实验力学实验指导书1(带图紧凑版)

《实验力学》实验指导书

华中科技大学力学系

二○○八年

目 录

学生实验须知 ............................................. III 实验一 应变片粘贴与防护 ............................... - 1 - 实验二 灵敏系数及横向效应系数标定 ..................... - 2 - 实验三 电桥接法 ....................................... - 5 - 实验四 多点静态应变测量或主应力测量 ................... - 6 - 实验五 位移传感器的标定 ............................... - 7 - 实验六 动态应变测量 ................................... - 7 - 实验七 旋转件应力测量 ................................ - 11 - 实验八 残余应力测量 .................................. - 16 - 实验九 单自由度系统强迫振动幅频特性及阻尼比测试 ...... - 18 - 实验十 静态电阻应变仪校验 ............................ - 20 - 实验十一 动态应变仪性能测定 .......................... - 22 - 实验十二 高温应变片热输出特性和灵敏系数的测定 ........ - 23 -

附录一 YD—21型动态电阻应变仪使用说明 ............... - 25 - 附录二 YJ—28P10R型静态电阻应变仪使用说明............ - 28 - 附录三 YE2538程控静态应变仪使用说明 ................. - 30 -

II

学生实验须知

实验是“实验力学”课程的一个很重要的组成部分，为了确保实验的顺利进行，达到预期的目的，参加实验的学生应做到下列几点：

一、做好实验前的准备工作 1．预习实验指导书。

2．明了与本次实验有关的基本原理，明确实验目的、内容和步骤。 3．对本次实验所需使用的仪器和设备要心中有数，明白其使用方法。 4．清楚地知道本实验所需记录的数据项目以及数据处理方法。 二、遵守实验室规章制度

1．听从指导教师安排，准时参加实验。实验时严肃认真，不大声喧哗。

2．爱护仪器设备，严格遵守操作规程。仪器发生故障时应及时报告。违反操作规程导致仪器设备损坏的要照章赔偿并接受处理。

3．不得任意挪用非本组的仪器设备及试件，不得动用非本次实验所用的仪器设备。 4．实验完成后，应打扫整理现场，恢复原状，经教师同意后方能离开实验室。 三、认真做好实验

1．认真听取指导教师以实验的讲解，积极思考问题。

2．认真仔细地按照要求进行实验，注意观察实验现象。对实验中出现的反常现象同样要进行分析思索。

3．记录下全部所需测量数据，包括仪器设备的型号和编号，试件的材料和尺寸，气候及环境温度等。不得任意更改原始数据。

4．实验小组成员之间应分工合作，确保人人参加动手，完成所有实验环节。 5．实验数据需经教师审查，不符合要求的必须重做。 四、写好实验报告

实验报告是实验的总结，通过书写实验报告可提高学生提出问题、分析问题和解决问题的能力。实验报告应由每个学生独立完成，严禁相互抄袭。实验报告要求形式规范、书面整洁。一般的实验报告应具有下列基本内容。

1．实验名称，日期，气候（温度和温度），实验者及同组人员。 2．实验目的。

3．实验用的仪器、设备的名称，型号和编号。

4．实验原理、方法及步骤简述，试件的材料、尺寸和参数，应变片的位置，电桥接法，实验系统框图。

5．实验数据，运算公式，数据处理结果及不确定度。 6．根据实验中出现的现象以及所得结果进行分析讨论。

编写：匡 健 腾家秀 李 誉

III

实验一 应变片粘贴与防护

一、实验目的

初步掌握常温应变片的粘贴和一般防护技术，并为以后实验做好准备。 二、实验器材 1．常温电阻应变片。 2．数字式万用表一个。

3．钢制等强度梁一个，补偿块一个。 4．502粘结剂，酒精或丙酮。

5．接线端子，聚四氟乙烯塑料薄膜，砂布，剪刀，镊子，脱脂板球，松香，焊锡，电烙铁，钢尺，划针，胶带纸，导线。

6．石蜡或松香、机油混合剂。 7．兆欧表一个。 三、实验步骤

1．选择应变片 从同一包装袋中选取应变片。先用手拿住应变片引线，观察应变片栅丝是否正常，片子上有否霉点或锈斑。然后应用万用电表测量应变片电阻，取电阻差值不超过0.2欧姆的二片应变片作为一组。

2．表面处理 在等强度梁贴片位置上用砂布沿贴片方向成45°方位交叉打磨，使贴片部位光洁无锈蚀、孔隙，随后用脱脂棉球蘸少量丙酮（或酒精）擦洗贴片位置。再按布片方位用划针和钢尺在试件上划定位线，再用棉球蘸丙酮擦洗，直至擦过的棉球不变色为止。

3．贴片 左手捏住应变片的引线，右手将502胶滴在应变片以面，然后将应变片面性放在粘贴位置上并稍稍移动之，使粘结剂均匀布于粘结面上，并使应变片轴线对准定位线。再将一小片聚四氟乙烯塑料膜盖在应变片上，用大姆指在上滚压约一分钟。揭开塑料膜后，检查应变片，它应与试件完全吻合，无气泡、翘曲、脱胶等现象。

4．绝缘 在应变片引线与试件间垫上胶带纸，以免应变片与试件间形成短路。 5．接线 在应变片引线一端用502胶粘贴接线端子，然后将应变片引线与测量导线一端都焊接在接线端子上，焊点要求光滑、小巧，防止虚焊，再用胶带纸将测量导线前端固定在试件上。

6．电阻检查 用万用表检查测量导线两端，其电阻应基本等于应变片电阻值。再用兆欧表测量应变片与试件间绝缘电阻，其阻值应大于50兆欧。

7．防潮 将石蜡覆盖应变片及接线端子上，然后用烙铁将其熔化。也可用松香、机油、石蜡的混合物涂复作为防潮层。

补偿片的粘贴和防护的操作过程与上述相同。

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实验二 灵敏系数及横向效应系数标定

2.1电阻应变片灵敏系数测定

一、实验目的

1．掌握静态电阻应变仪的使用方法。 2．掌握电阻应变片灵敏系数的测定方法。 二、实验器材

1．贴有四片同批类应变片的等强度梁，补偿块和加载装置。 2．静态电阻应变仪。 3．连接导线，螺丝刀。 三、实验原理

粘贴在试件上的应变片，在沿着轴线方向上受有均匀单向应力时，应变片的电阻变化率在一定范围内与试件的应变成正比，其比例常数K即为灵敏系数

?式中?R/R为应变片的电阻变化率，?为试件的应变。通过测量?R/R和?，即可求得灵敏系数。

K??R/R （2－1）

电阻应变片灵敏系数的测量装置如图2所示。试件是一根一端固定，另一端自由的钢质等强度梁，在自由端作用有载荷P，等强度梁表面的应变由下式计算：

??6PLEbh2 （2－2）

式中P为载荷重量，L、b、h分别为梁的长度、底宽和厚度，E为试件材料的弹性模量。

应变片的电阻变化率为静态电阻应变仪测出的应变值?仪和仪器的灵敏系数K仪计算所

?R?K仪?仪得： R （2-3）

四、实验步骤

1．如图2所示，将试件、加载架和砝码盘安装好。

2．将工作片R1接到电阻应变仪的AB桥臂上，补偿片接到应变仪的BC桥臂上。（静态电阻应变仪的使用方法参见附录）

3．按附录所说明的使用方法调节好应变仪。

??R?4．加载50N，记录应变值?1并代入（2-3）式中求得应变片电阻变化率??，再根据

?R?1（2-1）和（2-2）式求得应变片灵敏系数K1，把数据记录于表二中。

- 2 -

??R?R3和R4，5．依次应用工作片R2、进行同样的加载和测量应变值?i，并计算??和Ki，

?R?i(i?2,3,4)。把数据记录于表二中。

6．对Ki取算术平均值K，并由下式计算标准误差

S??(Ki?1ni?K)2n?1

所测电阻应变片的灵敏系数 K?K?S

K?K?2S

（置信度68.3%）

（95%） （99.7%）

K?K?3S

图2 电阻应变片灵敏系数测量装置

1．应变片（工作片） 2．等强度梁 3．砝码 4．应变片（补偿片） 5．补偿块

表二： 实验者： 时间：

同组人员：

温度：

湿度：

应变仪型号和编号：

地点：

应变片规格： 试件参数 L? 应变仪灵敏系数

量 值 物理量 b? h? E?

K仪?

应变片号 R 1 （P?50N） R2 R3 R4 应变值?i(??) 电阻变化率? ??R?? ?R?i灵敏系数Ki 五、思考题

1．采用本方法测量应变片灵敏系数时，产生误差的主要因素是什么？

- 3 -

2．除了本实验中所用等强度梁外，还可用哪些受力型式试件来测定应变片灵敏系数？

2.2 电阻应变片横向效应系数测定

一、实验目的

学习测定电阻应变片横向效应系数的方法。 二、实验器材

1．沿轴向和横向贴有应变片的等强度梁，贴有补偿片的补偿块及加载装置。 2．静态电阻应变仪。 3．导线、螺丝刀。 三、实验原理

如图2所示，沿轴向和横向贴有应变片的等强度梁置于图2所示的加载装置中，当试件受力变形时，R1承受拉应变?1，?2关有?2????1。

图3 应变片横向效应系数测定用试件

当用应变仪测量各应变片的电阻变化率时，有

??R????K仪?1仪?KL?1?KB?2?R?1 （3-1）

??R????K仪?2仪?KL?2?KB?1R??2式中K仪为应变仪灵敏系数设定值， KL为应变片轴向灵敏系数，KB为应变片横向灵敏系数。

将（3-1）中两式相除，并注意到?2????1，以及根据应变片的横向效应系数定义

?1仪K?(1??H)1??HKB?L1?H?，就有 （3-2） ?2仪KL?1(???H)H??KL由式（3-2）可得

H??2仪???1仪?100% （3-3）

?1仪???2仪四、实验步骤

1．将R1与补偿片接入应变仪电桥上，预调应变仪平衡。

2．加载50N，用应变仪测量出R1的应变读数，并记录一表三中，重复三次，应变平均值。

3．将R2与补偿片接入应变电桥上，同样的实验过程进行三次。 表三：

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K仪=

应变片号 载荷应变读数(??) 第三次 应变平均值H（%） （N） 第一次 第二次 (??) R1 R2 五、思考题

你认为还有什么方法可以测量应变片的H值？简述你的设想。

实验三 电桥接法

一、实验目的

1．掌握应变仪的半桥、全桥接法。 2．掌握YE2538程控静态电阻应 变仪使用方法。

3．测量等强度梁上的轴向拉应变。

二、实验器材 图4 电桥接法实验用装置 1．如图4所示上下表面均贴有轴向和横向应变片的等强度梁。 2．YE2538程控静态电阻应变仪。

三、实验原理

静态电阻应变仪测量电桥输出电压U与各桥臂应变片的应变?i(i?1,2,3,4)有下列关系：

U?VK(?1??2??3??4) (4－1) 4式中?1，?2，?3和?4分别为AB，BC，CD和DA臂的应变片的应变值，K为应变片的灵敏系数，V为桥压。

电桥输出电压转换成的应变仪指示值是各桥臂上应变片应变值之代数和。选择位于不同点和不同贴片方向的应变片连接成各种不同的桥路，可获得不同类的应变值，而且应变仪读数值与被测点真实应变之间有不同的放大系数，这需实验者自行分析和推断。

四、实验步骤

1．分别用半桥和全桥各两种方式测量等强度梁在自由端受载50N的轴向拉应变。画出电桥接线图，并写出测点真实应变与应变仪指示值间的关系。

2．自行设计表格，记录测量结果。 五、思考题

试比较各种测量方案的优缺点。

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实验四 多点静态应变测量或主应力测量

一、实验目的

1．掌握用电阻应变花测定一点主应力大小 和方向的方法。

2．掌握YE2538程控静态应变仪使用方法， 学会多点静态态应变测量技术。 二、实验器材

1．贴有60°应变花的薄璧铝圆管及其弯扭 加载装置，如图5所示。 2．YE2538三、实验原理

根据弹性理论，在平面应力状态下，如果已知某点在0°，60°和120°方向上的应变，那末，该点的主应力大小和方向可由下式确定：

2????????????11??20?60?120?0?60?120??i?E????0????(?60???1200?)?

3(1??)1???33?????程控静态应变仪。

图5 主应力测量实验装置

??tg?1?12?3(?60???120?)??

??2?0???60???120???式中E和?分别为圆管材料的弹性模量和泊松比，?0?，?60?和?120?为该点在0°，60°和120°方向上的应变值。

所以，在加载情况下，同时测得应变花三个方向上的应变值（从测量方法上来说，它相当于三点测量），那末就可确定该点的主应力。

四、实验步骤

1．将应变花中的每个应变片编号（注意60°应变片与120°应变片方向上的差别），并按顺序连接到应变仪上，温度补偿片接在补偿位置上。

2．接通应变仪电源，预热5分钟后调节电阻和电容平衡，5分钟后再调第一次平衡即可开始测量。

3．加载100N，依次读出每个应变片应变值，记录在自行设计的表格上。 4．卸掉载荷，重新调节平衡，再加载并读数，如此重复两次。 五、思考题

应用材料力学公式计算该点理论值，并与实验值比较，分析讨论产生误差的原因。

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实验五 位移传感器的标定

一、实验目的

1．掌握传感器标定及数据处理方法。 2．熟悉常用标定器材及仪器的使用。 二、实验器材

1．电阻应变式位移引伸计。 2．YJ-28P10R静态应变仪。 3．引伸计检定仪。 三、实验原理

传感器在使用前必须进行被测量与显 示值之间关系的确定工作，即通常所说的

“标定”。位移传感器标定时，被测量由引伸计检定仪给出已知的标准位移（X），通过由传感器和放大器及记录仪器组成的测量系统显示出测量值（S）。S与X之间应有很好的线性。将标定所得数据进行处理，便得到测量值（S）与位移（X）之间的关系（标定结果）。今后在用该测量系统记录位移信号时，根据标定的结果即可计算得到位移值。

四、实验步骤

1．按图13所示接好仪器。

2．引伸计检定仪指示值对“0”，位移传感器安装于检定仪上。 3．位移传感器的输出线接到动态应变仪的电桥盒上。

4．接通仪器电源，按附录的使用说明调整应变仪使之处于工作状态。

5．在传感器的量程范围内，由检定仪按5级给出位移，记录每级位移下应变仪的输出。 6．标定工作结束，将仪器恢复到使用前状态。 五、实验报告要求

1．按最小二乘法线性回归法处理实验结果，计算标定方程S=AX+B中的系数A，B。 2．计算实测值s(i)与标定值S(i)（即线性回归所得直线上与s(i)对应点的值）之间的相对误差ER(i)

ER(i)?s(i)?S(i)?100% （13—1） S(i)ER(i)中的最大值即为传感器的最大非线性误差。 3．将实测值和标定结果用图示出。 六、思考题

1．已标定好的测量系统，在使用时发现记录曲线的幅值不合适而需要改变仪器的灵敏度时，是否应重新标定，为什么？

2．当传感器和测量仪器中有一个仪器线性较差时，能否得到非线性小的标定结果？

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实验六 动态应变测量

静载荷作用下所产生的变形和应力，这种应力称为静载应力，简称为静应力。静应力的特点，一是与加速度无关；二是不随时间的改变而变化。工程中一些高速旋转或者以很高的加速度运动的构件，以及承受冲击物作用的构件，其上作用的载荷，称为动载荷，构件上由于动载荷引起的应力，称为动应力。工程结构中还有一些构件或零部件中的应力虽然与加速度无关但是，这些应力的大小或方向却随着时间而变化，这种应力称为交变应力。具有一定速度的运动物体，向着静止的构件冲击时，冲击物的速度在很短的时间内发生了很大的变化，即冲击物得到了很大的负值加速度，同时冲击物这冲击力也施加于被冲击的构件上，这种力工程上称为冲击力或冲击载荷。本实验即梁受交变载荷时的动应力测试实验。

梁受交变载荷时的动应力测试实验

一、实验目的

1．掌握动态应变测量的基本方法。

2．学会动态应变仪等动态测试设备的操作。 3．对动态应变曲线进行分析。 二、实验装置与仪器

实验装置及仪器连接如图4.12.1，悬臂梁的自由端固定了一个微型直流电机，电机轴端装有带偏心质量的圆盘，由直流稳压电源给电机供电。电机转动时偏心圆盘产生的离心力使梁振动。通过调节直流稳压电源的输出电压可改变梁的振动频率，当电压变化至某一数值时，悬臂梁振幅最大，此时梁处于共振状态。若继续提高或减小电压值，悬臂梁的振幅均会减小。此时梁所受到的载荷为交变载荷，梁受交变载荷时引起的动应力也就是交变动应力，其某点的应力是随着时间的改变而变化，承受交变应力作用的构件或零部件，大部分都承受着规则或不规则变化的应力。

直流电机应变片R1R2悬臂梁偏心轮补偿片电桥盒动态应变仪数据采集系统

图4.12.1-1 实验装置与仪器框图

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在悬臂梁靠近固定端应变最大，在其上下表面各贴一个应变片，应变片与补偿电阻通过电桥盒组成电桥（本实验可采用半桥、全桥、和两通道半桥三种连接方式），其电桥输出连接动态应变仪，再通过动态数据采集装置可测试动应变。

三、实验方法与步骤

本实验通过对悬臂梁的动应变测定，掌握动态应变仪和动态数据采集设备的操作方法，以及了解仪器各部分的功能。

动态应变仪的接线与调试：

YE3817应变放大器是一种数显式供桥高性能六通道信号调节器，由YE1940显示控制模块和6个YE3817应变放大器模块组成，每个应变通道都配有电桥盒，以动态应变测量为主。

1.桥压选择；2.手动平

衡调节；3.自动平衡调节；4.增益粗调；5.增益微调；6.标定；7.滤波截至频率；8过载指示；9.显示；10.通道选择；11.直流模式；12.交流模式；13.交流正峰值；14.交流负峰值；15.总平衡；16.输出端口。

图4.12.1-2 YE3817应变放大器

（1） 接桥：a.半桥（图a），将电桥盒的 接线柱1和5、3和7、4和8短接，其输出 为悬臂梁上应变片R1的应变曲线。b全桥连 接（图b），其输出为悬臂梁单片应变片的应 变的两倍。两通道半桥连接（图c），可同时 得到应变片R1和R2的两个应变曲线。 接桥后将电桥盒的五芯插头插入应变仪后面

板的电桥插座内；并旋紧。 图4.12.1-3电桥接线方式

（2）接通电源：在接通电源之前，将各开关拨到下列位置，电源“关”；桥压“2V”；通道选择“测量通道”；标定“测”；增益“2k”， 滤波“100”。然后将四芯电源线插入应变仪后面板“电源”插座内，并旋紧。

（3）平衡调节：应变仪接通电源预热五分钟后，将电源开关拨至“开”此时指示灯亮，

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将被调节点拨到需测量的通道，增益档调节至“2k”，数码显示不平衡电压，按自动平衡按钮进行平衡调节，约2秒显示趋于零。一般小于20mV。如需精确平衡时，可用手动微调，输出零点可达1mV以下。测量中如切换桥压，又要求输出平衡，应再进行一次平衡调节，注意：重调平衡时传感器要在卸载的情况下进行，否则自动平衡电路误将传感器应力输出信号作为不平衡输出对待。

（4）设有四档低通滤波器选择时可滤去不感兴趣的频率。 （5）用同样的方法可调节其他通道。

（6）标定调节：标定时应为静态通道有1000με、200με两档标定，标定时其仪表上供桥电压、增益都必须和测量状态保持一致，标定应在测量的前、中、后各进行一次。

（7）测量：标定拨到测处，增益的选择以输出电压上限不超过5V，下限不低于1V，当输出低于或高于该数值，可适当调整增益，使其处于最佳信噪比状态。应变仪即可通过数据采集系统连接进行测量。（注意在平衡调节前应变仪勿与数据采集器连接，以免输出电流过大、电压过高损坏采集卡）。

（8）运行数据采集程序：接通计算机电源，点击桌面的“CRAS”图标，打开“数据采集及处理”，点击“作业”菜单，选择“单通道作业”，自定义作业名，点击“参数设置”进行参数设置，采样频率：512Hz；数据块：2；触发参数：自由运行；电压范围：5000mV；工程单位：mm；校正因子：1；采集控制：“连续采集”“逐页显示”，点击确认进入待测量状态。

（9）测试：1)标定设置：点击“实时示波”菜单进入实时示波状态，静态下调整应变仪平衡，记下计算机屏幕显示出的静态电压值，将标定应变拨为200με，此时应变仪给出200με的标定信号，记下计算机屏幕显示出标定信号对应的电压值，将标定开关拨回测量档。接通电机直流电源，调节调速电位器，使转速缓慢提高，当梁的振幅逐渐变大，小心调至最大值时（即梁的共振状态），点击屏幕右下角的“退出”按钮，退出示波状态，点击“数据采集”菜单采集数据，采集完成后，将调速电位器旋至最小，切断电机电源，点击“波形显示”得到固定时域图。

（10）数据处理与分析

根据得到的测试时域图和标定值，计算最大应力ε频率f。

max

、最小应力ε

min

及该装置的固有

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A点应变值?

th?200(??)； HHh标定测量 1f?(Hz)

t图4.12.1-4标定与测量时域图

应变片灵敏度系数的修正 由于仪器设置的应变片灵敏度系数为k?2.00，若所贴应变片灵敏度系数不等于2.00时，则要对测量值进行修正。

?'?2.00?? kc式中：?'为修正后的测量值，kc为应变片的灵敏度系数。 桥路结构的修正 半桥时（有2片应变片工作），修正后的测量值?'?片应变片工作），修正后的测量值?'?四、实验报告

根据记录的应变曲线分析计算悬臂梁的最大应变值及固有频率。 讨论动态应变测量有那些特点？影响动态测量的精度有那些因素。

?2，全桥时（有4

?4。

实验七 旋转件应力测量

一、实验目的

1．测量受力试件旋转时测点处交变应力的最大应力?max最小应力?min及频率f。 2．掌握动态电阻应变仪的使用和用计算机进行动态数据采集及数据处理的方法。 二、实验装置与仪器 1．旋转件应力测量实验台； 2．YD-21型动态电阻应变仪；

3．微型计算机及数据采集卡（已装于计算机内）； 4．打印机。 三、原始数据

试件直径d?12mm，材料45钢，弹性模量E=206GPa。应变片灵敏系数K?2.19，应变仪灵敏系数K仪?2.00。

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四、实验装置

本实验在《旋转件应力测量实验台》上进行，实验台结构如图1所示。

1．试件及应变信号引出

试件（9）左端的锥柱与芯轴（图中未画出）的锥孔用螺钉拉紧相连成为一体，芯轴与轴承座（6）内部的两个滚珠轴承配合形成固定端，试件的右端自由，故试件为一悬臂梁，在试件靠近固定端的部位对称地粘贴了两个应变片（7）。应变片的引线通过试件中心的小孔连接到集流环（3）的转子上，集流环中的碳刷将信号从旋转的转子引到信号输出插座（1）上。

2．加载

试件的自由端装有轴承及滑块，当旋动加载螺钉（10）并向下压滑块时，试件自由端产生挠度，即实现了对试件加载。试件测点处的应变大小由动态电阻应变仪的显示屏监视。定位螺钉（12）与上加载螺钉并紧后，可保持载荷稳定。

3．产生交变应力

向上拨电源开关（14），接通。顺时针方向调节面板上的调速电位器（15），数字电压表（13）显示的电机驱动电压逐渐增大。安装于机箱（16）内部的直流电动机启动，转速由慢变快。通过皮带（5）、皮带轮（4）带动试件旋转。电动机的驱动电压应控制在80-90伏范围内。试件每转动一周，试件的应力呈正弦规律变化一次。

五、数据采集程序简介

动态信号的采集与数据处理由AD数据采集程序完成。接通计算机电源进入WIN98界面，用鼠标双击“AD”图标，屏幕显示该程序菜单选择画面。用“?、?”方向键选择菜单项，用“?、?”选择下拉菜单。通过“Enter”键确认，“Q、Esc”键退出。

A．设置参数

（1）文件名 输入1-8位字母或数字命名的文件名，按Enter键或方向键确认。

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（2）采样频率 （3）采样点数 （4）采样方式 （5）触发方式 任意键即开始采样。

（6）触发电压 （7）通道编号

本采集程序的采样频率范围为0.01－10000Hz。根据采样定理，采按空格键，选择采样点数1024或512。

有单次采样和连续采样两种方式，按空格键选择。

按空格键，选择触发方式。当选择手动触发时，在测量状态下按下键入0-9及小数点等键，电压范围为“0-4”。 可为0-7之间的任意值。

样频率应大于信号最高频率的两倍。

（8）谱分析方式 按空格键选择“自动分析”或“选择分析”。“自动分析”是采样后立即进行谱分析计算；“选择分析”是采样完后，按“P”键进行谱分析计算。

（9）谱窗类型

按空格键选择谱窗类型，谱窗的作用为使所需信号更完整的再现，

按空格键选择。

而使不需要的干扰信号减至最小。

（10）背景、绘图、数据的颜色 本次实验参照以下参数设定： 采样频率：1024Hz； 采样点数：512； 采样方式：连续采样； 触发方式：自动触发； 触发电压：2V； 谱分析方式：选择分析； 谱窗类型：布氏；

背景、绘图、数据颜色：15、8、4。 B．测量

本次实验用单通道测量。按回车键进入测量状态，屏幕分成以下几个显示区域。 （1）参数设置 （2）控制命令

D——重画屏幕

P——谱图分析 可使用“?、?”方向键读出光标所在频谱图位置频率，用“?”UP、?——画出网格，以便观察图形大小。 DOWN、?——设置频谱图标识号。

左上方显示当前设置的参数，需更改时应返回到菜单选择画面。 左中部显示控制命令

键读出值的大小，并标识它。

屏幕左下方显示光标所在位置的频率（Hz）以及相位关系。

（3）时域图 屏幕右上方显示时域图并标有最大、最小和平均幅值显示倍率等。 （4）频域图 在时域图采样显示时按下“P”键，屏幕右下方显示出频谱分析图，并可通过回车键选择线性谱或者对数谱。

六、实验步骤

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1．仪器接线

（1）将专用电缆的插头与集流环的输出插座相连，另一端的三根导线按半桥接法接于电桥盒的1、2、3号接线柱上。电桥盒上的1-5、3-7和4-8之间短接。

（2）电桥盒的插头与动态应变仪后面板的通道1的输入插座连接。

（3）用输出线将应变仪通道1的电压输出与计算机后面的数据采集卡CH1相连。连接后的测量系统如图2所示。

试验台 动态应变仪 计算机

图2 实验仪器线路连接图

2．预调应变仪平衡

（1）集流环的电刷开、合扳手（见图1）扳向“合”；应变仪后 面板的“电源开关”扳向上，接通应变仪电源；松开实验台的上、 下加载螺钉，使试件的初始挠度为0；拨动皮带轮使两个应变片 处于上、下位置。按下应变仪面板左侧的“桥路平衡选择”钮 “1”；显示灵敏度置于“J1”；“内振、外振”开关置于“内振”。 （2）通道1面板布置如图3所示，各开关的初始状态调整为： a．电阻平衡范围开关板向“粗”。

b．“衰减”按钮按下“5”，此时，应变测量范围为 1000??；

c．“标定应变”设定为500??，即按下“500”按键；

d．“标定开关”置于“0”。 图3 通道1面板布置 （3）将右上角的“予、静2动”开关拨向“静2动”一侧，用起子调节电阻平衡电位器（R），使应变仪的显示值为“0”。再将“予、静2动”开关拨向“予”一侧，调整电容平衡电位器（C），使应变仪的显示值尽量接近于0。重复调整电阻和电容平衡1-2次，最后，将“予、静2动”开关拨到“静2动”位置。

3．运行数据采集程序

选择“单通道测量”方式进行数据采集，屏幕出现显示画面。 4．标定

重调一次电阻平衡，标定应变设为500??（500310?6），将标定开关扳向“＋”，应变

?仪给出500??标定信号。此时，计算机屏幕上信号线从零点处上移，记下标定应变?标和屏

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?幕上方显示的电压值V标（avrg值）。再将标定开关扳向“－”，应变仪给出-500??标定信??号。记标定应变?标和显示的电压值V标（avrg值）。标定开关扳回“0”位。

5．记录动应变曲线

（1）拧加载螺钉，当螺钉与滑块接触后再拧1圈左右（观测屏幕上显示的avrg值应在2-3伏之间）。

（2）接通实验台电源，调节“调速”电位器，使驱动电压达到80-90伏范围。此时屏幕上显示出交变应变的波形，按键盘上“P”键，得到一固定的时域图、频谱图。切断实验台电源。

（3）时域图位于屏幕右上方，最大、最小值即所示交变应变曲线的V最大（波峰）、V最小（波谷）值。交变应变的频率（Hz）显示于屏幕的左下角。

6．打印记录曲线及数据处理

屏幕上显示的曲线经指导老师检查认可后，再进行以下步骤。 （1）打印记录曲线

按键盘上“Print Screen（屏幕拷贝键）”。退出AD数据采集程序运行回到Windows状态。启动“画图板”，点“编辑”菜单，再点“粘贴”选项，时域图和频域图被粘贴到画图板上。点“图像”菜单下的“属性”选项，将记录曲线颜色由“彩色”变为“黑白”，将实验的有关信息按以下格式录入空白处：

实验台编号：

??标定值：?标——V标

?? ?标——V标

班号及实验者的姓名，实验日期。

取文件名后存入软盘。在连有打印机的计算机上调出文件。打印出记录曲线。 （2）数据处理

根据记录图上的测量数据和给出的已知条件，用下式计算测点处的?max、?min。 1V最大K仪??max?????E??标

2KV1V标K仪片??min??最小??E?? 标?2V标K片7．实验完成后，清理现场恢复原状。 七、实验报告要求： 1．实验名称、目的

2．实验所用仪器及仪器连接线路图 3．原始数据

4．应力计算公式、最大、最小交变应力及频率。 5．思考题

a．如果改变实验台的驱动电压，实验的其他条件保持不变，两次记录的曲线有何差异？ b．理想条件下，记录曲线的|V最小|?V最大，如果应变仪未调好零点就加载记录，所得记录曲线会出现何种现象？

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实验八 残余应力测量

一、实验目的

用盲孔电测法测定对焊板的残余应力。 二、实验器材

DZDL－Ⅱ型测残余应力钻孔装置、静态电阻应变仪、万用表、残余应力应变花等。 三、实验原理

在有残余应力的板上钻一小盲孔，因小孔附近的残余应力被释放而导致残余应变场的变化。测出小孔附近残余应变场的变化，即可依弹性力学理论计算出板上钻孔处释放前的残余应力值?1、?2

?1?EE2(?0???90?)?(?0???45?)2?(?90???45?)2???2?4A4Btg2??2?45???0???90??0???90? （7－1）

式中，E：被测材料的弹性模量， A、B：应变花的释放系数，

?0?、?45?、?90?：该点在0°，45°和90°方向上的释放应变。对TJ120－1.5－?1.5应变花在普通钢材上的释放系数为：

， B??0.1514?6%（2倍标准差）。 A??0.07255?10%（2倍标准差）四、实验步骤

1．在试件测量点上准确粘贴残余应力应变花，方法与应变片粘贴相同。 2．连接应变仪将各应变片所接电桥调零。 3．安装钻具（见图8（a））：

将带观察镜的钻具放在测量点上，开亮照明灯，当观察上镜初步对准应变花中心后，在钻具支腿与工件接触处滴少许502胶，固化后拧紧钻具支腿上的锁帽，将钻具固定于试件上；松开锁紧压盖，调整x-y方向的四个调节螺丝（必须先松后紧）使观察镜里的十字线中心在转动观察镜筒观察时，始终与应变花中心保持重合。锁紧压盖，再次调零应变仪。

4．钻孔（见图8（b））

取下观察镜将带专用端面铣刀的钻杆擦干净，滴上润滑由（需用缝纫机油，不可使用一般机油），插入钻具的套筒内，用手轻轻转动，划去钻孔部位的应变花基底后，取出钻杆。此时，每个应变片的应变读数应当变化不大。再次调整应变仪的零点。

将带?1.0mm钻头的钻杆插入钻具套筒内，松开钻杆上的定位卡圈，在钻杆卡圈与钻具套筒间塞入厚度为2.00mm的钻孔深度控制垫块，使钻头与工件接触后固定卡圈。除去2.00mm的垫块，连接好手电钻，调压器需调至最大（220V），即可开钻，保持合适的压力，钻至卡圈与夹具套筒间贴合即到预定孔深（2.00mm），拔出钻杆。

再换带?1.5mm麻花钻杆同上步骤进行钻孔，调压器电压应调至60－70V，进刀量尽量小。钻至预定孔深后，拔出钻杆。过3－5分钟，当应变仪指示稳定时，测读应变示值?0?、

?45?、?90?。

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图8 钻具安装和钻孔示意图

5．计算残余应力

将应变仪读数?0?、?45?、?90?减去附加应变即得到钻孔后残余应力引起的释放应放，代入（7－1）式计算即可。附加应变是指因钻孔加工而产生的应变输出。应变花TJ120－1.5－?1.5在常用软钢、中碳钢、低合金钢上引起的附加应变为-39.4??，当使用其它应变花或特殊材料均需事先进行标定。

五、实验报告要求

全部原始实验数据均应列表表示，测量结果用表列出，并对测量结果进行误差分析（包括误差大小、来源等）。

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实验九 单自由度系统强迫振动幅频特性

及阻尼比测试

一、实验目的

1. 学会用扫频激振法测定简谐力激扰下的单自由度系统的振动幅值，绘出振动幅频特性曲线。

2. 学会根据幅频特性曲线确定系统的固有频率并计算阻尼率。 二、实验装置与仪器框图

将产生正弦激扰力的激振器安装在梁长的1/3处。激振器与测振仪的安装高度以距离梁的底面1～2mm为宜。测量仪的量模式旋钮置“位移”档，使之将度信号经积分后输出为位移信号。

激振器支承块薄梁测

集中质量传感器速

三、实验原理

实验对象是一附加集中质量弹性梁，我们给梁施加一个大小恒的正弦激扰力，且该力的频率逐步化，当力的频率正好等于梁的一阶有频率时，此时梁处于共振状态，线。

支架阻尼器基座的定变

扫频信号源与功率放大器测振仪数据采集及分析固我频曲

图1-47 实验装置与仪器框图

们通过改变频率就可测出梁各频率下的振动幅值，即幅

F=Sin t其系统的低阶力学简化模型如图1-48所示，图中 M为等效质量，k为等效弹簧刚度，c为等效结构阻尼。 在正弦激扰力F?Hsin?t的作用下，系统作简谐强迫振 动，通过调节激振信号发生器输出的电流和频率，可改 变激扰力的幅值H和频率ω。系统的振动信号由传感器 检测并转换成与振动速度成正比的电信号，该信号通过

kF?Hsin?t 0cMx图1-48力学模型

测振仪放大经积分电路转换成其对应的位移幅值信号。由理论力学知，梁的强迫振动的位移幅值为： B?H/M(???)??2n??20222 （1－62）

式中?0?kM为结构的固有频率，n?c2M为梁的结构阻尼系数。由1-8-1的实验结果已知结构的固有频率，且M、k、c均为定值，故只要保证激扰力的幅值H不变，则梁的振动幅值仅是激扰频率的函数。

四、实验方法

将激振器接入“扫频信号源与功率放大器”的信号输出端，将发生器的输出旋钮逆时

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针旋转到底，扫频方式按下“手动”和“对数”两键。测量仪测量模式旋钮置于“位移”档，频率上限旋钮置于“1K”档。

打开各仪器的电源开关。按下信号发生器的“Hz”键，调节“手动”旋钮，使频率显示在20Hz，然后按下“mA”键，调节输出“幅度”旋钮，使电流显示在200mA；保持激扰力H的幅值为常量，再次按下“Hz”键，调节“手动”旋钮，使频率显示在某一阶固有频率；测量其振幅值，记录并填入表格。

实验数据 频率 振幅

根据振动幅值和频率测试数据画出幅频响应曲线，如图。在图中振幅最大值Bmax对应的激扰频率?r，称为梁的一阶共振频率，它与梁的固有频率以及阻尼率之间的关系为?r?1?2?2?0，由图1-51知在?2比较小的情况下，?r??0，所以我们通常说在

???0时发生共振。Bmax2B0.707BmaxB 对应的激扰频率分别为?1和

?2，称为半功率点频率。在小阻尼情况下，可推导出梁

的结构阻尼率为：

??

?2??1 （1-66） 2?00w1wrw2w图1-52幅频特性曲线

用粗调找到系统的固有频率，以系统的固有频率为中心，上下限分别扩展2－5Hz，调节信号发生器“手动”旋钮，使频率显示递增1Hz（在位移幅值变化较大时递增1～2Hz），并同时记录测量仪上显示的位移幅值B。

五、实验结果及分析

实验原理中的?为圆频率单位（rad/s），而实验中激扰力的频率由信号发生器提供，采用f（Hz）表示，??2?f，故实验中阻尼率的计算采用：

??f2?f12f0 （1-67）

式中f0为实验中梁的一阶共振固有频率， f1、f2为振幅最大值12倍处对应的频率值。

1．根据表中的数据分别画出单自由度系统幅频响应曲线。 2．根据公式（1-67）确定阻尼率。

3．叙述阻尼率?对质量块幅频特性曲线的影响。 六、实验报告

实验报告内容应包括：实验目的、实验原理、实验装置与仪器框图、实验方法和实验数据处理与结果分析。

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实验十 静态电阻应变仪校验

一、实验目的

1．掌握静态电阻应变仪应变示值和灵敏系数的校准方法。 2．通过实验进一步熟悉电阻应变仪的工作原理。 二、实验器材 1．静态电阻应变仪 2．标准应变模拟仪 三、实验原理

电阻应变仪的应变示值等于应变仪桥臂电阻变化率与仪器灵敏系数的比值，即

?'1??R1/R1 （5－1） K'1如能在应变仪的电桥桥臂产生一系列标准的相对电阻变化，就能检验出应变仪应变刻度值的误差。

由（5－1）式还可知，当变仪桥臂上的电阻变化率为一恒定值时，仪器灵敏系数与应变示值之积为常数，即

?R1?K'1??'1?K'2??'1???K'i??'i （5－2） R1根据这一原理，可用一恒定应变来检验应变仪的灵敏系数刻度值误差。

桥臂电阻的变化率由标准应变模拟仪产生。该仪器的灵敏系数K?2，通过仪器上的各档旋钮，可产生1～11110??。模拟仪的应变值乘以2即为相对电阻变化率。表五-1列出了用模拟仪给出1000??，应变仪取不同灵敏系数时的应变理论值。

表五－1 应变仪灵敏系数与应变示值的对应关系

灵敏系数 1.80 1.85 1.90 1.95 2.00 应变示值 1111 1081 1053 1026 1000 灵敏系数 2.05 2.10 2.15 2.20 2.25 应变示值 975.6 952.4 930.2 909.1 888.8 灵敏系数 2.30 2.35 2.40 2.45 2.50 （应变：??）

灵敏系数 2.55 2.60 应变示值 784.3 769.2 应变示值 869.6 851.1 833.3 816.3 800.0 桥臂电阻的变化也可用并联电阻的方法实现，在电桥桥臂电阻R1上并联电阻Rc后，桥臂电阻的变化率为：

?R1R1?? （5－3） R1R1?Rc式中“－”号表示桥臂电阻减小，即应变为负值。如在R2上并联电阻，则应变为正。

根据（5－3）式，可计算出产生不同应变时应并联的电阻。表五－2中列中了当桥臂电

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阻R1?120?，应变仪的灵敏系数K'?2时，各应变值对应的并联电阻。

四、实验步骤

以下是用应变量模拟仪检验应变仪时的步骤。 1．应变示值校验

（1）将应变量模拟仪的输出线A、B、C接到应变仪电桥相对的接线柱上（见图5），模拟仪的各应变刻度盘对“0”，“正、负”开关扳向“正”。

应变量模拟仪 A B C A B C 静态电阻应变仪

图5 应变量模拟仪与静态电阻变仪接线图

（2）应变仪的各应变刻度盘对“0”，灵敏系数刻度指“2.00”。接通应变仪电源，调应变仪平衡。

（3）一般对应变仪每个刻度盘的20%、40%、60%、80%和100%5个刻度值进行检查，根据刻度盘的示值范围用模拟仪分别给出标准应变，并记录应变仪的示值。每个被检查点都进行3次检验，取三次检验结果的平均值，代入下式计算应变仪示值误差

ER(i)??'i??i?100% （5－4） ?i式中，?1为模拟仪给出的标准应变，?'i为应变仪3次示值的平均值。 根据情况，本实验可校验全部应变刻度盘，也可校验部分刻度盘。 2．灵敏系数刻度校验

（1）如同应变刻度检验时的（1）、（2）一样调整仪器，但应变仪的灵敏系数指向起始位置。

（2）对应变仪的灵敏系数刻度盘上的5－8个刻度进行检验。每改变一次灵敏系数，都用模拟仪给出1000??，记录应变仪的应变示值，每个测点检验3次。

（3）用（5－4）式计算应变仪灵敏系数刻度的误差。此时，?i为表五－1中与灵敏系数对应的应变理论值。?i为应变仪3次示值的平均值。

五、实验报告要求

1．用表格列出实验原始记录及各点的误差。 2．对应变仪的精度给出评价。

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表五－2 产生已知应变需并联的电阻值 （桥臂电阻R1?120.00） 应变(??) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 并联电阻（M?） 应变(??) 并联电阻（k?） 应变(??) 并联电阻（k?） 59.99 29.99 19.99 14.99 11.99 9.99 8.57 7.49 6.67 5.99 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 5999 2999 1999 1499 1199 999 857 749 667 599 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 599.9 299.9 199.9 149.9 119.9 99.9 85.7 74.9 66.7 59.9

实验十一 动态应变仪性能测定

一、实验目的

1．测定动态应变仪在不同桥臂电阻时的电阻平衡范围。 2．测定动态应变仪的输出特性。 3．测定动态应变仪的零点漂移。 二、实验器材

YD－21型动态电阻应变仪1台，可调电阻箱2个，应变量模拟仪1台，数字万用表1个，导线若干。

三、实验步骤 1．电阻平衡范围测定

将两个电阻箱按半桥接法接于应变仪的电桥盒上，两电阻箱的电阻调至120.00?。电桥盒接于应变仪的“1”通道，接通电源，按应变仪的操作步骤分别调节“电阻平衡”和“电容平衡”，使应变仪的被测通道输出为“0”。将A电阻箱的电阻以级差0.1?的量级减少，B电阻箱电阻值保持120?不变。每减少一次电阻调一次应变仪平衡，直到能够调节应变仪至平衡状态，而A电阻箱的电阻值最小为止，记下此电阻RAmin。再将A电阻箱从120?以0.1?的级差增加，同样调节应变平衡，得到RAmax。桥臂电阻为120?时的电阻平衡范围为

?R120?(RAmax?RAmin)/2

将A、B两电阻箱的电阻分别调至60.0?和240.0?，同样用上述方法分别测出?R60和

?R240。

2．输出特性测定

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