精品等强度悬臂梁静应变测试与分析课程设计.docx
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精品等强度悬臂梁静应变测试与分析课程设计
等强度悬臂梁静应变测试与分析
设计人
学号
指导教师
学院
专业
班级
2013年1月10日
设计名称………………………………………………………1
设计任务………………………………………………………1
设备仪器………………………………………………………1
DH3818静态电阻应变仪介绍………………………………1
设计内容………………………………………………………6
设计原理………………………………………………………6
实验步骤………………………………………………………11
数据及其处理…………………………………………………11
参考文献………………………………………………………18
十、心得体会………………………………………………………18
一、课题设计名称：
静应力测试及分析课程设计
二、设计任务
①静应变力测试系统的搭建
②电桥的连接方式与各自特点
③被测对象的应力，应力的理论计算
④理论计算与测试数据的对比分析
⑤误差分析（包括理论与实际测试）
三、设备仪器
DH3818静态电阻应变仪、常温用电阻应变片、温度补偿片、等强度梁、万用表、质量块、502胶水、酒精、焊锡膏、磨砂皮、焊棒、棉签等。
四、DH3818静态电阻应变仪介绍
（一）、概述
DH3818静态应变测量仪由数据采集箱、微型计算机及支持软件组成。
可自动、准确、可靠、快速测量大型结构、模型及材料应力试验中多点的静态应变（应力）值。
广泛应用于机械制造、土木工程、桥梁建设、航空航天、国防工业、交通运输等领域。
若配接适当的应变式传感器，也可对多点静态的力、压力、扭矩、位移、温度等物理量进行测量。
特点：
手控状态时，大屏数码管显示测量通道和输入应变量，且可通过功能键设置显示通道、修正系数及平衡操作；
自动平衡：
内置120Ω标准电阻，1／4桥（公用补偿）、半桥、全桥连接方便。
（二）、技术指标
1、测量点数：
有可测10点和20点两种，每台计算机可控制十六台静态应变测量仪；
2、程控状态下采样速率：
10测点/秒；
3、测试应变范围：
±19999
；
4、分辨率：
1
；
5、系统不确定度：
不大于0.5%±3
；
6、零漂：
≤4
/2h（程控状态）；
7、自动平衡范围：
±15000
，灵敏度系数K＝2.00，120Ω应变计阻值误差的±1.5%；
8、测量结果修正系数范围：
0.0000～9.9999（手动状态）；
9、适用应变计电阻值：
50～10000Ω；
10、应变计灵敏度系数：
1.0～3.0可进行任意修正；长导线电阻修正范围：
0.0～100Ω；
11、交流电源电压：
220V±10％，50Hz±2％；
12、仪器功率：
约15W；
（三）、工作原理
测量原理：
以1/4桥、120Ω桥臂电阻为例对测量原理加以说明。
如图1所示：
图1测量原理
图中：
Rg—测量片电阻，R—固定电阻，KF—低漂移差动放大器增益，
因Vi=0.25EgKε，
即Vo=KFVi=0.25KFEg
，
所以
（1）
式中：
Vi—直流电桥的输出电压；
—桥压（V）；
K—应变计灵敏度系数；
ε—输入应变量（
）；
Vo—低漂移仪表放大器的输出电压（μV）；
KF—放大器的增益；
当Eg=2.000VK=2.00时ε=Vo/KF（
）
对于半桥电路
（2）
对于全桥电路
（3）
这样，测量结果由软件加以修正即可。
（四）、灵敏度系数修正
灵敏度系数的修正：
（4）
式中：
为测量应变量，
为实际应变量。
Ki为应变计灵敏度系数。
长导线的修正
①将工作片用两根长导线接至DH3818（1/4桥公共补偿片）
（5）
式中：
为测量应变量，
为实际应变量。
R为应变计的阻值，
为单根长导线的阻值。
②将工作片和补偿片的一端连接成公共线后再用三根引线至DH3818（半桥连接，1/4桥计算结果）
（6）
式中：
为测量应变量，
为实际应变量。
R为应变计的阻值，
为单根长导线的阻值。
③将工作片接成半桥电路，然后用三根长导线引至DH3818
（7）
式中：
为测量应变量，
为实际应变量。
R为应变计的阻值，
为单根长导线的阻值。
④将应变计接成半桥电路，然后用四根长导线引至DH3818
（8）
式中：
为测量应变量，
为实际应变量。
R为应变计的阻值，
为单根长导线的阻值。
应变计阻值的修正：
①全桥和半桥状态：
桥路为卧桥式，测量结果和等臂桥相同
②1/4桥（公共补偿片）状态：
桥路为立式桥，则：
（9）
式中：
为测量应变量，
为实际应变量，R为应变计的阻值。
五、设计内容
⑴掌握被测对象的结构、材料等特性及其应变力的计算
⑵应变片的粘贴方法及注意事项，电桥的组成
⑶静应变仪的使用方法
⑷电桥的选择及测试数据记录
⑸误差分析方法及分析结果描述
⑹理论及测试过程中的问题及解决方法
六、设计原理
利用电阻应变片作为传感元件，将应变片贴在被测物体上，会随被测物体的变形而拉长或收缩，从而改变应变片电阻值，反映被测物体应变的大小。
待测非电量ε→电阻变化△R→应变值ε
①感受应变：
ε→△R
②测量△R：
应变仪
将应变片的△R→△U或△I
惠斯顿电桥
放大器
输出应变值
静态电阻应变仪的读数
与各桥臂应变片的应变值
有下列关系：
（10）
式中
、
、
、
分别为各桥臂上应变片的应变值。
（一）、静态电阻应变仪测量原理
静态电阻应变仪是依据惠斯顿电桥原理进行测量的。
惠斯顿电桥如图2所示：
图2惠斯顿电桥
若在节点A、C之间给一直流电压VAC，则B、D之间有电压输出VBD，且VBD=（R1R3-R2R4）VAC/（R1+R2）（R3+R4），当R1R3=R2R4时，称电桥满足平衡条件，此时VBD=0，且由该电桥特性知当R1=R2=R3=R4=R时，电桥为全等臂电桥。
dVBD=
（ΔR1/R-ΔR2/R+ΔR3/R-ΔR4/R）（11）
由于电阻应变片有ΔR/R=Kε，上式可写成：
dVBD=K
（ε1-ε2+ε3-ε4）（12）
即是说电桥输出电压与四个桥臂上电阻应变片所产生应变的代数和成正比。
即
4dVBD/KVAB=（ε1-ε2+ε3-ε4）（13）
令4dVBD/KVAB=ε（14）
则ε=（ε1-ε2+ε3-ε4）（15）
这便是静态电阻应变仪测量原理。
同时，也表明了测量电桥的加减特性。
利用电桥的加减特性可以根据不同的测量需求实现单臂、半桥、全桥等测量。
要记住的是静态电阻应变仪的显示值是微应变（με），ε=106με。
（二）、半桥接线与测量
如果应变片R1接于应变仪AB接线柱，温度补偿应变片R2接于BC接线柱，则构成外半桥，如图3。
另内半桥由应变仪内部两个无感绕线电阻组成。
应变仪读出的应变值为：
（16）
图3弯曲应变半桥单补接线与测量图4弯曲应变半桥互补接线与测量
若梁上同一截面处的压区和拉区分别贴应变片R1和R2，接于AB和BC接线柱，则构成半桥，如图4，两电阻应变片即属测量片又互为补偿，应变仪器读出应变值为：
（17）
又假设
，则有：
（18）
（三）、全桥接线与测量
如果梁上同一截面的拉区贴片R1和R3接于AB和CD接线柱，温度补偿应变片R2和R4接于接线柱BC和DA，构成全桥，如图5，应变仪读出应变值为：
（19）
又假设
，则有
（20）
如果梁上同一截面的拉区贴片R1和R3仍接于AB和CD接线柱，而压缩面贴的应变片R2和R4并接于BC和DA接线柱组成全桥，如图56，则应变仪读出应变值为：
（21）
假设
，则有:
（22）
图5弯曲应变全桥单补接线与测量图6弯曲应变全桥互补接线与测量
（四）温度补偿
贴有应变片的构件总是处在某一温度场中的。
当这温度场的温度发生变化时，就会造成应变片阻值的变化；而且当应变片电阻栅a
粘贴剂的线膨胀系数与构件材料的线膨胀系数不同时，应变片就会产生附加应变。
这种现象叫做温度效应。
温度效应造成的电阻相对变化是比较大的。
严重时，每温升1℃，应变仪的指示应变可达几十微应变。
显然，这时虚假的非被测应变，必须设法排除。
消除温度效应影响的措施，叫做温度补偿。
温度补偿较简易的方法是：
将一片规格、材料及灵敏系数与工作应变片
（即贴在构件待测点上的应变片）完全相同的应变片
（称为温度补偿片）粘贴在一块与被测构件材料相同但不受力的试样上（或直接粘贴在构件上不受力而离被测点又较近的部位），并将此试样放在离被测点尽可能接近的位置（处于同一温度场）。
用同一长度、规格的导线，按相同的走向接至应变仪，联成半桥电路，并使工作应变片与温度补偿片处于相邻的桥臂。
这时，工作应变片所反映的应变量
（23）
而由于温度补偿片与工作应变片处于相同温度变化的环境中，但不受力，因此只有温度的应变，即
由于是半桥连接，故
，由
可知，从测量桥上测得的应变值
（24）
于是，应变仪的应变指示器上读得的数值就只是工作应变片
所在测点处受力作用所产生的应变，从而自动消除了环境温度变化对测量结果的影响。
七、实验步骤
1、粘贴应变片
（1）去污：
用粗砂纸除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力，用浸有酒精的脱脂棉球擦洗。
（2）测量：
用万用表测量应变片的完好性。
（3）贴片：
在处理过的粘贴表面上，涂一层均匀的502胶水，用镊子将应变片放上去，并调好位置，然后快速盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排除下面的气泡。
2、用万用表测量应变片在粘贴过程中是否损坏。
3、接线：
将引线和应变片端子用焊锡连接起来组成桥路，注意不要把端子扯断。
4、固定：
联好后将构件与支撑架固定在一起。
5、开启应变仪电源开关，打开采集仪，并调整零点。
6、依次在悬臂梁自由端加载，从应变仪上读出数据，并记录数据。
7、数据处理分析。
八、数据及其处理
单臂电桥测量方式与数据记录
方式二
表1：
1/4桥（方式二）
质量
应变（
）
次数
一
二
三
平均值
0.5kg
①
158
158
160
158.6
②
126
129
127
127.3
③
-134
-133
-134
-133.6
④
-144
-147
-143
-144.6
1kg
①
343
342
344
343
②
270
271
272
271
③
-286
-285
-286
-285.6
④
-308
-306
-308
-307.3
半桥测量方式与数据记录
方式四
表2：
方式四
次数
测量量
质量
一
二
三
平均值
0.5kg
①④
305
304
300
303
②③
258
262
260
260
1kg
①④
650
652
652
651.3
②③
553
552
555
553.3
全桥测量方式与数据记录
方式六
表3：
全桥（方式六）
质量
应变
（
）
次数
一
二
三
平均值
0.5kg
569
566
564
566.3
1kg
1216
1215
1213
1214.6
关于悬臂梁的数据测量与记录
选取应变片上下对称并在同一位置。
h代表厚度，b1代表前应变片所在位置宽度，
b2代表后应变片所在位置宽度，X1代表前应变片中心距离自由力端的距离，X2表示后应变片中心距离自由力端的距离。
表4：
板的参数
测量量（cm）
次数
第一次
第二次
第三次
平均值
h
0.20
0.21
0.20
0.20
b1
5.99
6.00
6.01
6.00
b2
8.30
8.32
8.29
8.30
X1
17.39
17.37
17.38
17.38
X2
29.67
29.69
29.69
29.68
数据处理
实验采用的是碳钢（45号钢）的弹性模量在196---216Gpa之间，
故取弹性模量。
E=196Gpa。
查材料力学资料得：
公式一：
单臂梁的抗弯截面系数
公式二：
贴应变片位置的弯矩为
M=
公式三：
公式四：
综合上面有：
，则把以上数据代入公式有：
（1）在１/４桥中加砝码为0.5kg时,①④处应变计算如下：
＝
（2）在1/4桥中加砝码为1kg时得：
=275.4
可得1/4桥的灵敏度为如表：
表5：
1/4桥灵敏度
项目
应变（
）
测量值
计算值
灵敏度
①
158.6
137.7
1.15
5N
②
127.3
110.9
1.14
③
-133.6
110.9
-1.19
④
-144.6
137.7
-1.05
10N
①
343
275.4
1.24
②
271
221.7
1.22
③
-285.6
221.7
-1.28
④
-307.3
275.4
-1.11
其中误差
由1/4桥测试可知，实际应变值基本在理论应变值的范围中，从而可得出一下结论：
（1）应变片的粘贴基本是正确的
（2）测试过程中的操作步骤是正确的
（3）测试结果符合等强度梁的特征
（4）可继续进行半桥和全桥的实验
表6：
半桥各点灵敏度如表：
项目
应变（
）
测量值
计算值
灵敏度
5N
①④
303
137.7
2.20
②③
260
110.9
2.30
10N
①④
651.3
275.4
2.36
②③
553.3
221.7
2.49
表7：
全桥灵敏度如表：
项目
应变（
）
测量值
计算值
灵敏度
5N
566.3
137.7
4.13
10N
1214.6
275.4
4.41
由1/4桥测试数据可得
加载0.5kg时，其理论值
而半桥测得的平均值为
误差
加载1kg时，其理论值
而半桥测得的平均值为
由半桥数据得：
加载0.5kg时，其理论值
而全桥测得的平均值为
其误差为
加载1kg时，其理论值
而全桥测得的平均值为
其误差为
由上综合可得理论值和测得值基本相近。
说明测量正确，仪器正常。
九、参考文献
[1]王华祥，张淑英.传感器原理及应用（第三版）.天津：
天津大学出版社，2006.
[2]刘鸿文.材料力学（第四版）.北京：
高等教育出版社，2003.
[3]太原科技大学测控技术及仪器教研室.测试技术实验指导书.太原：
太原科技大学，2009.
十、心得体会
通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关材料力学和测试技术等方面的知识，在课程设计中，我们以严谨、科学的求真态度，发挥团队合作精神，共同探讨，分工合作。
在具体的试验过程中，我们也遇到了一些小问题。
在将引线和应变片端子连接起来组成桥路时，由于我们的实践经验缺乏，操作电烙铁不熟练，不仅耽误了很长时间，还造成引线和应变片端子连接不牢靠，无法正常进行试验。
后在老师的帮助和指导下，我们又一次认真地操作起来，后将桥路成功连接。
实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。
过而能改，善莫大焉。
在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。
这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导下，终于游逆而解。
在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可！
课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。
同时，设计让我感触很深。
使我对抽象的理论有了具体的认识。
我认为，在这学期的实验中，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。
更重要的是，在实验课上，我们学会了很多学习的方法。
而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。
要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。
这对于我们的将来也有很大的帮助。
以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。
就像中国提倡的艰苦奋斗一样，我们都可以在实验结束之后变的更加成熟，会面对需要面对的事情。
回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。
实验过程中，也对团队精神的进行了考察，让我们在合作起来更加默契，在成功后一起体会喜悦的心情。
果然是团结就是力量，只有互相之间默契融洽的配合才能换来最终完美的结果。
此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，收获颇丰。
教师评语
内部资料，
请勿外传！
精品资料
好雨知时节，当春乃发生。
随风潜入夜，润物细无声。
野径云俱黑，江船火独明。
晓看红湿处，花重锦官城。
精品资料
序号
名称
规格型号
单位
数量
备注
一
制冷系统
1
压缩机组
4AV10
台
4
2
冷凝器
LN-70
台
1
3
贮氨器
ZA-1.5
台
1
4
桶泵组合
ZWB-1.5
台
1
5
氨液分离器
AF-65
台
1
6
集油器
JY-219
台
1
7
空气分离器
KF-32
台
1
8
紧急泄氨器
JX-108
台
1
9
冷风机
KLL-250
台
8
10
冷风机
KLD-150
台
4
11
冷风机
KLD-100
台
2
12
阀门
套
86
13
电磁阀
套
6
14
管道及支架
吨
18.6
15
管道及设备保温
m3
22
16
管道保温包扎
镀锌板
吨
1.6
17
附件
套
1
二
气调系统
1
中空纤维制氮机
CA-30B
台
1
2
二氧化碳洗涤器
GA-15
台
1
3
气动电磁阀
D100
台
14
4
电脑控制系统
CNJK-406
台
1
5
信号转换器
8线
台
1
6
果心温度探头
台
7
7
库气平衡袋
5m3
个
7
8
库气安全阀
液封式
个
7
9
小活塞空压机
0.05/7
台
1
10
PVC管
套
1
11
附件
套
1
三
水冷系统
1
冷却塔
DBNL3-100
台
2
2
水泵
SBL80-160I
台
2
3
水泵
SBL50-160I
台
2
4
阀门
套
30
5
管道及支架
吨
2.8
6
附件
套
1
四
电仪控系统
1
电器控制柜
套
1
2
照明系统
套
1
3
电线电缆
套
1
4
桥架管线
套
1
5
附件
套
1
升级会员 