悬臂梁在动态力作用下梁身应变测试三级项目讲解

测试技术三级项目
悬臂梁在动态力作用下梁身应变测试
学院：车辆与能源学院
班级：车辆13-01班
姓名：王浩孙要强李艳阁
指导教师：刘丰
日期：2016-07-05
摘要
通过机械工程测试技术基本实验的学习实践，掌握了机械工程测试技术的基本试验方法。

本实验是对基本测试方法的一次综合训练过程，通过对具体所要测试机械装备的工作状态进行分析、了解要测试的对象，最终确定测试实验方案以及选择要采用的仪器。

通过此过程了解静态、动态信号的采集及数据分析处理过程，熟悉从传感器到计算机之间各仪器的连接、测试软件的使用和机械信号测试方法。

具体到我们的实验内容为：悬臂梁在动态力作用下梁身应变测试。

关键字：动态力悬臂梁应变测试测试方法
前言
本次实验的实验目的：掌握构件在不同的动态力状态下，应变测量的方法。

此次实验采用电阻应变测量方法测量应变。

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。

应变片是一种能把被测试件的应变量转换成电阻变化量的敏感元件，它一般由基底、敏感栅、覆盖层和引线四部分组成。

把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应变片。

现在使用的称重传感器、力传感器，绝大部分都是电阻应变式传感器。

随着传感器在科学技术领域、工农业生产以及日常生活中发挥着越来越重要的作用，对传感器技术的要求也越来越高。

一、实验内容
实验需要对悬臂梁的应变进行测量，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。

悬臂梁在偏振电机的不同转速条件下偏置质量块产生动态力不同，在不同转速条件下悬臂梁发生的应变不同。

测出梁身动态应变与动态力（电机转速）之间的关系，再根据机械工程测试技术基本实验中的应变片灵敏度测定实验所得到的应变片灵敏度准确得出在不同
动态力下梁身发生的真实动态应变。

而偏振电机转速变化是通过给定电压来实现。

试验中悬臂梁上应变片是沿悬臂梁轴线两侧对称粘贴，可抵消偏置电机在旋转过程中对悬臂梁所产生的扭转力影响。

预期结果：开始时随着电压的增加偏置电机转速随之增加，悬臂梁振幅增大，应变增加。

当偏置电机与悬臂梁产生共振现象时悬臂梁振幅最大，偏置电机转速在增加时，振幅变小。

二、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(
μερρ++=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 ρρ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、实验装置
这里采用电阻应变片灵敏度测定时使用的等强度梁其应变片布置如下图。

我们采用在悬臂梁自由端固定一偏置激振用微型直流电机来产生动态力，并通过改变施在电机上的电压来改变其转速进而实现不同动态力的要求。

激振用微型直流电机一端贴有反光片方便我们测量其实时转速。

这里我们还用到YD-28型动态电阻应变仪，DASP应用软件、计算机、DH5922型动态信号测试系统、直流电源、组桥用连接导线数根。

三、实验内容及步骤
1、根据下图组装全桥电路
2、打开仪器、计算机，打开DASP应用软件，实验通道选择默认即可。

在设置完通道参数，正式开始采样前，一般需要对通道进行平衡。

可以通过控制工具栏上的平衡按钮和清零按钮实现。

然后进行通道子参数设置，点击通道子参数下的桥路类型，从下拉菜单中选择方式六，其后各参数默认方式六的即可。

3、下面开始测量，改变直流电压，电机转动，测量转速，当转速稳定下来时，点击软件的暂停按钮，记录下最大值及最小值。

增大直流电压，重复以上过程三次，将实验数据记录在表格中。

转速r/min
应变
最大值最小值
1 1361.8 22.963 -26.172
2 1781.0 18.604 -18.536
3 1839.8 19.520 -19.999
4 2171.8 42.599 -45.945
5 2325.8 83.290 -83.023
四、注意事项
1、注意应变片的保护，要做好应变片的防潮、防湿工作，确保在应变片烘干后进行测量。

2、实验中应当注意仪器的保护，并在老师的正确指导下进行仪器的操作，特别是应变片的安装。

3、实验后应把仪器归类放好，并整理实验台。

五、分析说明及结论
从实验结果可知，随着动态力（这里具体表现为转速）的增加悬臂梁应变增加。

当达到共振点时，振幅变大，因此我们测量时的最初转速刚刚在共振点附近。

根据所得应变值正负最大值可知，全桥法测量应变是近似对称的。

六、实验心得
在此次实验中，实验老师详细的为我们讲解了测量悬臂梁应变如何布片，跟我们理论推导了应变片的工作原理，其中应用了大量的高数知识，在实验过程中，我们的软件打开后总是不能正常工作，这也有我们对软件不熟悉的原因，不知道如何操作。

老师帮助解决这个问题后，我们开始了正常的测量，在实验中我们分工明确，团结协作，在很短的时间内就将实验数据记录完全。

可以说这是一次比较成功的实验
通过测试技术这一系列的实验，我觉得对每个成员有很大帮助，通过这次三级项目，让我认识到具备扎实的理论知识是非常重要的，拥有丰富的理论知识才能更好的去指导实验。

由于知识往往不是独立的，因此需要对知识融会贯通。

如在悬臂梁在动态力作用下梁身应变测试的过程中，涉及传感器，测试电路，误差理论分析，材料力学等学科。

在前几次的实验过程中，我们小组的成员就已经提前开始关注各种实验方案的设计，对每个实验都会投入一定的思考，尤其是我们组进行的应变片的实际应用的实验，我们除了对电桥的工作原理及桥臂连接方式进行了较为深入的研究，对于应变片的工作原理也是十分熟
悉，因为我们知道，只有完全的准备才能让我们在项目中做得更好。

最后感谢刘老师的指导，希望我们能够在今后的学习中充分利用这次三级项目的经验，做到精益求精，认真负责的态度。

七、小组贡献。