第7章-力学参数测量课件.ppt
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- 力学 参数 测量 课件
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1、l 了解和掌握机械结构受力状态的方法:了解和掌握机械结构受力状态的方法:(1)理论分析理论分析 (2)实验分析实验分析l 实验分析基本作用:实验分析基本作用:(1)分析研究机械结构的受力状态分析研究机械结构的受力状态 (2)验证设计理论的正确性验证设计理论的正确性 (3)设计制作标准力学传感器设计制作标准力学传感器 (4)了解和掌握机械设备在实际工作中的安全性了解和掌握机械设备在实际工作中的安全性l 应变和力是最重要的测量力学参数。应变和力是最重要的测量力学参数。l 应变电测法应变电测法:利用电阻应变片测量构件表面应变,:利用电阻应变片测量构件表面应变,再根据应变与应力的关系确定构件表面应力状
2、态。再根据应变与应力的关系确定构件表面应力状态。l应变电测法测量系统构成:应变电测法测量系统构成:应变片、应变仪、记录应变片、应变仪、记录仪、分析处理设备。仪、分析处理设备。第七章第七章 力学参数测量力学参数测量 一、电桥输出特性一、电桥输出特性 在受力构件的测点处,按其应变方向,粘贴应变片在受力构件的测点处,按其应变方向,粘贴应变片R1、R2、R3、R4,组成电桥,输出电压,组成电桥,输出电压132401234()()sRRR RuuRRRR312401()4sRRRRuuRRRR012341()4suKu第一节第一节 应力应变测量应力应变测量1234RRRRRR忽略高次项 桥臂应变片的灵敏
3、度 K 相同第一节第一节 应力应变测量应力应变测量012341()4suKu 二、应变片布片和组桥二、应变片布片和组桥l 应变片感受的是构件表面某点的拉(压)应变。应变片感受的是构件表面某点的拉(压)应变。l 在多数情况下,表面应变可能是由在多数情况下,表面应变可能是由多种内力因素多种内力因素(如(如既有拉力,又伴有弯矩)造成的。既有拉力,又伴有弯矩)造成的。l 应变片本身不能分辨示值中的各应变成分,但是只要应变片本身不能分辨示值中的各应变成分,但是只要合理地选择合理地选择贴片位置、方位贴片位置、方位和把应变片合格地接入电桥,和把应变片合格地接入电桥,就能利用电桥的就能利用电桥的和差特性和差特
4、性,达到测量目的。,达到测量目的。第一节第一节 应力应变测量应力应变测量1、应力测量基本步骤应力测量基本步骤l 选择测点选择测点粘贴应变片粘贴应变片组成测量电路和系统组成测量电路和系统应力应应力应变换算。变换算。l 测点选择与确定测点选择与确定 根据受力构件根据受力构件(受力状况分析或受力状况分析或)测量要求,确定测点位置。测量要求,确定测点位置。l应变片粘贴方向确定应变片粘贴方向确定最大应变方向。最大应变方向。第一节第一节 应力应变测量应力应变测量2、贴片与接桥原则、贴片与接桥原则 分析构件受力性质,了解应力分布规律,选择分析构件受力性质,了解应力分布规律,选择主应力最大、最能反映力学规律主
5、应力最大、最能反映力学规律的点为贴片位置;的点为贴片位置;按电桥按电桥和差特性和差特性组桥,得到欲测应变的输出,组桥,得到欲测应变的输出,且灵敏度高,非线性误差小,消除温度影响;且灵敏度高,非线性误差小,消除温度影响;测量载荷时,贴片位置的应变与外载荷成测量载荷时,贴片位置的应变与外载荷成线性线性关系关系(避开非线性区避开非线性区)。第一节第一节 应力应变测量应力应变测量3、受力构件应力状态:、受力构件应力状态:l 单向应力、平面应力和三向应力。单向应力、平面应力和三向应力。l 应力应变测量只能测量受力构件的表面应力,属应力应变测量只能测量受力构件的表面应力,属于于平面应力平面应力测试。测试。
6、第一节第一节 应力应变测量应力应变测量第一节第一节 应力应变测量应力应变测量第一节第一节 应力应变测量应力应变测量对臂相加,邻臂相减。对臂相加,邻臂相减。第一节第一节 应力应变测量应力应变测量1、单向应力、单向应力第一节第一节 应力应变测量应力应变测量三、贴片方位与应力应变计算三、贴片方位与应力应变计算l 应变片应变片R1沿主应力方向粘贴,沿主应力方向粘贴,补偿片补偿片RB贴在相同材质并贴在相同材质并处于相同温度下的补偿件上处于相同温度下的补偿件上lR1 和和 RB组成组成半桥半桥,由应变仪即可测得应变,根据虎克定,由应变仪即可测得应变,根据虎克定律计算应力律计算应力E拉拉(压压)应力应力弯曲
7、应力弯曲应力1、单向应力、单向应力第一节第一节 应力应变测量应力应变测量三、贴片方位与应力应变计算三、贴片方位与应力应变计算l 也可把补偿片也可把补偿片RB粘贴在被测构件上,粘贴在被测构件上,RB垂直于受力方向垂直于受力方向粘贴,由粘贴,由R1、RB组成半桥,此时应变仪测得的应变值为组成半桥,此时应变仪测得的应变值为 (1)仪拉拉(压压)应力应力2、平面应力状态、平面应力状态l 构件表面上的力,除纯拉伸(压缩)及构件的棱边属构件表面上的力,除纯拉伸(压缩)及构件的棱边属单向应力状态外,都是平面应力状态。单向应力状态外,都是平面应力状态。1)主应力方向已知主应力方向已知l 承受内压的薄壁圆筒形容
8、器的筒体,系处于平面应力承受内压的薄壁圆筒形容器的筒体,系处于平面应力状态下,其状态下,其主应力方向是已知的主应力方向是已知的。l 只需沿两个互相垂直的主应力方向上各贴一片应变片,只需沿两个互相垂直的主应力方向上各贴一片应变片,另外再采取温度补偿措施,就可以直接测出主应变和。另外再采取温度补偿措施,就可以直接测出主应变和。第一节第一节 应力应变测量应力应变测量第一节第一节 应力应变测量应力应变测量)(12121E)(11222Ea.薄壁压力容器薄壁压力容器主应力与压力方向一致主应力与压力方向一致l沿两垂直主应力方向上各贴沿两垂直主应力方向上各贴一片应变片,另外再采取温一片应变片,另外再采取温度
9、补偿措施,就可以直接测度补偿措施,就可以直接测出主应变。出主应变。第一节第一节 应力应变测量应力应变测量b.纯扭轴表面应力纯扭轴表面应力两主应力两主应力 1、3大小相等,方向相大小相等,方向相反,并与轴线成反,并与轴线成450和和1350 3)未知主应力方向未知主应力方向l 在测点处,设定在测点处,设定 x、y坐标方向坐标方向2sin22cos22xyyxyx第一节第一节 应力应变测量应力应变测量l 对任意三个已知方向对任意三个已知方向1、2、3进行应变测量进行应变测量相应相应i 三个三个方程方程联立求解得出联立求解得出x、y方向应变方向应变x,y,xy 测点处主应变测点处主应变1,2和主应变
10、方向和主应变方向 12221()221arctan2xyxyxyxyxy第一节第一节 应力应变测量应力应变测量l 实际应用实际应用取取1,2,3为特殊角,如为特殊角,如00,450,900或或00,600,1200,做成,做成应变花。应变花。第一节第一节 应力应变测量应力应变测量l 在在主应力方向可大致分析出主应力方向可大致分析出来来的情况下,一般采用的情况下,一般采用 45应应变花,将互成变花,将互成90的两个应变的两个应变片沿大致确定的主应力方向粘片沿大致确定的主应力方向粘贴,这样感受的应变信号较大,贴,这样感受的应变信号较大,可以减小测量误差。可以减小测量误差。l 60应变花宜用在应变花
11、宜用在主应力主应力方向完全不清楚方向完全不清楚的情况下,的情况下,因为三个应变片与主应力方因为三个应变片与主应力方向靠近的机会大,感受的应向靠近的机会大,感受的应变值也较大,因而可以得到变值也较大,因而可以得到比较精确的结果。比较精确的结果。三片三片450应变花应变花三片三片600应变花应变花 四、组合应力作用下的单项应力测量四、组合应力作用下的单项应力测量了解其中了解其中单项力的作用,而消除其他力的影响。单项力的作用,而消除其他力的影响。基本方法:基本方法:1)利用拉利用拉(压压)、弯、扭主应力的、弯、扭主应力的正负应变特性正负应变特性;2)合理利用合理利用电桥和差特性电桥和差特性。第一节第
12、一节 应力应变测量应力应变测量第一节第一节 应力应变测量应力应变测量测拉力测拉力测弯矩测弯矩l 拉(压)弯组合拉(压)弯组合l 弯曲弯曲R1、R2同向变化时,对臂相加,邻臂相减。同向变化时,对臂相加,邻臂相减。R1、R2反向变化时,邻臂相加,对臂相减。反向变化时,邻臂相加,对臂相减。温度补偿片温度补偿片测转矩测转矩第一节第一节 应力应变测量应力应变测量l 扭转扭转纯扭轴表面应力纯扭轴表面应力两主应力大小相等,方向相反,并与轴线成两主应力大小相等,方向相反,并与轴线成450和和1350 l 拉(压)弯扭组合拉(压)弯扭组合第一节第一节 应力应变测量应力应变测量例题:例题:如图所示,在一受拉弯综合
13、作用的构件上贴有如图所示,在一受拉弯综合作用的构件上贴有四个电阻应变片,试分析如何组桥才能进行下述测试:四个电阻应变片,试分析如何组桥才能进行下述测试:(1)只测弯矩,消除拉应力的影响;只测弯矩,消除拉应力的影响;(2)只测拉力,消只测拉力,消除弯矩的影响。求:各应变片感受的应变以及电桥的除弯矩的影响。求:各应变片感受的应变以及电桥的输出电压?输出电压?第一节第一节 应力应变测量应力应变测量(1)只测弯矩)只测弯矩l 设构件上表面因弯矩产生的应变为设构件上表面因弯矩产生的应变为,材料泊松比为,材料泊松比为,供桥,供桥电压为电压为u0,应变片灵敏度系数为,应变片灵敏度系数为K,各应变片感受各应变
14、片感受弯应变弯应变:l 电桥输出电压电桥输出电压第一节第一节 应力应变测量应力应变测量(2)只测拉力)只测拉力l 设构件上表面因拉力产生的应变为设构件上表面因拉力产生的应变为,材料泊松比为,材料泊松比为,供桥,供桥电压为电压为u0,应变片灵敏度系数为,应变片灵敏度系数为K,各应变片感受各应变片感受拉应变拉应变:l 电桥输出电压电桥输出电压五、应力应变测量系统五、应力应变测量系统第一节第一节 应力应变测量应力应变测量l 静态测量:静态测量:获取构件的应力应变分布资料,检验强获取构件的应力应变分布资料,检验强度储备,研究局部位置的应力集中,所受载荷状况。度储备,研究局部位置的应力集中,所受载荷状况
15、。l 动态测量:动态测量:获取应变随时间的变化过程。获取应变随时间的变化过程。l 应力应变测量系统除必要的应变片、动态应变仪外,应力应变测量系统除必要的应变片、动态应变仪外,还必须配备相应的记录装置。还必须配备相应的记录装置。l 由于被测应变的频率变动范围不同,而各种动态应由于被测应变的频率变动范围不同,而各种动态应变仪和记录器的频率适用范围都有限制,因此应根据变仪和记录器的频率适用范围都有限制,因此应根据测量应变频率测量应变频率的需要选择合适的测量仪器系统。的需要选择合适的测量仪器系统。l 动态应变测量系统动态应变测量系统第一节第一节 应力应变测量应力应变测量应变片应变片静动态应变仪静动态应
16、变仪动态应变仪动态应变仪超动态应变仪超动态应变仪磁带记录仪磁带记录仪光线示波器光线示波器电子示波器电子示波器笔式记录仪笔式记录仪计算机计算机照相机照相机滤波器滤波器频谱分析仪频谱分析仪0-200Hz0-10kHz200kHz0-10kHz0-80Hz0-1MHz0-5kHzl 根据根据测量应变频率测量应变频率的需要选择合适的测量仪器系统。的需要选择合适的测量仪器系统。l 注意仪器之间注意仪器之间阻抗匹配阻抗匹配问题。问题。六、提高测量精度的措施六、提高测量精度的措施第一节第一节 应力应变测量应力应变测量1 1)选择合适的仪器并准确标定;)选择合适的仪器并准确标定;2 2)消除导线电阻的影响;)
17、消除导线电阻的影响;3 3)补偿温度影响;)补偿温度影响;4 4)修正应变片横向效应;)修正应变片横向效应;5 5)减小应变片贴片误差;)减小应变片贴片误差;6 6)减小应变片动态响应和疲劳寿命影响。)减小应变片动态响应和疲劳寿命影响。第一节第一节 应力应变测量应力应变测量l 根据测试对象选择静、动态特性满足要求的仪根据测试对象选择静、动态特性满足要求的仪器,并在实测之前对仪器及组成的测试系统进行器,并在实测之前对仪器及组成的测试系统进行标定标定,准确地确定输入输出的量值关系;,准确地确定输入输出的量值关系;l 测定系统的频率响应;以及环境因素对灵敏度测定系统的频率响应;以及环境因素对灵敏度的
18、影响等。的影响等。l 标定时的条件力求与工作条件一致。标定时的条件力求与工作条件一致。1 1)选择合适的仪器并准确标定)选择合适的仪器并准确标定第一节第一节 应力应变测量应力应变测量2 2)消除导线电阻引起的影响)消除导线电阻引起的影响/()LRRRK仪/R RK(1)LRR仪设应变片用两根导线连接到测量仪器,电阻为设应变片用两根导线连接到测量仪器,电阻为LR 结论:导线电阻的存在使应变测量值变小修正。单臂 2(1)rR仪(1)rR仪半桥 每个应变片用两根长导线与应变仪连接 每个应变片仅用一根长导线与每个应变片仅用一根长导线与仪器连接,另一端采用一根公仪器连接,另一端采用一根公共导线方式。共导
19、线方式。全桥:导线电阻不影响任何桥臂电阻,无需修正。第一节第一节 应力应变测量应力应变测量3 3)补偿温度影响)补偿温度影响121()ttK 仪第一节第一节 应力应变测量应力应变测量3 3)补偿温度影响)补偿温度影响l 原理:原理:温度变化总是同时作用在应变片和试件上。温度变化总是同时作用在应变片和试件上。l 桥路补偿法:桥路补偿法:将两个同样的应变片,分别贴在被测将两个同样的应变片,分别贴在被测试件的应变部位和与被测件同材料同温度但不受力的试件的应变部位和与被测件同材料同温度但不受力的补偿件上,分别作为电桥的工作臂和补偿臂,两桥臂补偿件上,分别作为电桥的工作臂和补偿臂,两桥臂相邻连接,其温度
20、变化引起的电桥输出为零,起到温相邻连接,其温度变化引起的电桥输出为零,起到温度补偿作用。度补偿作用。温度补偿片温度补偿片第一节第一节 应力应变测量应力应变测量4 4)应变片横向效应的修正)应变片横向效应的修正 l 应变片的敏感栅除纵向部分外,还有圆弧形或直线应变片的敏感栅除纵向部分外,还有圆弧形或直线形的形的横向部分横向部分。l 横向部分既对应变片轴线方向的应变敏感,又对垂横向部分既对应变片轴线方向的应变敏感,又对垂直于轴线方向的横向应变敏感,从而降低了应变片的直于轴线方向的横向应变敏感,从而降低了应变片的灵敏系数,这就是应变片的灵敏系数,这就是应变片的横向效应横向效应,其影响程度以,其影响程
21、度以横向效应系数横向效应系数表示。表示。第一节第一节 应力应变测量应力应变测量横向效应误差横向效应误差 l 横向效应系数横向效应系数H:横向灵敏系数与纵向灵敏系数的横向灵敏系数与纵向灵敏系数的比值称为,其数值由实验确定。比值称为,其数值由实验确定。100%()100%1yixyHxxHH第一节第一节 应力应变测量应力应变测量5 5)减小贴片误差)减小贴片误差 l 应变片粘贴后的方向如果与测点要求的方向不完全应变片粘贴后的方向如果与测点要求的方向不完全重合,也会给测量结果带来误差。重合,也会给测量结果带来误差。沿预定被测方向的应变 1212cos222实际测出应变为 1212cos2()22 应
22、变测量误差应变测量误差 12()sin(2)sin 第一节第一节 应力应变测量应力应变测量6 6)应变片动态响应和疲劳寿命影响)应变片动态响应和疲劳寿命影响 l 由于应变片基底和粘结的胶层很薄,应变从构件表由于应变片基底和粘结的胶层很薄,应变从构件表面传递到敏感栅的时间很短,时间常数为微秒级,可面传递到敏感栅的时间很短,时间常数为微秒级,可以认为对应变是立即响应的。以认为对应变是立即响应的。l 如果如果被测动态应变的频率远小于应变片允许的极限被测动态应变的频率远小于应变片允许的极限频率频率,则应变片的动态误差可忽略不计。,则应变片的动态误差可忽略不计。l 若若测点的应变变化频率较快测点的应变变
23、化频率较快,测量的时间较长,应,测量的时间较长,应变片所经受的应变循环次数也就很多。在这种情况下,变片所经受的应变循环次数也就很多。在这种情况下,要求选用的应变片具有较高的疲劳寿命。要求选用的应变片具有较高的疲劳寿命。l 此外,对于动态应变测量,应特别注意应变片引线此外,对于动态应变测量,应特别注意应变片引线与测量导线的与测量导线的可靠连接可靠连接,以及导线的,以及导线的牢固安装与保护牢固安装与保护,以保证测量的持续与可靠。以保证测量的持续与可靠。随机载荷随机载荷 通过力和转矩的测量,了解和研究零件通过力和转矩的测量,了解和研究零件/构件内部受力情况和构件内部受力情况和工作状态,为改进设计和提
24、高设备性能提供依据。工作状态,为改进设计和提高设备性能提供依据。一、力的测量方法一、力的测量方法 直接比较法和间接比较法直接比较法和间接比较法 1 1、直接比较法、直接比较法 根据力的平衡原理,与基准量直接比较。根据力的平衡原理,与基准量直接比较。l 例如:例如:天平秤重天平秤重基于静态重力或力矩平衡;基于静态重力或力矩平衡;l 特点:特点:简单易行,测量精度较高,简单易行,测量精度较高,适用于静态测量适用于静态测量。l 缺点:缺点:力值大时不易加载。力值大时不易加载。第二节第二节 力测量力测量2 2、间接比较法、间接比较法将被测力通过转换元件成比例地转换为其他物理将被测力通过转换元件成比例地
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