电桥电压灵敏度）电桥电压灵敏度K KV V
5、还与桥臂比还与桥臂比n n存在函数关系。恰当选择桥臂存在函数关系。恰当选择桥臂比比n n的值，可获得较高的电桥电压灵敏度。的值，可获得较高的电桥电压灵敏度。3 3）n=1n=1时，时，R R1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4组成等臂电桥，组成等臂电桥，K KV V有最大值，即电桥电有最大值，即电桥电压灵敏度。压灵敏度。4 4）当）当E E、为定值时，电桥的输出电压及灵敏度为定值，且与桥臂为定值时，电桥的输出电压及灵敏度为定值，且与桥臂电阻值的大小无关。电阻值的大小无关。机械工程测试原理与技术机械工程测试原理与技术 应变、应力测试应变、应力测试(4)半桥单臂联接半桥单臂联接非线性误
6、差非线性误差对于全等臂电桥（对于全等臂电桥（n=1n=1），），有有 （电阻的相对变化量为（电阻的相对变化量为 ）机械工程测试原理与技术机械工程测试原理与技术 应变、应力测试应变、应力测试（5 5）差动电桥及其补偿原理）差动电桥及其补偿原理 双臂电桥双臂电桥输出电压：输出电压：全桥联接电桥全桥联接电桥输出电压：输出电压：双臂电桥电路双臂电桥电路 机械工程测试原理与技术机械工程测试原理与技术 应变、应力测试应变、应力测试10.3.2 10.3.2 交流电桥交流电桥供桥电压采用交流电源供桥电压采用交流电源 桥臂不再是直流电桥中的桥臂不再是直流电桥中的“纯电阻纯电阻”，而是呈复阻抗特性。，而是呈复阻
7、抗特性。可分别用可分别用Z Z1 1 、Z Z2 2 、Z Z3 3 、Z Z4 4表示四个桥臂的电抗，分别代替桥表示四个桥臂的电抗，分别代替桥臂电阻臂电阻R R1 1 、R R2 2 、R R3 3 、R R4 4，得到如下的适用于交流电桥的平衡得到如下的适用于交流电桥的平衡关系式。关系式。典型交流电桥平衡电路典型交流电桥平衡电路 机械工程测试原理与技术机械工程测试原理与技术 应变、应力测试应变、应力测试10.3.3 10.3.3 放大电路（极间耦合、零漂）放大电路（极间耦合、零漂）（1）交流放大式测量电路交流放大式测量电路（2）直流放大式测量电路直流放大式测量电路y6D-3动态电阻应变仪原
8、理框图动态电阻应变仪原理框图 机械工程测试原理与技术机械工程测试原理与技术 应变、应力测试应变、应力测试10.4 10.4 布片与组桥布片与组桥10.4.1 10.4.1 布片的一般原则布片的一般原则1 1、根据试验目的布片、根据试验目的布片鉴定性试验，主要是了解结构承受危险载荷时是否安全可靠，应鉴定性试验，主要是了解结构承受危险载荷时是否安全可靠，应力状态是否符合设计要求。因此，应选择结构的危险点处布片。力状态是否符合设计要求。因此，应选择结构的危险点处布片。研究性试验，主要测定应力的分布曲线，以验证计算理论和方法研究性试验，主要测定应力的分布曲线，以验证计算理论和方法的合理性，除选择危险点
9、布片外，还要在内力变化大的主应力点的合理性，除选择危险点布片外，还要在内力变化大的主应力点和形状尺寸变化大的点处布片。和形状尺寸变化大的点处布片。2 2、根据结构分析布片、根据结构分析布片结构和外载对称的工况，可在结构的对称面上布片，可减少测点结构和外载对称的工况，可在结构的对称面上布片，可减少测点数量。若需要校核其准确性，可在另一侧面布置校核点即可获得数量。若需要校核其准确性，可在另一侧面布置校核点即可获得整体结构的应力状态。整体结构的应力状态。3 3、根据应力方向布片、根据应力方向布片分析结构应力性质进行布片。对于已知的单向应力状态，应沿应分析结构应力性质进行布片。对于已知的单向应力状态，
10、应沿应力方向布片。对于平面应力状态，应采用单向布片结合应变花进力方向布片。对于平面应力状态，应采用单向布片结合应变花进行测量，通过计算获得主应力值。行测量，通过计算获得主应力值。机械工程测试原理与技术机械工程测试原理与技术 应变、应力测试应变、应力测试10.4.2 10.4.2 组桥组桥1 1，组桥形式与电桥的和差特性，组桥形式与电桥的和差特性 电桥的和差特性式：电桥的和差特性式：1）当）当R1=R2=R3=R4时，三种方式输出灵敏度之比为时，三种方式输出灵敏度之比为1：2：4，可见，采用双臂和全桥联接，可提高灵敏度，且能实现，可见，采用双臂和全桥联接，可提高灵敏度，且能实现温度补偿。温度补偿
11、。2）进行多点测试时）进行多点测试时(如汽车骨架应力测试如汽车骨架应力测试)，为避免接线繁杂，为避免接线繁杂，减少干扰，可采用公用补偿片的办法组成双臂电桥。减少干扰，可采用公用补偿片的办法组成双臂电桥。3）某些测试仪器，如）某些测试仪器，如Dater Logeer UCAM-70A及及ScamnerUSB-70A多通道数据采集系统，能满足实时多点同步测多通道数据采集系统，能满足实时多点同步测量的要求，量的要求，直接采用单臂联接，大大减少了接线工作量。数据处直接采用单臂联接，大大减少了接线工作量。数据处理极为简便。理极为简便。机械工程测试原理与技术机械工程测试原理与技术 应变、应力测试应变、应力
12、测试2 2，常见布片与组桥方式（，常见布片与组桥方式（P351P351）10.4.3 10.4.3 典型应力状态的布片及主应力计算典型应力状态的布片及主应力计算(P352)P352)1 1、单向应力状态：、单向应力状态：沿构件轴线方向布片，可测出主应变，沿构件轴线方向布片，可测出主应变，则主应力为：则主应力为：=E =E 式中：式中：EE材料的弹性模量材料的弹性模量测得的应变测得的应变2 2、平面应力状态：、平面应力状态：一般情况下，应采用应变花布片，分别一般情况下，应采用应变花布片，分别测得三个方向的线应变，再计算出相应的主应变和主应力。测得三个方向的线应变，再计算出相应的主应变和主应力。机
13、械工程测试原理与技术机械工程测试原理与技术 应变、应力测试应变、应力测试10.5 10.5 保证应变测试精度的措施保证应变测试精度的措施 正确选择电阻应变片、配套测试仪器、合理布片与组桥正确选择电阻应变片、配套测试仪器、合理布片与组桥 减少贴片误差减少贴片误差 11 贴片误差贴片误差 当当愈大，附加误差也愈愈大，附加误差也愈大，例如单向应力状态下，大，例如单向应力状态下，理论理论=0则则引起的误差为：引起的误差为：=(1+)1sin2,则实则实测应变与理论应变的相对贴测应变与理论应变的相对贴片误差：片误差：机械工程测试原理与技术机械工程测试原理与技术 应变、应力测试应变、应力测试克服附加电阻的
14、影响克服附加电阻的影响 1、接触电阻的影响、接触电阻的影响 实际接线时，在电桥输入端用接线柱（或开关）实际接线时，在电桥输入端用接线柱（或开关）则产生接触电阻则产生接触电阻r r。对于单臂电桥对于单臂电桥:2 2、导线电阻的影响、导线电阻的影响 导线过长，产生附加电阻导线过长，产生附加电阻r r。电阻相对变化率电阻相对变化率 ：机械工程测试原理与技术机械工程测试原理与技术 应变、应力测试应变、应力测试准确定度准确定度 温度补偿温度补偿 其它措施其它措施 定度曲线定度曲线 1 1、防止干扰。、防止干扰。2 2、动态测试时，要注意应变片的频响特性，一般情况下多为、动态测试时，要注意应变片的频响特性，一般情况下多为单片工作半桥测量。单片工作半桥测量。机械工程测试原理与技术机械工程测试原理与技术 应变、应力测试应变、应力测试