实验力学-实验报告书

《实验力学》课程
实验报告书
姓名：倪英华
专业：理论与应用力学
班级： 10833202 学号： 10833202213
2011 年 1 月 7 日
目录
实验须知 (2)
实验一电阻应变计静态应变测试 (3)
实验二电阻应变式传感器测试 (6)
实验三散斑法位移测量 (9)
实验四光纤光栅传感器应变测试 (12)
实验五白光光弹性试验 (15)
实验须知
1．实验前必须了解本次实验的目的、要求及注意事项。

2．按预约实验时间准时进入实验室，不得无故迟到、早退、缺席。

3．进入实验室后，不得高声喧哗和擅自乱动仪器设备，损坏仪器要赔偿。

4．保持实验室整洁，不准在机器、仪器及桌面上涂写，不准乱丢纸屑，不准随地吐痰。

5．实验时应严格遵守操作步骤和注意事项，若遇仪器设备发生故障，应立即向教师报告，并及时检查、排除故障后，方能继续实验。

6．实验过程中，同组同学要相互配合，认真测试和记录实验数据。

7．实验结束后，将仪器、工具清理摆正。

不得将实验室的工具、仪器、材料等物品携带出实验室。

8．实验完毕，实验数据经教师认可后方能离开实验室。

9．实验报告要求字迹端正、绘图清晰、表格简明、实验结果正确。

实验一电阻应变计静态应变测试
一、实验目的
1．熟练掌握不同结构表面（主要为钢结构和混凝土结构表面）的电阻应变计的实用粘贴技术。

2．熟练掌握常用电阻应变计（可选用DH3818或类似电阻应变仪）的桥路连接方式以及仪器的基本操作方法。

3．用悬臂梁结构测试梁体应变，并与计算应变对比，熟练掌握实际结构应变测试的基本方法与技术。

二、实验器材
静态电阻应变计、应变片、万用表、简支梁、端子、导线、电烙铁、焊料（焊丝、焊膏）、丙酮、502胶、脱脂棉、砂纸、胶带、工具箱（含剥线钳、剪刀等）、悬臂梁（带砝码）、游标卡尺、卷尺、铅笔等。

三、实验方法和步骤
1）用万用表测量各应变片电阻值，选用电阻值差在±0.2Ω的应变片
2）将试件粘贴位置用细砂纸打成45°交叉纹，并用丙酮蘸棉球将粘贴位置擦洗干净直到棉球洁白为止，按图示布片，用钢笔划线晾干后用棉球擦一下。

3）一手捏住应变片，一手拿502粘贴剂瓶，将瓶口向下在应变片基底底面上抹一薄层粘结剂，试件贴片基底底面上抹一薄层粘结剂，涂粘结剂后立即将应变片底面向下平放在试件贴片部位上下班，并使应变片基准对准方向线，将一小片聚氯乙烯薄膜（0.05~0.1mm厚）盖在应变片上，用手指按应变片挤出多余粘结剂（注意按住时不要使应变片移动），手指保持不动约1分钟后再放开，轻轻掀开薄膜，检查有无气泡、翘曲、脱胶等现象，否则需重贴切。

注意：胶粘剂要适量，过多，则胶层太厚影响应变片感知性能，过少则粘结不牢，甚至压坏应变片敏感栅。

4）待胶片风干后，用万用表检查应变片是否通路，如属敏感栅断开则需重贴，如属焊点与引出线脱开尚开补焊。

将引出线与试件轻轻脱离。

5）将测量导线用胶布固定在简支梁试件上，使导线一端与应变片引出线靠近，并事先将导线塑料皮剥去的约3mm和涂上焊锡，然后用电烙铁将应变片引出线与测量导线锡焊，焊点要求光滑小巧，防止虚焊，再用万用表检查应变片是否通路，然后用兆欧表检查各应变片（一根导线）与试件之间的绝缘电阻，（对用公线的各应变片只检查公线与试件之间的绝缘即可。

）应大于200兆欧为好。

将导线编号，画布片和编号图。

导线应布置整齐。

6）用烙铁熔化石蜡覆盖变片区域，作防潮层，再检查通路和绝缘。

7）将导线的另一端联接到静态电阻应变仪上，按照接线图连接仪器，把应变片接入仪器中调平衡；
8）在简支梁上分别把应变片用全桥和半桥接入应变仪对梁逐级加载，记录数据，计算其
数据。

四、注意事项
1） 注意不要被502胶粘住手指或破肤，若被粘上可用丙酮浸泡洗掉。

2） 每完成一步，都需要用万用表测量电阻，保证应变片不错，且可测。

3） 注意电烙铁置放地方，不要烫伤或烧坏其他实验器件。

4） 不能带电工作。

桥路检查后，才能通电。

5） 贴有应变片的构件总处在某一温度场中，当温度有变化时，会造成应变片每感栅电阻的变化，这种电阻温度效应，导体电阻随温度的变化率可近似看作与温度变化成正比，即/|T T R R T α'∆=∆。

实验中应采取措施，进行温度补偿。

补偿方法为用一片应变片作为补偿片，把它贴在一块与被测构件材料相同但不受力的试件上。

在电桥的连接上，使用工作片与补偿片处于相邻的桥臂中，如图3所示。

五、实验过程与实验数据
（简要的语言描述本实验的基本过程，并记录相应的实验数据）
(1) 实验过程：
测量电阻值，选择应变片；进行试件表面处理；贴片并且固化应变片；检查其是否通路；将引出线与测量导线焊锡；覆盖应变片区域以防潮；将应变片接入仪器中并调平衡；对梁逐级加载记录并且计算数据。

(2) 实验数据记录：
应变片电阻值：120欧姆
悬臂梁：宽度b=44.5mm
长度 L=60.35cm
厚度h=9.5mm
加载图示：
六、 实验数据分析与处理
（1）由应力公式计算逐级加载过程中所测点出的应变值（其中E 取为9
20010⨯Pa ） 26M Fa E EW Ebh
σ
ε===
应变与荷载的变化成线性关系；
图一
（3）根据实验处理数据以图像形式显示
①将由荷载算得的应变值-荷载曲线以及由应变计测得的应变值-荷载曲线画在一个图形
中如下图所示：
图二
②做第一组数据加卸载相应应变的图如下：
图三
六、结论（收获、疑问或总结等）
总结结论：
1、通过上面图示很显然测量的应变值与所施加的荷载基本呈线性关系，即可以说明应变片的工作原理—敏感栅可以看作是一根电阻丝，其材料性能和几何尺寸的改变会改变栅丝电阻值的变化。

2、由上图一可以看到，第二组实验数据与通过公式计算所得到的结果非常接近；第一组开始差距较大，到后面很接近；第三组开始时很接近，到后面差距较大。

3、图三可以看出，在恒定温度下，对安装应变计的试件加载和卸载过程中，同一机械应变指示应变存在差值—即机械滞后现象。

实验收获：
1、贴应变片时应注意不要将其贴反，基底应该贴在下面。

2、连接导线时候得理清楚线路，否则容易弄混，导致不能测出实际的数值。

3、做实验前应先检查好仪器通道是否可用，不要选择不当通道，造成实验数据不可用。

4、加在卸载是动作要轻，防止砝码在砝码钩上摆动造成测量应变的摆动，待应变仪读书稳定后再读数。

实验二电阻应变式传感器测试
一、实验目的
1．电阻应变式力传感器中敏感元件的接线方式。

2．电阻应变式压力传感器与测试仪表的接线与使用技术。

3．电阻应变式压力传感器在材料实验机上的标定方法。

二、实验仪器
应变片、静态电阻应变仪、材料试验机、简支梁。

三、实验任务
① 实际应变测试 沿梁轴线方向安装一个三点挠度计，当梁受载变形后，挠度计上千分表的读数f 与梁的轴向应变x ε有如下关系：2/x fh l ε=。

测得f 后，便可由上式求出x ε，其中h 、l 值由学生自行安装，实验装置如图5所示。

b
h
图 5 挠度计测量实际应变
② 电阻变化测试 /R R ∆值的测定一般采用电阻应变仪装置，将梁上应变片作为工作片和另一补偿片接入应变仪中，把应变仪上灵敏系数刻度值置于刻度盘K 仪=2上，经过预调平衡后
加载，在应变仪上得到x ε值，则/R R ∆值即可由下式求得/R R K ∆=仪2εε=仪仪
四、实验方法与步骤
1）粘贴应变片
在简支梁的受压区表面用砂纸除锈，并用丙酮清洗晾干，后用502快干胶把应变片贴在梁上即应变片安装在处于单向应力状态的试件表面，使其轴线（敏感栅纵向中心）与应力方向平行时，贴好后干燥3~4小时后即可工作，胶层要薄而均匀，无气泡。

2）导线连接
导线与应变片的连接要用锡焊，并把导线固定在梁上，防止导线移动时把应变片损坏，然后接线。

3）仪器调节
调节仪器，预调平衡，使指示值（初始值）为零，然后加载，这时仪器指示值偏离原点，再卸载，观察仪器指示值的回零情况，反复操作三~四个循环，观察其重复性情况，如重复性不好，检查线路连接和应变片的接触状况是否良好。

4） 数据记录
仪器调整好后，记录实验数据。

数据表格自行设计，测量的内容都记录在表格内。

5） 数据处理分析
分析误差原因及误差大小，与理论值比较。

五、注意事项
1．仪表桥路接入方法。

2．液压材料实验机读数相对稳定后，才读数。

六、实验过程与实验数据
（简要的语言描述本实验的基本过程，并记录相应的实验数据）
实验基本过程描述：
粘贴应变片，然后连接上导线并将其固定在梁上；调节好仪器并且预调平衡预加载几个循环；按照位移加载并且记录各级荷载对应的应变值；最后进行数据处理，计算误差并且与理论值进行比较，得出相关结论。

加载方式：按位移加载，每5Kn记录一次应变值，负荷从5到50加载再卸载。

加载速度：0.2mm/min
六、实验数据分析与处理
由于采用曲线图时两曲线非常接近，看不出差距，故采用柱形图。

第一组数据加载和卸载对比：
三种不同加载速度的对比：
七、结论（收获、疑问或总结等）
1、由图示很显然，随着荷载的增加，应变计测得的应变值不断增加，而且两者呈线性关系；
2、调节仪器时预调平衡，指示值（初始值）为零，然后加载，这时仪器指示值偏离原点，再卸载，观察仪器指示值的回零情况，反复操作三~四个循环后卸载指示总指为0，确实需要预调平衡。

说明：由于实验装置是实验室已经安装好了的，对于公式
2
/
x
fh l
ε=，其中的f和l以及h并
没有量测得到，因此不能由计算得到梁的轴向应变值。

故本实验仅仅能够对于已经测量得到的各级荷载作用下应变值进行数据处理，而不能将测得的数据与理论计算得到的数据进行比较。

实验三 散斑法位移测量
一、实验目的
1． 了解白散斑位移测试原理与实现方法。

2． 基本掌握白光散斑照相技术及信息处理方法。

二、实验设备
He-Ne 激光器、散斑相机、卡尺、百分表、5M 卷尺、试件、印放机等。

三、试验方法和步骤
1． 物体表面处理：1）使物体表面粗糙； 2）作好标记和十字标尺。

2． 调整相机位置，1）根据位移大小调整相机位置（调整M ）；2）通过观望镜使物体十分准确的成象防观察屏（控制好光圈），通过卡尺寸估算出放大率M 值；3）在拍摄过程中全息干板保持不动；4）作好实测记录。

3． 对双曝光全息片在暗绿灯下用D-19显影，用F-5定影（操作）。

4． 逐点法提取位移信息（eM
L
d λ=）。

5． 用照相法复制到杨氏条纹：复印相片用D-72显影，红灯下操作。

四、 注意事项
1． 曝光时间的把握。

2． 照相过程中相机不能移动。

五、 实验过程与实验数据
（简要的语言描述本实验的基本过程，并记录相应的实验数据）
实验过程描述： 物体表面处理；调整相机的位置并且进行拍摄，做好实测记录；对双曝光全息片在暗绿灯下显影定影；将底片放在激光器下，调好位置，直至能在观察屏上看到很清晰的杨氏条纹，用白纸贴上画出条纹，测量条纹各间距求的平均间距。

测量底片到屏幕的距离。

实验记录的数据：
He-Ne 激光器得到的红光波长：6328A λ=
屏到散斑距离: L1468.5cm L2=485.0cm L3=487.2cm 散斑对间距d 条纹间距∆ 放大倍数M=1
六、实验数据处理及分析
10632810L
m L
d M M λ-⨯⨯==∆∆
七、 结 论（收获、疑问、照片粘贴或总结等）
由于实验用的是实验室已经经过显影定影的全息底片，实际上我们仅仅操作了实验步骤中逐点提取位移信息这步。

结论:
1、在垂直于激光束的屏幕上出现了典型的杨氏条纹-在衍射晕内出现了一组等间距的平行条纹。

2、将底片位置稍作移动，屏幕上的条纹迅速移动，并且很快便模糊不清，说明要形成这种杨氏条纹需要严格对准平移区。

3、实验室有一块打碎的底片，将其置于装置中调好，仍然能够得到完整的条纹，说明了将全息片分成若干小块每一块都可再现原物的像。

4、观察条纹发现，位于最中间的条纹亮度明显高于外侧，且光强集中在三四级条纹上。

实验四 光纤光栅传感器应变测试
1 实验内容、目的与要求
光纤光栅应变传感器具有耐久性好、可以实现准分布式测量；波长编码，可以方便实现绝对测量等优点，具有传统测试手段不具备的很多优点。

① 理解光纤光栅应变传感器的工作原理。

② 基本掌握光纤光栅应变传感的标定方法。

③ 初步掌握光纤光栅的应变测试方法。

2 实验原理与注意事项（操作要点）
1) 光纤光栅技术原理
光纤是光导纤维的简称，是工作在光波波段的一种介质波导，通常是圆柱形，已经广泛应用于通信领域的数据传输。

光纤工作的基本原理基于光的全反射现象，当入射角满足一定条件时，入射光将不发生介质折射，全部沿着纤芯反射向前传播。

光纤布拉格光栅是一种性能优异的窄带反射滤波无源器件，当光波传输通过光纤布拉格光栅时，满足布拉格光栅波长条件（Λ=eff B n 2λ）的光波矢将被反射回来。

当布拉格光栅受到外界作用时，其中心波长会发生变化，通过探测光纤光栅中心波长的变化，就可以感知外界作用的信息。

通常，基于光纤布拉格光栅的各种传感器基本上都是直接或间接地利用应变或温度改变光栅中心波长，达到测试被测物理量的目的。

通过大量的试验确认，在温度变化不大（-50～150 ℃）和10000微应变下，光纤光栅的应变和温度效益可以认为是独立的。

即：
T /K K T ε∆λλε∆=+
2) 光纤光栅应变测试原理
当温度恒定时，由T /K K T ε∆λλε∆=+可知， /(K )εε∆λλ=，一旦应变灵敏度系数确定，则可以方便地通过波长变化获得应变值。

当温度变化时，我们必须对应变传感进行温度补偿法。

将一根布拉格光栅布设于被测对象，另一根布设于与被测材料一样、温度场一致且不受力的构件上，即保证两者发生同样的温度效应。

1
111
B T B K K T ελελ∆=+∆
2
22
B T B K T λλ∆=∆
令12/T T K K γ=，我们可以得到：
12211/)//(ελλ∆γλλ∆εK B B B B -=
若忽略光栅中心波长导致的灵敏度系数影响，温度与应变共同产生的波长变化可由下式表示
：
B T T
ελαεα∆=+∆则，
11B T T
ελαεα∆=+∆，
22B T T λα∆=∆
令12/T T ψαα=，可得
12
1
B B ελψλεα∆-∆=
如果光纤布拉格光栅的传感特性一致，而基体材料也一样，即光栅的温度传感系数一致，
ψ和γ可以取1，从而将给实际操作带来极大的方便。

（2）操作要点与注意事项 ① 注意布设方式
② 注意仪器保护方法
3 实验仪器与材料准备
光纤光栅、跳线、酒精（或丙酮）、脱脂棉、光纤熔接仪（FS －40）、普通光缆、光纤光栅解调仪（SI －425）、等强度梁、电阻应变计成套仪器等。

4 实验过程、实验数据及其处理
实验过程：
1、按照实验要求连接好线路，将试块和测量仪器连接好；
2、逐级加卸载，读取应变和仪器上显示的波长值并且记录数据；
3、实验数据分析并且得出结论
5 结 论（收获、疑问、照片粘贴或总结等）
结论总结：
1、 由图示曲线可以看到，出波长相对变化量/∆λλ与应变读数的相关曲线拟合后为一直线，在温度
基本保持不变的情况下，公式/(K )εε∆λλ=是成立的。

2、 由上图所示曲线可以发现，随着测量次数的增加，曲线在y 轴上的交点值的数值是不断增
大的，推测是受周围环境等其他影响引起的零漂。

3、 随着测量次数的增加，直线斜率基本保持不变，由此可知K ε在此种条件下是基本保持不变的。

经验总结：
1、做实验时千万不能在实验过程中碰到接触的导线，这对实验结果会产生很大的影响，甚至导致实验结果不能用，不小心碰到后需要将仪器调零重新实验。

3、液压材料实验机读数时候一定要等到其读数稳定后方可记录数值；
加载卸载动作要轻，防止砝码在砝码钩上摆动造成测量应变的摆动，待应变仪读书稳定后再读数。

实验五白光光弹性试验
一、实验目的
熟悉光弹试验的测量原理，熟悉等倾条纹和等差条纹。

二、实验设备
白光源、起偏镜、1/4波片、环氧树脂、二维受力装置、检偏镜等
三、实验方法和步骤
①模型制作只说明模型的制作过程。

②成像系统将受力模型置于光弹成像系统中。

③条纹观测观察等倾和等差条纹。