悬臂梁应变测量

悬臂梁应变测量

摘要：在航空、机械及材料研究领域中，零件的强度是一个很重要问题。研究强度问题的途径之一便是实验应力分析。本课程设计便是利用实验应力分析中的电测法来测定弹性元件等强度悬臂梁在力的作用下产生的应变。具体方法是通过在悬臂梁上粘贴三个应变片，它们均分布在悬臂梁的上表面上，其中一应变片位于纵向轴的中心线上，其余两个应变片分别位于轴中心线的两侧等距离处，且靠近变动端；然后通过增减砝码的个数改变所加的力，利用数字万用表记录、读取数据。为了减小实验误差，本实验采用多次测量求平均值的方法，并对实验数据利用Excel进行了拟合，作出了应变片的电阻变化值与载荷之间的关系图，再根据有关公式，最终得出在弹性限度内悬臂梁的应变与它所受到的外力大小成线性关系。

关键词：电测法；应变片；悬臂梁；数字万用表

引言

研究强度问题可以有两种途径，即理论分析和实验应力分析。实验应力分析是用实验方法来分析和确定受力构件的应力、应变状态的一门科学，通过实验应力分析可以检验和提高设计质量、工程结构的安全性和可靠性，并且可以达到减少材料消耗、降低生产成本和节约能源的要求。实验应力分析的方法很多，有电测法、光测法、机械测量方法等。本实验主要是利用电测法。电测法有电阻、电容、电感测试等多种方法，其中以电阻应变测量方法应用较为普遍。电阻应变测量方法是用电阻应变片测定构件表面的应变，再根据应变--应力关系确定构件表面应力状态。工程中常用此方法来测量模型或实物表面不同点的应力，它具有较高的灵敏度和精度。由于输出的是电信号，易于实现测量数字化和自动化，并可进行遥测。电阻应变测量可以在高温、高压、高速旋转、强磁场、液下等特殊条件下进行，此外还可以对动态应力进行测量。由于电阻应变片具有体积小、质量轻、价格便宜等优点，且电阻应变测试方法具有实时性、现场性，因此它已成为实验应力分析中应用最广的一种方法。它的主要缺点就是，一个电阻应变片只能测量构件表面一个点在某一个方向的应变，不能进行全域性的测量]1[。

本实验为悬臂梁的应变测量，所谓的悬臂梁，即一端固定，另一端可以动的弹性元件。应变是描述一点处变形程度的力学量，它是由载荷、温度、湿度等因素引起的物体局部的相对变形，主要有线应变和切应变两类。电阻应变片是一种将机械构件上应变的变化转换为电阻变化的传感元件。

本实验使用的方法为电测法，通过逐级加减载荷改变悬臂梁所受的力，使之发生不同的形变，用电阻应变片作为传感器，将微小的形变这个非电学量转换成电学量电阻的变化来测量悬臂梁的主应变。在该实验中电阻的变化量是通过数字万用表直接读数处理得到的，之后通过应力与应变之间的关系得出悬臂梁所受的正应力，利用Excel制作出拟合曲线进行分析。本实验主要目的在于了解悬臂梁、电阻应变片的结构及工作原理，掌握数字万用表测电阻的方法及原理，理解灵敏度对测量结果的影响，最终利用数

字万用表测量出应变片电阻的微小变化，进而测定悬臂梁的应变。 实验目的与要求

（1）了解应变测量的基本方法：电测法； （2）掌握悬臂梁的结构及应变特性； （3）了解应变片的工作原理；

（4）了解数字万用表的原理及使用，掌握用数字万用表测应变片电阻的微

小变化；

（5）学会利用Excel 图表处理物理实验数据，掌握最小二乘法处理实验数

据。 实验原理和方法 1、应变片的工作原理 （1）应变片的工作原理

电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化。变化值和应变片粘贴的构件表面的应变成正比，最后通过测量仪器测电阻变化，进而得到构件表面的应变。

现在对金属丝电阻与应变之间的关系作以下简单分析。

由物理学可知，长度为L 、横截面积为A 和电阻率为ρ的均匀金属丝，其电阻值R 由下式给出：

L

R A

ρ= （1）

当金属丝受到轴向拉伸（或压缩）作用时，其电阻值R 的变化，可由式（1）的微分得到，对式（1）进行微分，并除以总电阻R ，得

dR d dL dA R

L A

ρρ

=+- （2）

式中：

dL

L

——为导线长度的相对变化，即应变ε；dA 为金属丝中横向应变所造成的横截面面积的改变。由于横向应变等于-με，如果把金属丝受轴向应变之前的直径记为D ,那么受应变以后的直径为：

D D )1('με-= （3）

式中：μ—为金属丝材料的泊松比。由式（3）可得

μεμεμε2)(22-≈+-=A dA

（4） 将上式代入式（2）得

εμρ

ρ

)21(++=d R dR

（5） 令 )21(με

ρ

ρ++=d K （6）

于是

s dR

K R

ε= （7） s K 称为单根金属丝的应变灵敏系数]2[。式（7）表明了金属丝的电阻变化率与其轴向应变之间的关系，如果s K 为常数，则关系为线性的。应变片就是利用金属丝的这种电阻应变效应制成的。式（5）表明，导体（如金属丝）的应变灵敏度是由两个因素引起的，一个是导体尺寸的改变，由（12μ+）项来表示；另一个是电阻率的改变，由()d ρρε项来表示。 （2）电阻应变片的构造

电阻应变片一般由敏感栅、引线、基底、覆盖层和粘结剂构成，其构造简图如图1。

① 敏感栅是用金属丝制成的应变转换元件，是构成电阻应变片的主要部分。为了使应变片有足够的电阻值，把一定长度的金属丝做成栅状。 ② 引线作为测量敏感栅电阻值时与外部导线连接之用，一般采用直径0.15～0.3mm 的镀银、镀锡或镀合金的软铜丝。制片时先将其与敏感栅焊接在一起。因为敏感栅直径比引出线细得多，焊接处容易折断，使用时必须特别小心。

③基底的作用是保持敏感栅的几何形状和相对位置，而盖层是用来护敏感栅的。基底必须能保证金属丝和被测试件之间的绝缘，并且要求基底有一定的机械强度、热稳定性及易于粘贴。

④粘贴剂是用来将敏感栅固结在覆盖层和基底之间的，粘结剂粘结强度要高，绝

缘性要好。

图1电阻应变片基本构造示意图

2、电测法（电阻应变测量）的原理及方法

（1）电测法基本原理

电测法基本原理，是将金属丝等制成的电阻应变片贴在构件待测应变处，当构件受力变形时，金属丝亦随之伸缩，因而其电阻也随之改变。电阻改变量与金属丝的线应变（即欲测应变）之间存在一定的关系。通过电阻应变仪将电阻改变量测出，进而可得到所测部位的应变。电测法使用的主要仪器是电阻应变仪及其传感元件——电阻应变片[3]。

电阻应变测量技术是用电阻应变片测量构件的表面应变，再根据应力应变的关系式，确定构件表面应力状态的一种实验应力分析方法[4]。用电阻应变片测量应变的大致过程如下：将作为检测元件的电阻应变片粘贴或安装在被测构件表面上，然后接入测量线路（该实验中用的是数字万用表）。当构件——悬梁臂变形时，电阻应变片的栅丝随之变形，导致其电阻值发生相应变化，此变化是构件表面应变的函数。测量线路由于应变片电阻变化而产生的输出信号经过放大线路放大后，由指示仪表或记录仪器（数字万用表）指示[5]。这是一种将机械量转换为电量的方法，其转换过程如图2