Strain and Stress:Measurement and A

Strain and Stress:
Measurement and Analysis
Hsin-yu Shan
Dept. of Civil Eng., NCTU
ε a = dL / L ≈ (L2 − L1)/ L1 = ∆L / L
εa = axial strain
L1 = linear dimension or gage length
L2 = final strained linear dimension
D1 D2
L1 L2 – L1
L2
a
a E
ε
σ
=
E = Young’s modulus
σa = uniaxial stress
a
L
ε
ε
ν
−
=
ν = Poisson’s ratio
εL = lateral strain
E
y x
y
σ νσ
ε
−
=
E
x y
x
σ νσ
ε
−
=
2 1
( )
ν
ε νε
σ
−
+
=
x y
x
E
2 1
( )
ν
ε νε
σ
−
+
=
y x
y
E
σy
εy
E
ο x
−ν
E
ο y
Strain Measurement
Extensometer
Optical
Mechanical
Electrical strain gage
Resistive –
the most common
Capacitive
Inductive
Photoelectric
Electrical Resistance Strain Gage
1856 Lord Kelvin demonstrated that the
resistances of copper wire and iron wire
change when the wires are subjected to
mechanical strain
He used a Wheatstone bridge circuit with a
galvanometer as the indicator
The first resistance strain gage is made by
Carlson in 1931
Pillars were mounted, separated by the gage
length, with wires stretched between them
The first bonded strain gage was used by
Bloach
It consisted of a carbon film resistance element
applied directly to the surface of the strained
member
1938 Ruge of M.I.T. conceived the idea of
making a preassembly by mounting wire
between thin pieces of paper
Construction of bonded-wire-type strain gage
Foil-Type Gage
During the 1950s the foil-type gage
replaced the the wire gage
The common form consists of a metal foil
element on a thin epoxy support
Manufactured using printed-circuit techniques
Major advantage –
almost unlimited pane
configurations are possible
Typical foil-type gages illustrating the following types: (a)
single element, (b) two-element rosette, (c) three-element
rosette, (d) one example of many different special purpose
gages (for pressurized diaphragms)
2 CD
L
A
L R ρ ρ = =
The gage factor
dL L
dR R d
dL L
dR R F
a /
/ 1 2 /
/
/ ρ ρ ν
ε
= = = + +
R
R
F
∆
=
1
ε
The values of F and R are supplied by the gage manufacturer,
and the user determines ∆R corresponding to the input
situation being measured.
Selection and Installation Factors
for Bonded Metallic Strain Gages
Grid material and configuration
Backing material
Bonding material and method
Gage protection
Associated electrical circuitry
Desirable Properties of Grid
Material
High gage factor,
F
High sensitivity,
ρ
Low temperature sensitivity
High electrical stability
High yield strength
High endurance limit
Good workability
Good solderability
or weldability
Low hysteresis
Low thermal emf when joined to other
materials
Good corrosion resistance
Temperature Sensitivity
In many applications, compensation is
provided in the electrical circuitry –
this
does not always eliminate the problem
Two factors are involved:
The differential expansion existing between the
grid support and the grid proper, resulting in a
strain that the gage is unable to distinguish
from load strain
The change in resistivity
ρ with temperature
change
Thermal emf
Effect
Thermal emf superimposed on gage output
must be avoided if dc circuitry is used
For ac circuitry this factor would be of little
importance
Common Grid Materials
Constantan*; Copel* 45% Ni, 55% Cu
Isoelastic* 36% Ni, 8% Cr, 0.5% Mo, Fe
remainder
*Trade names
Common Backing Materials
Thin paper
Phenolic-impregnated paper
Epoxy-type plastic films
Epoxy-impregnated fiberglass
Most foil gages use an epoxy film backing
Protecting the Strain Gage
The strain gages must be protected from
ambient conditions:
Mechanical abuse, moisture, oil, dust and dirt
Protection material:
Petroleum waxes, silicone resins, epoxy
preparations, rubberized brushing compounds
Temperature Compensation
The adjacent-arm compensating gage –
bridge
circuitry
Self-temperature compensation
Selected-melt gage
•
Through proper manipulation of alloy and processing, gri
d
materials may be prepared to show very low apparent strain
versus temperature change
Dual-element gage
•
Use two wire elements connected in series in one gage
assembly
•
The two elements have different temperature characteristics
and are selected so that the net temperature-induced strain is
minimized
Strain-Measuring Systems
Basic strain indicator, useful for static:
single-channel readings
Single-channel system either external to or
an integral part of a cathode-ray
oscilloscope
Oscillographic
systems incorporating either
a stylus-and-paper or lightbeam and
phtographic
paper readout
Data acquisition systems:
Displayed (digitally and/or by a video terminal)
Recorded (magnetic tape or hard-copy printout)
Fed back into the system for control purpose
Stress-Strain Relationships
Simple uniaxial
stress situation
Biaxial stress situation
Stress-strain relations for Rosette gages (T 12.4)
Gage Orientation and
Interpretation of Results



Gages Connected in Series
Load cell

Kết quả (Việt) 1:

Căng thẳng và căng thẳng:Đo lường và phân tíchHsin-yu ShanKhoa dân sự Eng., NCTUΕ một = dL / L ≈ (L2 − L1) / L1 = ∆L / LΕa = trục căng thẳngL1 = chiều dài kích thước hoặc đo tuyến tínhL2 = cuối cùng kích thước căng tuyến tínhD1 D2L1 L2-L1L2mộta EΕΣ=E = mô đun YoungΣa = trục căng thẳngmộtLΕΕΝ−=Ν = tỷ lệ PoissonΕL = bên căng thẳngEy xyΣ ΝΣΕ−=Ex yxΣ ΝΣΕ−=2 1( )ΝΕ ΝΕΣ−+=x yxE2 1( )ΝΕ ΝΕΣ−+=y xyEΣyΕyEΟ x−ΝEΟ yĐo lường căng thẳngExtensometerQuang họcCơ khíĐo dòng điệnResistive –phổ biến nhấtĐiện dungQuy nạpQuang điệnĐiện trở biến dạng Gage1856 Lord Kelvin đã chứng minh rằng cáckháng của dây đồng và sắt dâythay đổi khi dây đang phải chịu sựcơ khí căng thẳngÔng đã sử dụng một mạch Wheatstone cầu với mộtđiện kế như các chỉ sốGage chủng kháng chiến đầu tiên được thực hiện bởiCarlson năm 1931Trụ cột đã được gắn kết, ngăn cách bởi gagechiều dài, với dây kéo dài giữa chúngGage căng ngoại quan đầu tiên được sử dụng bởiBloachNó bao gồm một bộ phim carbon sức đề kháng yếu tốáp dụng trực tiếp vào bề mặt của sự căng thẳngthành viênNăm 1938 Ruge M.I.T. hình thành ý tưởnglàm cho một preassembly bằng cách gắn dâygiữa miếng mỏng giấyXây dựng các chủng loại dây ngoại quan gageFoil-Type GageTrong thập niên 1950 foil-type thước đothay thế các dây gageHình thức phổ biến bao gồm một lá kim loạiCác yếu tố trên một hỗ trợ mỏng epoxyĐược sản xuất bằng cách sử dụng kỹ thuật mạch inLợi thế lớn-hầu như không giới hạn ngăncấu hình có thểThiết bị đo chiều foil-type điển hình minh hoạ các loại sau: (a)một yếu tố, (b) hai rosette, (c) ba-yếu tốRosette, (d) là một ví dụ của nhiều mục đích khác nhau đặc biệtthiết bị đo chiều (đối với các áp lực diaphragms)2 CDLAL R Ρ Ρ ==Yếu tố đodL Ltiến sĩ R ddL Ltiến sĩ R Fmột // 1 2 /// Ρ Ρ ΝΕ= = = + +RRF∆=1ΕGiá trị F và R được cung cấp bởi các nhà sản xuất gage,và người dùng xác định ∆R tương ứng với đầu vàotình hình đang được đo.Lựa chọn và cài đặt các yếu tốĐối với kho ngoại quan đo chiều kim loại căng thẳngChất liệu lưới và cấu hìnhSao lưu tài liệuVật liệu liên kết và phương phápGage bảo vệLiên quan đến mạch điệnCác thuộc tính mong muốn của lưới điệnTài liệuYếu tố đo cao,FĐộ nhạy cao,ΡSự nhạy cảm nhiệt độ thấpTính ổn định cao điệnSức mạnh năng suất caoGiới hạn độ bền caoTốt workabilityTốt solderabilityhoặc tínhThấp hysteresisThấp nhiệt emf khi gia nhập khácvật liệuChống ăn mòn tốtNhiệt độ nhạy cảmTrong nhiều ứng dụng, bồi thường thiệt hại làđược cung cấp trong các mạch điện-nàyluôn luôn không loại trừ vấn đềHai yếu tố có liên quan:Mở rộng khác biệt tồn tại giữa cácmạng lưới hỗ trợ và mạng lưới thích hợp, dẫn đến mộtcăng thẳng gage là không thể phân biệttừ tải căng thẳngSự thay đổi điện trở suấtΡ với nhiệt độthay đổiNhiệt emfCó hiệu lựcEmf nhiệt đươc ngày đo đầu raphải được tránh nếu dc mạch được sử dụngCho ac mạch yếu tố này sẽ có íttầm quan trọngThông thường mạng lưới tài liệuConstantan *; Copel * 45% Ni, 55% CuIsoelastic * 36% Ni, 8% Cr, 0,5% Mo, Fethời gian còn lại* Tên thương mạiThông thường các vật liệu đệmGiấy mỏngGiấy tẩm Nhựa phenolBộ phim nhựa epoxy-typeSợi thủy tinh ngâm tẩm epoxySử dụng lá hầu hết thiết bị đo chiều một epoxy phim saoBảo vệ Gage căng thẳngThiết bị đo chiều căng thẳng phải được bảo vệ từđiều kiện môi trường xung quanh:Lạm dụng cơ khí, độ ẩm, dầu, bụi và bụi bẩnBảo vệ tài liệu:Dầu sáp, nhựa silicone, epoxychuẩn bị, các hợp chất cao su đánh răngNhiệt độ bồi thườngGage bồi thường liền kề cánh tay-BridgemạchNhiệt độ tự bồi thườngChọn tan gage•Thông qua các thao tác phù hợp của các hợp kim và chế biến, gridvật liệu có thể được chuẩn bị để hiển thị rõ ràng chủng rất thấpso với nhiệt độ thay đổiHai yếu tố đo•Sử dụng hai yếu tố dây kết nối trong loạt trong một gagelắp ráp•Hai yếu tố có đặc điểm nhiệt độ khác nhauvà được lựa chọn vì vậy mà sự căng thẳng gây ra nhiệt độ net làgiảm thiểuHệ thống đo lường căng thẳngCăng cơ bản chỉ thị, hữu ích cho các tĩnh:bài đọc đơn-channelHệ thống duy nhất-kênh hoặc bên ngoài cho haymột phần của một cathode-rayMáy hiện sóngOscillographicHệ thống kết hợp với một trong haimột bút và giấy hoặc lightbeam vàphtographicgiấy readoutCác hệ thống mua lại dữ liệu:Hiển thị (điện tử và/hoặc bởi một nhà ga video)Ghi (băng từ hoặc khó khăn bản sao printout)Đưa trở lại vào hệ thống cho các mục đích kiểm soátMối quan hệ căng thẳng căng thẳngTrục đơn giảntình hình căng thẳngTình hình căng thẳng biaxialStress-căng thẳng quan hệ cho Rosette đo chiều (T 12.4)Thước đo định hướng vàGiải thích kết quảThiết bị đo chiều kết nối trong loạtTải trọng di động

Kết quả (Việt) 2:

Căng thẳng và stress:
Đo lường và phân tích
Hsin-yu Shan
Dept. Xây Eng, NCTU.
ε a = dL / L ≈ (L2 - L1) / L1 = ΔL / L
εa = trục căng
L1 = tuyến tính kích thước hoặc gage chiều dài
L2 = thức căng thẳng chiều thẳng
D1 D2
L1 L2 - L1
L2
một
E
ε
σ
=
E = Young modulus
σa = căng thẳng đơn trục
một
L
ε
ε
ν
-
=
ν = số Poisson
εL = căng ngang
E
y x
y
σ νσ
ε
-
=
E
x y
x
σ νσ
ε
-
=
2 1
()
ν
ε νε
σ
-
+
=
xy
x
E
2 1
()
v
ε νε
σ
-
+
=
yx
y
E
σy
εy
E
ο x
-ν
E
ο y
Strain đo lường
Extensometer
quang
Cơ
Điện căng gage
điện trở -
phổ biến nhất
điện dung
cảm ứng
quang
điện kháng Strain Gage
1856 Lord Kelvin đã chứng minh rằng
điện trở của dây đồng và dây sắt
thay đổi khi dây đang bị
căng cơ khí
Ông đã sử dụng một mạch cầu Wheatstone với một
điện kế là chỉ số
chủng vi kháng gage đầu tiên được thực hiện bởi
Carlson năm 1931
trụ cột được gắn , cách nhau bằng các gage
chiều dài, với dây kéo dài giữa họ
đầu tiên ngoại quan căng gage đã được sử dụng bởi
Bloach
Nó bao gồm các yếu tố kháng phim carbon
áp dụng trực tiếp lên bề mặt của các căng thẳng
thành viên
1938 Ruge của MIT ra ý tưởng về
làm cho một preassembly bởi gắn dây
giữa miếng giấy mỏng
xây dựng ngoại quan dây kiểu căng gage
foil-Type Gage
trong những năm 1950, lá kiểu gage
thay thế các dây Gage
các hình thức phổ biến bao gồm một lá kim loại
yếu tố trên một hỗ trợ epoxy mỏng
Sản xuất bằng cách sử dụng in kỹ thuật -circuit
lợi thế lớn -
cửa sổ gần như không giới hạn
cấu hình là có thể
thiết bị cảm điển hình lá kiểu minh họa các loại sau đây: (a)
yếu tố duy nhất, (b) hai phần tử hoa hồng, (c) ba phần tử
hoa hồng, (d) là một ví dụ của nhiều mục đích khác nhau đặc biệt
Thiết bị đo (đối với màng áp lực)
2 CD
L
A
L R ρ ρ = =
Yếu tố gage
dL L
DR R d
dL L
DR RF
một /
/ 1 2 /
/
/ ρ ρ v
ε
= = = + +
R
R
F
Δ
=
1
ε
các giá trị của F và R được cung cấp bởi nhà sản xuất gage,
và người sử dụng xác định ΔR tương ứng với đầu vào
tình hình được đo.
Lựa chọn và lắp đặt yếu tố
cho ngoại quan kim Strain gage
Lưới vật liệu và cấu hình
Backing nguyên
liệu Bonding và phương pháp
bảo vệ Gage
Gắn mạch điện
thuộc tính mong muốn của lưới
Chất liệu
yếu tố gage cao,
F
cao độ nhạy,
ρ
nhạy cảm nhiệt độ thấp
cao độ ổn định điện
năng suất cao sức
chịu đựng cao giới hạn
tốt tính thi
Tốt solderability
hoặc khả năng hàn
trễ thấp
thấp emf nhiệt khi tham gia vào các
vật liệu
tốt ăn mòn kháng
nhiệt độ nhạy
trong nhiều ứng dụng, bồi thường được
quy định trong các mạch điện -
này
không phải luôn luôn loại bỏ các vấn đề
hai yếu tố có liên quan đến:
các mở rộng khác biệt hiện tại giữa
hỗ trợ lưới điện và lưới điện thích hợp, dẫn đến
căng thẳng mà các gage là không thể phân biệt
từ tải căng thẳng
Sự thay đổi điện trở suất
ρ với nhiệt độ
thay đổi
nhiệt emf
Effect
emf nhiệt chồng lên đầu ra gage
phải được tránh nếu mạch dc được sử dụng
cho mạch ac yếu tố này sẽ có ít
tầm quan trọng
chung Lưới liệu
Constantan *; Copel * 45% Ni, 55% Cu
Isoelastic * 36% Ni, 8% Cr, 0,5% Mo, Fe
còn lại
* Tên thương mại
Sao Vật liệu Common
giấy mỏng
Phenolic tẩm giấy
Epoxy loại phim nhựa
sợi thủy tinh epoxy tẩm
Hầu hết các thiết bị cảm lá sử dụng một bộ phim epoxy ủng hộ
bảo vệ Strain Gage
các thiết bị cảm biến dạng phải được bảo vệ khỏi
các điều kiện môi trường xung quanh:
Cơ lạm dụng, độ ẩm, dầu, bụi bẩn
chất bảo vệ:
dầu khí sáp, nhựa silicone, epoxy
chuẩn bị, các hợp chất đánh răng cao su
bù nhiệt
các liền kề-cánh tay bù gage -
cầu nối
mạch
bồi thường tự nhiệt độ
Selected chảy gage
•
Thông qua thao tác thích hợp của hợp kim và chế biến, GRI
d
vật liệu có thể được chuẩn bị để cho thấy căng thẳng rõ ràng rất thấp
so với nhiệt độ thay đổi
yếu tố dual-gage
•
Sử dụng hai yếu tố dây nối tiếp trong một gage
lắp ráp
•
hai phần tử có đặc điểm nhiệt độ khác nhau
và được lựa chọn để sự căng thẳng nhiệt độ gây ra net được
giảm thiểu
hệ thống Strain-đo
chỉ số dòng cơ bản, hữu ích cho tĩnh:
đọc một kênh
hệ thống đơn kênh hoặc bên ngoài hoặc
một phần không thể thiếu của một cathode-ray
hiện sóng
Oscillographic
hệ thống kết hợp hoặc
một bút và giấy hoặc lightbeam và
phtographic
giấy readout
hệ thống thu thập dữ liệu:
hiển thị (kỹ thuật số và / hoặc bởi một thiết bị đầu cuối video)
ghi (băng từ hoặc bản giấy in)
Fed trở lại hệ thống cho mục đích kiểm soát
mối quan hệ stress-Strain
đơn giản đơn trục
tình hình căng thẳng
căng thẳng hai trục cảnh
quan hệ căng thẳng chủng cho Rosette Thiết bị đo (T 12,4)
Gage Định hướng và
Giải thích kết quả



Gage Kết nối trong dòng
tế bào tải