材料力学实验指导书(1)(5)

图1－1 微控万能材料试验机结构简图

1-主机；2－滚珠丝杠；3－活动横梁；4－齿轮传动机构； 5－ 伺服电机；6－试件；

7－光电位移编码器；8－力传感器；9－电子引伸计；10－点动控制按钮

附录2 组合式材料力学多功能实验台

一、构造及工作原理 1．外形结构

实验台为框架式结构，分前后两片架，其外形结构如图2-1。

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前面 后面 图2-1 组合式材料力学多功能实验台外形结构图

1.传感器； 2.弯曲梁附件； 3.弯曲梁； 4.三点挠度仪；5.千分表（用户需另配）； 6.悬臂梁附件； 7.悬臂梁；8.扭转筒； 9.扭转附件； 10.加载机构； 11.手轮；12.拉伸附件； 13.拉伸试件； 14.可调节底盘

2．加载原理

加载机构为内置式，采用蜗轮蜗杆及螺旋传动的原理，在不产生对轮齿破坏的情况下，对试件进行施力加载，该设计采用了两种省力机械机构组合在一起，将手轮的转动变成了螺旋千斤加载的直线运动，具有操作省力，加载稳定等特点。

3．工作机理

实验台采用蜗杆和螺旋复合加载机构，通过传感器及过渡加载附件对试件进行施力加载，加载力大小经拉压力传感器由力＆应变综合参数测试仪的测力部分测出所施加的力值；各试件的受力变形，通过力＆应变综合参数测试仪的测试应变部分显示出来。 二、注意事项

1. 每次实验最好先将试件摆放好，仪器接通电源，打开仪器预热约20分钟左右，讲完课再作实验。

2. 各项实验不得超过规定的终载的最大拉压力。

3. 加载机构作用行程为50mm，手轮转动快到行程末端时应缓慢转动，以免撞坏有关定位件。 4. 所有实验进行完后，应释放加力机构，最好拆下试件，以免闲杂人员乱动损坏传感器和有关试件。

5. 蜗杆加载机构每半年或定期加润滑机油，避免干磨损，缩短使用寿命。

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附录3 电测法的基本原理

电测法的基本原理是用电阻应变片测定构件表面的线应变，再根据应变—应力关系确定构件表面应力状态的一种实验应力分析方法。这种方法是将电阻应变片粘贴的被测构件表面，当构件变形时，电阻应变片的电阻值将发生相应的变化，然后通过电阻应变仪将此电阻变化转换成电压（或电流）的变化，再换算成应变值或者输出与此应变成正比的电压（或电流）的信号，由记录仪进行记录，就可得到所测定的应变或应力。

电测法的优点：

（1）测量灵敏度和精度高。其最小应变为1με（με—微应变，1με=10-6ε）。在常温静态测量时，误差一般为1～3%；动态测量时，误差在3～5%范围内。

（2）测量范围广。可测±1～2×104με;力或重力的测量范围10-2～105N等。 （3）频率响应好。可以测量从静态到数105Hz动态应变。 （4）轻便灵活。在现场或野外等恶劣环境下均可进行测试。

电测法测量电路及其工作原理

1． 电桥基本特性

通过电阻应变片可以将试件的应变转换成应变片的电阻变化，通常这种电阻变化很小。测量电路的作用就是将电阻应变片感受到的电阻变化率△R/R变换成电压（或电流）信号，再经过放大器将信号放大、输出。

测量电路有多种，惠斯登电路是最常用的电路，如图3－1。设电桥各桥臂电阻分别为R1、R2、R3、R4，其中任一桥臂都可以是电阻应变片。电桥的A、C为输入端接电源E，B、D为输出端，输出电压为UBD。

从ABC半个电桥来看，A、C间的电压为E，流经R1的电流为

I1＝E /（R1＋R2）

R1两端的电压降为 B R1 R2 UAB=I1R1=R1E/(R1+R2) UBD同理，R3两端的电

压降为 A C

UAD=I3R3=R3E/(R3+R4) R3 R4 D 因此可得到电桥输出电压为 E 图3－1

UBD= UAB- UAD= R1E/(R1+R2)- R3E/(R3+R4)= (R1R4-R2R3)E/(R1+R2)(R3+R4)

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由上式可知，当

R1R4=R2R3 或 R1/R2＝R3/R4

时，输出电压UBD为零，成为电桥平衡。

设电桥的四个桥臂与粘在构件上的四枚电阻应变片联接，当构件变形时，其电阻值的变化分别为:R1+△R1 、R2+△R2、R3+△R3 、R4+△R4 ，此时电桥的输出电压为

UBD?E(R1??R1)(R4??R4)?(R2??R2)(R3??R3)

(R1??R1?R2??R2)(R3??R3?R4??R4)经整理、简化并略去高阶小量，可得

UBD?ER1R2?R1?R2?R3?R4(???)

R2R3R4(R1?R2)2R1当四个桥臂电阻值均相等时即:R1＝R2＝R3＝R4＝R，且它们的灵敏系数均相同，则将关系式 △R/R＝Kε带入上式，则有电桥输出电压为

UBD?E?R1?R2?R3?R4EK(???)?(?1??2??3??4) （3－1） 4R1R2R3R44由于电阻应变片是测量应变的专用仪器，电阻应变仪的输出电压UBD是用应变值εd直接显示的。电阻应变仪有一个灵敏系数K0，在测量应变时，只需将电阻应变仪的灵敏系数调节到与应变片的灵敏系数相等。则εd = ε,即应变仪的读数应变εd 值不需进行修正，否则，需按下式进行修正

K0 εd ＝ K ε （3－2） 则其输出电压为

UBD?EKEK(?1??2??3??4)??d 444UBD(?1??2??3??4) (3－3) EK由此可得电阻应变仪的读数应变为

?d?式中ε1 、ε2、ε3、ε4 分别为R1、R2、R3、R4感受的应变值。上式表明电桥的输出电压与各桥臂应变的代数和成正比。应变ε的符号由变形方向决定，一般规定拉应变为正，压应变为负。由上式可知，电桥具有以下基本特性：两相邻桥臂电阻所感受的应变ε代数值相减；而两相对桥臂电阻所感受的应变ε代数值相加。这种作用也称为电桥的加减性。

2． 温度补偿

电阻应变片对温度变化十分敏感。当环境温度变化时，因应变片的线膨胀系数与被测构件的线膨胀系数不同，且敏感栅的电阻值随温度的变化而变化，所以测得应变将包含温度变化的影响，不能反映构件的实际应变，因此在测量中必须设法消除温度变化的影响。

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消除温度影响的措施是温度补偿。在常温应变测量中温度补偿的方法是采用桥路补偿法。它是利用电桥特性进行温度补偿的。

（1）补偿块补偿法

把粘贴在构件被测点处的应变片称为工作片，接入电桥的AB桥臂；另外以相同规格的应变片粘贴在与被测构件相同材料但不参与变形的一块材料上，并与被测构件处于相同温度条件下，称为温度补偿片，将它接入电桥与工作片组成测量电桥的半桥，电桥的另外两桥臂为应变仪内部固定无感标准电阻，组成等臂电桥。有电桥特性可知，只要将补偿片正确的接在桥路中即可消除温度变化所产生的影响。

（2）工作片补偿法

这种方法不需要补偿片和补偿块，而是在同一被测构件上粘贴几个工作应变片，根据电桥的基本特性及构件的受力情况，将工作片正确地接入电桥中，即可消除温度变化所引起的应变，得到所需测量的应变。

3． 应变片在电桥中的接线方法

应变片在测量电桥中，利用电桥的基本特性，可用各种不同的接线方法以达到温度补偿；从复杂的变形中测出所需要的应变分量；提高测量灵敏度和减少误差。

（1） 半桥接线方法 ①单臂测量(图3－2a)：

电桥中只有一个桥臂接工作应变片（常用AB桥臂），而另一桥臂接温度补偿片（常用BC桥臂），CD和DA桥臂接应变仪内标准电阻。考虑温度引起的电阻变化，按公式（3－3）可得到应变仪的读数应变为

εd ＝ε1＋ε1 t－ε2 t

由于R1 和R2温度条件完全相同，因此（△R1 / R1）t=（△R2 / R2）t，应变仪的读数为

εd ＝ε1

B B R1 R R1 R2 dUDB A C A C

R3 R4 R3 R4 D D E E

(a)半桥单臂测量 (b)半桥测量

图3－2 半桥电路接线法

dUDB

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②半桥测量（图3－2b）：

电桥的两个桥臂AB和BC上均接工作应变片，CD和DA两个桥臂接应变仪内标准电阻。两工作应变片处在相同温度条件下，（△R1 / R1）t=（△R2 / R2）t，所以应变仪的读数为

εd ＝（ε1＋ε1 t）―（ε2＋ε2 t）＝ε1―ε2

由桥路的基本特性，自动消除了温度的影响，无需另接温度补偿片。

（2） 全桥接线法 ①对臂测量（图3－2c）：

电桥中相对的两个桥臂接工作片（常用AB和CD桥臂），另两个桥臂接温度补偿片。此时，四个桥臂的电阻处于相同的温度条件下，相互抵消了温度的影响。应变仪的读数为

εd ＝（ε1＋ε1 t）―ε2t－ε3t＋（ε4＋ε4 t）＝ε1＋ε4

②全桥测量（图3－2d）：

电桥中的四个桥臂上全部接工作应变片，由于它们处于相同的温度条件下，相互抵消了温度的影响。应变仪的读数为

εd ＝ε1―ε2－ε3＋ε4

B B R1 R2 R1 R2 dUDB A C A C

R3 R4 R3 R4 D D E E

(d)相对桥臂测量 (e)全桥测量

图3－2 全桥电路接线法

（3） 桥臂系数

同一个被测量值，其组桥方式不同，应变仪的读数εd 也不相同。定义测量出的应变仪的读数εd 与待测应变ε之比为桥臂系数，因此桥臂系数B为

B＝εd / ε

dUDB

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