金属材料弹塑性参数测定EUG等.docx
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金属材料弹塑性参数测定EUG等
实验名称:
金属材料弹塑性参数测定(E、U、G等)
传感器是一种测量装置,用来把有关的物理量转变成具有确定对应关系的电量输出,以满足对于信息的记录、显示、传输、存储、处理以及控制的要求。
传感器是实现自动测量与控制的第一个环节,在生产实践和科学研究的各个领域中发挥着十分重要的作用。
本实验要进行分析、设计、制作电阻应变式传感器,并利用电桥作为基本的测量电路,利用静态电阻应变仪作为放大与输出仪器。
标定制作好的电阻应变式传感器。
一、实验目的
1.学习并掌握电阻应变式传感器的结构、原理和设计方法。
2.理解并掌握电阻应变式传感器的标定方法,建立标定的概念,学会相关仪器的使用方法。
3.复习掌握电阻应变片的筛选、粘贴、焊接、检验等操作方法。
4.测定材料的弹性模量E和泊松比u
二、实验设备与仪器等
1.静态电阻应变仪。
2.标定器、计算器、数字式万用表、游标卡尺、电烙铁、剥线钳等。
3.弹性元件等传感器母体。
4.电阻应变片、接线端子、导线、502胶、丙酮、焊锡、砂纸等。
5.金属筒(R=48mm,r=40mm)
三.原理与方法
电阻应变测量法是实验应力分析中应用最广的一种方法。
电阻应变测量方法测出的是构件上某一点处的应变,还需通过换算才能得到应力。
根据不同的应力状态确定应变片贴片方位,有不同的换算公式。
测量电桥的基本特性和温度补偿
构件表面的应变测量主要是使用应变电测法,即将电阻应变片粘贴在构件表面,由电阻应变片将构件应变转换成电阻应变片的电阻变化,而应变片所产生的电阻变化是很微小的,通常用惠斯顿电桥方法来测量,惠斯顿电桥是由应变片作为桥臂而组成的桥路,作用是将应变片的电阻变化转化为电压或电流信号,从而得到构件表面的应变。
在测量时,将应变片粘贴在各种弹性元件上,组成电桥,并利用电桥的特性提高读数应变的数值,或从复杂的受力构件中测出某一内力分量(如轴力、弯矩等)。
利用电桥的基本特性正确地组成测量电桥。
测量电桥的基本特性
图3-4电桥
如图3-4所示。
电阻R1,R2,R3和R4构成电桥的四个桥臂。
在对角节点AC上接上电桥工作电压u,另一对角点BD为电桥输出端,输出端电压UBD。
当四个桥臂上电阻值满足一定关系时,电桥输出电压为零,此时,称电桥平衡。
由电工原理可知,电桥的平衡条件为
R1R3=R2R4 (3-11) 若电桥的四个桥臂为粘贴在构件上的四个应变片,其初始电阻都相等,即R1=R2=R3=R4。
构件受力前,电桥保持平衡,即UBD=0。
构件受力后,应变片各自受到应变后分别有微小电阻变化ΔR1、ΔR2、ΔR3和ΔR4。
这时,电桥的输出电压将有增量ΔUBD即
ΔUBD=
若四个电阻应变片的灵敏系数K都相同,则
ΔUBD=
(ε1-ε2+ε3-ε4)
上式表明,应变片感受到的应变通过电桥可以线性转变为电压(或电流)信号,将此信号进一步放大、处理就可用应变仪应变读数ε仪表示出来。
即
ε仪=ε1-ε2+ε3-ε4 (3-12)
由式(3-12)可见,电桥有下列特性:
1)两相邻桥臂上应变片的应变相减。
即应变同号时,输出应变为两邻桥臂应变之差;异号时为两相邻桥臂应变之和。
2)两相对桥臂上应变片的应变相加。
即应变同号时,输出应变为两相对桥臂应变之和;异号时为两相对桥臂应变之差。
应变仪的输出应变实际上就是读数应变,所以合理地、巧妙地利用电桥特性,可以增大读数应变,并且可测出复杂受力杆件中的内力分量。
温度的影响与补偿
在测量时,被测构件和所粘贴的应变片的工作环境是具有一定温度的。
当温度发生变化时,应变片将产生热输出
,热输出
中是不包含结构因受载而产生的应变,即使结构处在不承载且无约束状态,
仍然存在。
因此,当结构承受载荷时,这个应变就会与由载荷作用而产生的应变叠加在一起输出,使测量到的输出应变中包含了因环境温度变化而引起的应变
,因而必然对测量结果产生影响。
温度引起的应变
的大小可以与构件的实际应变相当,因此,在应变片电测中,必须消除应变
,以排除温度的影响,这是一个十分重要的问题。
测量应变片既传递被测构件的机械应变,又传递环境温度变化引起的应变。
根据式(3-12),如果将两个应变片接入电桥的相邻桥臂,或将四个应变片分别接人电桥的四个桥臂,只要每一个应变片的
相等,即要求应变片相同,被测构件材料相同,所处温度场相同,则电桥输出中就消除了
的影响。
这就是桥路补偿法,或称为温度补偿片法。
桥路补偿法可分为两种,下面作简单介绍。
1)补偿块补偿法
此方法是准备一个其材料与被测构件相同,但不受外力的补偿块,并将它置于构件被测点附近,使补偿片与工作片处于同一温度场中,如图3-5(a)所示。
在构件被测点处粘贴电阻应变片Rl,称工作应变片(简称工作片),接入电桥的AB桥臂,另外在补偿块上粘贴一个与工作应变片规格相同的电阻应变片R2称温度补偿应变片(简称补偿片),接入电桥的BC桥臂,在电桥的AD和CD桥臂上接人固定电阻R,组成等臂电桥,如图3-5(b)所示。
这样,根据电桥的基本特性式(3-12),在测量结果中便消除了温度的影响。
(a) (b)
图3-5补偿块补偿法
2)工作片补偿法
在同一被测试件上粘贴几个工作应变片,将它们适当地接入电桥中(比如相邻桥臂)。
当试件受力且测点环境温度变化时,每个应变片的应变中都包含外力和温度变化引起的应变,根据电桥基本特性式(3-12),在应变仪的读数应变中能消除温度变化所引起的应变,从而得到所需测量的应变,这种方法叫工作片补偿法。
在该方法中,工作应变片既参加工作,又起到了温度补偿的作用。
如果在同一试件上能找到温度相同的几个贴片位置,而且它们的应变关系又已知,就可采用工作片补偿法进行温度补偿。
电阻应变片在电桥中的接线方法
应变片在测量电桥中有各种接法。
实际测量时,根据电桥基本特性和不同的使用情况,采用不同的接线方法,以达到以下目的:
1)实现温度补偿;2)从复杂的变形中测出所需要的某一应变分量;3)扩大应变仪的读数,减少读数误差,提高测量精度。
为了达到上述目的,需要充分利用电桥的基本特性,精心设计应变片在电桥中的接法。
在测量电桥中,根据不同的使用情况,各桥臂的电阻可以部分或全部是应变片。
测量时,应变片在电桥中,常采用以下几种接线方法。
半桥接线法
若在测量电桥的桥臂AB和BC上接电阻应变片,而另外两臂AD和CD接电阻应变仪的内部固定电阻值,则称为半桥接线法(或半桥线路)。
对于等臂电桥
,实际测量时,有以下两种情况:
1)半桥测量
半桥测量接法如图3-6所示,电桥的两个桥臂AB和BC上均接工作应变片
和
,工作应变片感受构件变形引起的应变分别为
和
,感受温度引起的应变均为
,
,
,另外两臂AD和CD接固定电阻R,由于固定电阻因温度和工作环境的变化,而产生的电阻变化很小,且相等,即
,因而
,根据式(3-12),应变仪的读数应变为
(3-13)
2)单臂测量
单臂测量接法如图3-7所示,
为工作应变片,
为温度补偿应变片,
和
为电阻应变仪的内部固定电阻R。
工作应变片感受构件变形引起的应变为
,感受
图3-6 半桥测量图3-7 单臂测量
温度引起的应变为
,温度补偿应变片感受温度引起的应变也为
,即
,
。
根据式(3-12)可得应变仪的读数应变为:
(3-14)
全桥接线法
在测量电桥的四个桥臂上全部接电阻应变片,称为全桥接线法(或全桥电路)。
对于等臂电桥,实际测量时,有以下两种情况:
1)全桥测量
测量电桥的四个桥臂上都接工作应变片,如图3-8所示。
工作应变片感受应变分别为
,
,
,
,各工作应变片感受温度引起的应变均为
,即
,
,
,
。
根据式(3-12),应变仪的读数应变为
(3-15)
2)对臂测量
电桥相对两臂接工作应变片,另相对两臂接温度补偿应变片。
设工作应变片感受构件变形引起的应变分别为
和
,感受温度引起的应变为
,温度补偿应变片感受温度引起的应变也为
。
即:
,
,
,
,根据式(3-12),应变仪的读数应变为:
(3-16)
图3-8 全桥接线法
应力与应变测量
单向应力状态
在杆件受到拉伸(或压缩)情况下,如图3-9所示。
此时只有一个主应力σ1,它的方向是平行于外加载荷P的方向,所以这个主应力σ1的方向是已知的,该方向的应变为εl。
而垂直于主应力σ1方向上的应力虽然为零,但该方向的应变ε2≠0,而是ε2=-μεl。
由此可知:
在单向应力状态下,只要知道应力σ1的方向,虽然σ1的大小是未知的,可在沿主应力σ1的方向上贴一个应变片,通过测得εl,就可利用σ1=Eε1公式求得σ1。
主应力方向巳知平面应力状态
图3-9杆件单向受拉伸图3-10已知主应力方向的平面应力状态
平面应力是指构件内的一个点在两个互相垂直的方向上受到拉伸(或压缩)作用而产生的应力状态,如图3-10所示。
图中单元体受已知方向的平面应力σ1和σ2作用,在X和Y方向的应变分别为
σ1作用:
X方向的应变εl为σ1/E
Y方向的应变ε2为-μσ1/E
σ2作用:
Y方向的应变ε2为σ2/E
X方向的应变εl为-μσ2/E
由此可得X方向的应变和Y方向的应变分别为
(3-17)
上式变换形式后可得
(3-18)
由此可知:
在平面应力状态下,若已知主应力σ1或σ2的方向(σ1与σ2相互垂直),则只要沿σ1和σ2方向各贴一片应变片,测得εl和ε2后代入式(3-18),即可求得σ1和σ2值。
主应力方向未知平面应力状态
当平面应力的主应力σ1和σ2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σ1和σ2及主方向角θ三个未知量。
图3-11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θ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。
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- 关 键 词:
- 金属材料 塑性 参数 测定 EUG