实验力学盖秉政第4章应变片

实验一金属箔式应变片——单臂电桥性能实验一、实验目的了解金属箔式应变片的应变效应及单臂电桥工作原理和性能。

二、基本原理电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应。

描述电阻应变效应的关系式为：ΔR／R＝Kε式中：ΔR／R 为电阻丝电阻相对变化，K 为应变灵敏系数，ε=ΔL/L为电阻丝长度相对变化。

金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它反映被测部位受力状态的变化。

电桥的作用是完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。

单臂电桥输出电压Uo1= EKε/4。

三、实验器材主机箱(±4V、±15V、电压表)、应变传感器实验模板、托盘、砝码、万用表、导线等。

图2-1 应变式传感器安装示意图如图2-1，将托盘安装到应变传感器的托盘支点上，应变式传感器（电子秤传感器）已安装在应变传感器实验模板上。

传感器左下角应变片为R1，右下角为R2，右上角为R3，左上角为R4。

当传感器托盘支点受压时，R1、R3 阻值增加，R2、R4 阻值减小。

如图2-2，应变传感器实验模板中的R1、R2、R3、R4为应变片。

没有文字标记的5 个电阻是空的，其中4 个组成电桥模型是为实验者组成电桥方便而设的。

传感器中4片应变片和加热电阻已连接在实验模板左上方的R1、R2、R3、R4 和加热器上。

可用万用表进行测量判别，常态时应变片阻值为350Ω，加热丝电阻值为50Ω左右。

四、实验步骤1、根据图2-3 工作原理图、图2-2 接线示意图安装接线。

图2-2 应变传感器实验模板、接线示意图图2-3 单臂电桥工作原理图2、放大器输出调零:将实验模板上放大器的两输入端口引线暂时脱开，再用导线将两输入端短接(Vi＝0)；调节放大器的增益电位器RW3 大约到中间位置(先逆时针旋到底，再顺时针旋转2 圈)；将主机箱电压表的量程切换开关打到2V 档，合上主机箱电源开关；调节实验模板放大器的调零电位器RW4，使电压表显示为零。

实验力学基础实验指导书河海大学力学与材料学院力学系2015年3月实验一 应变片灵敏系数的标定（一）一、 目的与要求1、熟悉应变片质量的检验方法2、熟悉电阻应变仪的使用与操作技术3、熟悉应变片1/4桥、半桥，并测出各种桥路应变与输出电压间的关系4、了解应变片灵敏系数的设置对测量值的影响4、掌握应变片灵敏系数的标定方法，并确定其误差。

二、应变片灵敏系数的标定原理根据灵敏系数的定义εR R K ∆=（1.1） εK R R =∆ （1.2） 若能测出被测点的应变ε，再测出应变片相应的电阻变化ΔR/R 便可确定K 值。

但这需要精度高、量程大的量测电阻R 的设备。

但由式（1.2）可以看出通过量测ε仍可量测电阻的变化ΔR/R 。

求出单个应变片的灵敏系数后，便可计算抽样应变片灵敏系数的平均值，可用此平均值来表示这批应变片灵敏系数的标定值。

另方面根据桥路原理：i i K K εε指=得：εεii K K 指= （1.3）式中 i K —单个应变片的灵敏系数片；指K —应变仪灵敏系数值（一般取指K =2.00）； i ε—加载或卸载时应变读数值；ε—构件表面真实应变值（由百分表测出）。

三、标定设备与装置应变片灵敏系数的标定，通常采用纯弯曲梁或等强度梁。

它们的共同特点是单向应力状态。

在标定工作段内应变相等，而且可用理论式精确计算应变值的大小。

纯弯曲梁标定装置如图1.1，等截面矩形直梁，简支于两个支座上。

荷载通过砝码钩对称地加在梁上，梁中间部分产生纯弯曲。

这时梁上、下表面的应变大小相等，符号相反。

在梁中点处安置百分表，以便量测梁在荷载作用下中点的挠度。

根据所测挠度值，就可以计算对应的应变值。

实验时桥路分别用1/4桥、半桥进行多点测量，桥路图如图1.2所示。

四、进行方法1、 应变片在使用前进行以下几项基本性能的检验（1）几何尺寸及外观 几何尺寸应一致，标距长度符合要求。

丝栅平直，排列整齐，无锈斑。

（2）初始电阻 应逐片量测应变片的初始电阻。

绪论1 .举例说明什么是测试？答：(1) 测试例子：为了确定一端固定的悬臂梁的固有频率，我们可以采用锤击法对梁进行激振，再利用压电传感器、电荷放大器、波形记录器记录信号波形，由衰减的振荡波形便可以计算出悬臂梁的固有频率。

（2）结论：由本例可知：测试是指确定被测对象悬臂梁的属性—固有频率的全部操作，是通过一定的技术手段—激振、拾振、记录、数据处理等，获取悬臂梁固有频率的信息的过程。

2. 测试技术的任务是什么？答：测试技术的任务主要有:通过模型试验或现场实测，提高产品质量；通过测试，进行设备强度校验，提高产量和质量；监测环境振动和噪声，找振源，以便采取减振、防噪措施；通过测试，发现新的定律、公式等；通过测试和数据采集，实现对设备的状态监测、质量控制和故障诊断。

3. 以方框图的形式说明测试系统的组成，简述主要部分的作用。

（1）测试系统方框图如下：（2）各部分的作用如下：传感器是将被测信息转换成某种电信号的器件；信号的调理是把来自传感器的信号转换成适合传输和处理的形式；信号处理环节可对来自信号调理环节的信号，进行各种运算、滤波和分析；信号显示、记录环节将来自信号处理环节的信号显示或存贮。

模数（A/D）转换和数模（D/A）转换是进行模拟信号与数字信号相互转换，以便用计算机处理。

4.测试技术的发展动向是什么?传感器向新型、微型、智能型方向发展；测试仪器向高精度、多功能、小型化、在线监测、性能标准化和低价格发展；参数测量与数据处理向计算机为核心发展；第一章1 求周期方波的傅立叶级数（复指数函数形式），画出|c n|-w和j-w图。

解：(1)方波的时域描述为：(2) 从而：2 . 求正弦信号的绝对均值和均方根值。

解(1)(2)3.求符号函数和单位阶跃函数的频谱。

解：(1)因为不满足绝对可积条件，因此，可以把符合函数看作为双边指数衰减函数：其傅里叶变换为：(2)阶跃函数：4. 求被截断的余弦函数的傅里叶变换。

解：(1)被截断的余弦函数可以看成为：余弦函数与矩形窗的点积，即：(2)根据卷积定理，其傅里叶变换为：5.设有一时间函数f(t)与其频谱如图所示。

实验三金属箔式应变片性能—半桥单臂一. 实验目的1.观察、了解金属箔式应变片的结构及粘贴方式，验证电桥工作的平衡条件。

2.记录应变梁的输入和输出关系，计算相关的静态特性指标。

二. 实验所需仪器及部件直流稳压电源（±4V）、电桥、差动放大器、测微头、箔式应变片、电压表、CSY系列传感器系统实验仪。

三. 实验步骤1. 调零。

差动放大器增益最大（顺时针方向旋到底，约为100倍），正、负输入端用实验线对地短路，输出端接电压表（0.5V档），开启仪器总电源并预热数分钟，用调零电位器调整差动放大器输出电压为零后，将电压表量程转到50mV档，重新调零。

调零结束后，关闭仪器总电源，拔掉实验线。

调零后该调零电位器位置不要变化。

2.测微仪装于悬梁臂前端的永久磁钢上，调节使应变梁处于基本水平状态，观察梁上的应变片的结构及粘贴方式。

3.按图1将实验部件用实验线连接成测试电桥。

桥路中R1、R2、R3为固定电阻，W D为直流电桥调平衡电位器，R为应变片（可任选上、下梁中的一片为工作片）。

直流激励电源为±4V。

4.将电压表量程转到0.5V档。

确认接线无误后开启仪器总电源，并预热数分钟。

旋转测微仪使得悬梁臂处于水平状态，调整W D的调零旋钮，使得输出电压为零，即电压表指示为零后，再将电压表量程转到50mV档，微调W D，使得输出电压为零。

5.旋转测微仪，带动悬梁臂分别向上和向下各移动4mm，每移动1mm记录一次电压表示值，将数据填入表格中，正、反行程共五组，同时根据灵敏度公式初略估算所测量的五组数据是否可靠。

若误差较大，分析原因，找出故障后，重新测量。

6.重新调整电桥调零电位器W D的调零旋钮，使得输出电压为零后关闭仪器总电源，用数字万用表测量并记录电桥各臂的电阻值和W D的两个阻值。

-图1 电桥电路四. 实验注意事项（实验前必须认真阅读）1.实验前应检查实验接插线是否完好，连接电路时应尽量使用较短的接插线，以避免引入干扰。

实验四金属箔式应变片性能——全桥四臂实验一、实验目的:了解金属箔式应变片,半桥单、双臂测量电路的工作原理和工作情况。

二、实验原理:本实验说明箔式应变片及半桥单、双臂直流电桥的原理和工作情况。

电阻应变片是最常用的测力传感元件。

当用应变片测试时,应变片要牢固地粘贴在力敏感物体(测件表面,当测件受力发生形变(即为应变,应变片的敏感栅随同变形,其电阻也随之发生相应的变化,通过测量电路,转换成电信号输出显示。

电桥电路是最常用的非电量电测电路中的一种,当电桥平衡时,桥路对臂电阻乘积相等,电桥输出为零,在桥臂四个电阻R 1、R 2、R 3、R 4中,电阻的相对变化率分别为11R R ∆、22R R ∆、33R R ∆、44R R ∆,当使用一个应变片时, RR R ∆=∑ ;当二个应变片组成差动状态工作,则有R R R ∆=∑2 ;用四个应变片组成二个差动对工作,且R 1=R 2=R 3=R 4=R ,R R R ∆=∑4。

由此可知,单臂、半桥、全桥电路的灵敏度依次增大。

三、所需单元及部件:直流稳压电源、电桥、差动放大器、双平行梁、四片应变片、F/V 表、主、副电源。

四、旋钮初始位置:直流稳压电源打到±2V 档,F/V 表打到2V 档,差动放大增益最大。

五、实验步骤:(1、了解所需单元、部件在实验仪上的所在位置,观察梁上的应变片,应变片为棕色衬底箔式结构小方薄片。

上下二片梁的外表各贴二片受力应变片。

(2、将差动放大器调零:用连线将差动放大器的正(+、负(-、地短接。

将差动放大器的输出端与F/V 表的输入插口V i 相连;开启主电源;调节差动放大器的增益到最大位置(顺时针将差动放大器的增益旋钮调整到最大,然后调整差动放大器的调零旋钮,直至使F/V 表显示为零。

关闭主电源,并将差动放大器的正(+、负(-极短接线全部撤去。

(3、电桥的调零:根据如图1接线。

R 1、R 2、R 3、R 4为应变片。

将稳压电源的切换开关置±4V 档,F/V 表置2v 档。

实验二十五直流电桥与金属箔式应变片性能一、实验目的1.了解金属箔式应变片、单臂电桥的工作原理和工作情况。

2.验证金属箔式应变片单臂、半桥、全桥的性能及其相互关系。

二、实验所需部件CSY10B传感器系统实验仪、应变式传感器、金属箔式应变片、铜质砝码、电桥模块、差动放大器、数显电压表。

三、实验原理1、电阻应变式传感器简介1.1、电阻应变式传感器的结构将电阻应变片粘贴到各种弹性敏感元件上，可构成测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数的电阻应变式传感器。

电阻应变式传感器由弹性敏感元件与电阻应变片构成。

弹性敏感元件在感受被测量（如受力）时将产生变形，其表面产生应变。

粘贴在种弹性敏感元件上的电阻应变片的电阻值也产生相应的变化。

电阻应变片的作用实际上就是传感器中的转换元件。

1.2、电阻应变片的工作原理金属的应变效应：金属丝的电阻随着它所受的机械变形（拉伸或压缩）的大小而发生相应变化的现象称为“金属的电阻应变效应”。

利用金属应变效应制造的电阻应变片常见的有“丝式”和“箔式”。

这种应变片电阻温度系数较小，但灵敏度较低。

半导体压阻效应：半导体材料的电阻随作用应力而变化。

利用半导体压阻效应制造的电阻应变片一般为“单根状”。

这种应变片灵敏度较高，但电阻温度系数较大。

此外还有“薄膜应变片”，是一种很有前途的新型应变片。

1.3、电阻应变片的主要参数（1）电阻值R0指未安装的应变片，在不受外力的情况下，室温条件下测定的电阻值，也称原始值。

应变片的电阻值趋于标准化，有60Ω、120Ω、350Ω、600Ω、1000Ω等等，其中120Ω为最常用。

10Ω。

（2）绝缘电阻：一般应大于10（3）灵敏系数KI（4）允许电流Max2、测量原理电阻丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：εK RRR =∆∑＝（1） 式中，RR R ∆∑＝为电阻丝电阻相对变化量，K 为应变灵敏系数,l l∆=ε为电阻丝长度相对变化量。