金属材料弹塑性参数测定(E、U、G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

A

B

C

D

R1R

2

R4R3

U BD U

图3-4 电桥

如图3-4所示。电阻R 1，R 2，R 3和R 4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U BD 。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

R 1R 3=R 2R 4 (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R 1=R 2=R 3=R 4。构件受力前，电桥保持平衡，即U BD =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ΔR 1、ΔR 2、ΔR 3和ΔR 4。这时，电桥的输出电压将有增量ΔU BD 即

ΔU BD =

⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆-∆+∆-∆4433221

14R R R R R R R R U 若四个电阻应变片的灵敏系数K 都相同，则 ΔU BD =

4

U

K ⋅(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t ε，热输出t ε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，t ε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t ε，因而必然对测量结果产生影响。

温度引起的应变t ε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t ε，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t ε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t ε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R l ，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R 2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4321R R R R ===，实际测量时，有以下两种情况： 1）半桥测量

A B

C D R 1 R 2 R 4 R 3 R 1 R 2

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