一種測(cè)量剛體材料應(yīng)變的組合實(shí)驗(yàn)儀

尹欽 李海彥 鄒艷

摘要：測(cè)定剛體材料的應(yīng)變不僅在工程技術(shù)上而且在科學(xué)研究的許多領(lǐng)域都具有非常重要的地位.現(xiàn)有技術(shù)的剛體材料應(yīng)變實(shí)驗(yàn)儀結(jié)構(gòu)復(fù)雜使用不方便，并且不能消除由于溫度的變化帶來(lái)的測(cè)量誤差.本作品提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便測(cè)量剛體材料應(yīng)變的組合實(shí)驗(yàn)儀，利用直流單臂電橋的平衡條件和電阻應(yīng)變效應(yīng)原理來(lái)測(cè)量剛體材料的微小應(yīng)變，通過(guò)設(shè)置溫度補(bǔ)償片減小了溫度變化所引起的測(cè)量誤差.該實(shí)驗(yàn)儀作為學(xué)生的選修實(shí)驗(yàn)或綜合性實(shí)驗(yàn)可在高校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室推廣應(yīng)用.

關(guān)鍵詞：電橋;應(yīng)變;溫度補(bǔ)償片

中圖分類號(hào)：O348? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2019）01-0019-03

應(yīng)用傳感器法測(cè)量物體微小形變具有響應(yīng)速度快、精度高、便于自動(dòng)控制等特點(diǎn).其測(cè)量原理是將被測(cè)的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成與其成一定比例關(guān)系的電學(xué)量進(jìn)行測(cè)量.常用的傳感器有應(yīng)變電阻傳感器、電容傳感器、電感傳感器、霍爾傳感器和熱電傳感器等[1-2].

本實(shí)驗(yàn)儀采用電阻應(yīng)變式傳感器（簡(jiǎn)稱應(yīng)變片），其工作原理是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)原理.電阻應(yīng)變片由金屬電阻絲制成，將其粘貼在具有彈性的待測(cè)剛體上，當(dāng)待測(cè)剛體由于受到外力而發(fā)生形變時(shí)，應(yīng)變片的敏感柵與待測(cè)剛體一同發(fā)生形變，其電阻值將發(fā)生相應(yīng)的變化，通過(guò)電路將電阻的變化量轉(zhuǎn)換為電壓量或電流量的變化，從而可以實(shí)現(xiàn)將微小的形變轉(zhuǎn)換成電阻的變化來(lái)測(cè)量剛體材料的主應(yīng)變[3-6].該實(shí)驗(yàn)儀操作簡(jiǎn)單，方法有創(chuàng)新性，實(shí)驗(yàn)誤差小，實(shí)驗(yàn)精度高，滿足了綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)要求，可在高校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室推廣應(yīng)用.該實(shí)驗(yàn)技術(shù)在醫(yī)學(xué)、建筑等方面也有著很大的應(yīng)用前景.

1 實(shí)驗(yàn)儀裝置組成

本實(shí)驗(yàn)儀將提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便的剛體材料應(yīng)變組合實(shí)驗(yàn)儀，如圖1和圖2所示：本實(shí)驗(yàn)儀包含惠斯登電橋電路，應(yīng)變片RX固定在懸臂梁3的上面并且與惠斯登電橋電路上的應(yīng)變片接線柱7并聯(lián)，應(yīng)變片RX安裝在夾具2的右側(cè).夾具2固定在底座1上，懸臂梁3固定在夾具2上.懸臂梁3的右端與懸線5上端相接，懸線5的下端與砝碼4相接.溫度補(bǔ)償應(yīng)變片R1固定在懸臂梁3的上面并且與惠斯登電橋電路上的溫度補(bǔ)償接線柱6并聯(lián).溫度補(bǔ)償應(yīng)變片R1安裝在夾具2的左側(cè).

惠斯登電橋電路安裝在底座1的內(nèi)部，惠斯登電橋電路的溫度補(bǔ)償接線柱6和應(yīng)變片接線柱7以及第二電阻R2和第三電阻R3和保護(hù)電阻R的調(diào)節(jié)旋鈕都安裝在底座1的外殼上，檢流計(jì)G和開關(guān)K也要安裝在底座1的外殼上.

應(yīng)變片RX固定在懸臂梁3的上面，并且與惠斯登電橋電路上的應(yīng)變片接線柱7并聯(lián)，應(yīng)變片RX安裝在夾具2的右側(cè)，懸臂梁3固定在夾具2上，懸臂梁3的右端與砝碼4相接，溫度補(bǔ)償應(yīng)變片R1與惠斯登電橋電路上的溫度補(bǔ)償接線柱6并聯(lián)，就可以方便地測(cè)量懸臂梁3在不同受力情況下的電阻變化值，從而計(jì)算出懸臂梁3的應(yīng)變數(shù)值.

在圖2中，電阻R2、R3串聯(lián)后并聯(lián)在保護(hù)電阻R、直流電源E、開關(guān)K串聯(lián)的電路上;溫度補(bǔ)償接線柱6（由兩個(gè)組成）與應(yīng)變片接線柱7（由兩個(gè)組成）串聯(lián)后也并聯(lián)在保護(hù)電阻R、直流電源E、開關(guān)K串聯(lián)的電路上.檢流計(jì)G的上端與溫度補(bǔ)償接線柱6和應(yīng)變片接線柱7的連接點(diǎn)相連，檢流計(jì)G的下端與電阻R2、R3的連接點(diǎn)相連.溫度補(bǔ)償應(yīng)變片R1與溫度補(bǔ)償接線柱6相接;應(yīng)變片RX與應(yīng)變片接線柱7相接.這就形成了一個(gè)惠斯登電橋，其中電阻R2、R3為可調(diào)節(jié)可直接讀數(shù)的高精度電阻箱，保護(hù)電阻R為滑線變阻器（保護(hù)電阻R也可串聯(lián)到檢流計(jì)G電路中去）.本實(shí)驗(yàn)儀把圖2的溫度補(bǔ)償接線柱6和應(yīng)變片接線柱7不接其他器件時(shí)的電路組合簡(jiǎn)稱為惠斯登電橋電路.

2 實(shí)驗(yàn)原理

該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理是利用電阻應(yīng)變式傳感器，將微小的形變信號(hào)轉(zhuǎn)換為電阻阻值的變化來(lái)測(cè)量剛體試件的主應(yīng)變.電阻應(yīng)變片的構(gòu)造是比較簡(jiǎn)單的，將一根具有高電阻金屬細(xì)絲在制片機(jī)上按圖3所示排繞，然后用膠水將其粘結(jié)在兩片薄紙之間并焊上較粗的引出線，這就是常用的絲繞式電阻應(yīng)變片，它一般由敏感柵（即金屬絲）、粘結(jié)劑、基底、引出線和覆蓋層五部分組成.若將電阻應(yīng)變片粘貼在被測(cè)構(gòu)件的表面，當(dāng)金屬絲隨構(gòu)件一起變形時(shí)，其電阻值也隨之變化.

該實(shí)驗(yàn)的具體做法是在剛體試件的兩側(cè)粘貼兩個(gè)電阻應(yīng)變片，將R1處的應(yīng)變片作為溫度補(bǔ)償片，將RX處的應(yīng)變片作為傳感器測(cè)量應(yīng)變片，它們均分布在剛體試件的上表面.將電阻絲制成的電阻應(yīng)變片的兩端接入測(cè)量電路即惠斯登電橋電路中，作為剛體材料微小形變的測(cè)量電路.當(dāng)剛體試件受力變形時(shí)，應(yīng)變片的電阻絲也隨之伸縮，其電阻值也隨之發(fā)生變化，此變化是剛體試件表面應(yīng)變的函數(shù).通過(guò)測(cè)量電阻的阻值變化，進(jìn)而就可以得到剛體試件的表面應(yīng)變.

5 分析討論

該實(shí)驗(yàn)的影響因素主要有應(yīng)變片的安裝位置的變化、測(cè)量?jī)x器的精度以及溫度的變化.由于本實(shí)驗(yàn)主要測(cè)量剛體試件上表面彎曲引起的應(yīng)變，因此應(yīng)變片的位置放置于剛體的上表面以減小實(shí)驗(yàn)誤差.因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中電阻的變化量較小，需用較高精度的微調(diào)電阻箱以使測(cè)量結(jié)果盡可能精確.通過(guò)設(shè)置溫度補(bǔ)償片可以減小由于溫度變化所引起的誤差.在測(cè)量中可以采取多次測(cè)量取平均值的辦法，盡量減小實(shí)驗(yàn)誤差.

6 結(jié)束語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)利用直流單臂電橋的平衡條件和電阻應(yīng)變效應(yīng)原理來(lái)測(cè)量剛體材料的微小應(yīng)變，操作簡(jiǎn)單且精度高，而且將電磁學(xué)與傳感器知識(shí)有機(jī)結(jié)合了起來(lái)，引入實(shí)驗(yàn)室有利于提高學(xué)生的綜合能力.通過(guò)改進(jìn)老式實(shí)驗(yàn)儀器，簡(jiǎn)化操作，讓實(shí)驗(yàn)變得既簡(jiǎn)單易行又獲得了高精度.本實(shí)驗(yàn)儀采用自制儀器，不僅克服了原有儀器的不足，增加了實(shí)驗(yàn)測(cè)量的材料范圍，讓實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虻靡酝茝V到各種材料的應(yīng)變測(cè)量，而且鍛煉了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?chuàng)新能力.

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