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作者:洪永杰、陳明周、胡正鈺(2001-08-20);推薦:徐業良(2001-08-27)
附註:本文為最佳化設計實驗室之應變規使用說明文件。

應變規使用說明

量測結構受負載時某特定位置上的應力值,最直接的方式是在該區黏貼應變規,由應變規所量測得的應變量再換算成應力數值。整個量測程序可分成三個部份,第一部份為應變規的黏貼,應變規黏貼的好與壞直接影響數值取得的正確性﹔第二部份為應變規所得數值的擷取工作,此部份需要相關儀器設備的配合﹔第三部份為數值轉換的部份,所得的數值必須經過處理才能呈現成我們所要的資料。以下將以此三部分為單元分別做說明,表1為本文中所使用之器材總表。

1. 實驗器材總表

 

器材

備註

1

Strain Indicator, P-3500

應變規資料擷取器

2

Switch & Balance unit, SB-10

10 Channels 收集器

3

PCL-818H

AD

4

BNC接頭轉接器

接於port C

5

BNC接線

低阻抗

6

排線

適合PCL-818H接頭

7

電腦主機+螢幕

資料儲存

8

三軸應變規(45°

Student Gage

9

應變規黏貼工具

清潔液、黏貼液、膠帶、電烙鐵、夾子、銲錫、砂紙

10

導線

低阻抗單芯線、低阻抗三芯導線

1. 應變規的黏貼

應變規黏貼的好與壞直接影響數值取得的正確性,這是一項專門的技術,需要經過反覆練習才能將應變規貼的好。以下以將應變規黏貼於鋁合金板為例,簡單敘述黏貼的步驟。

(1)   在鋁合金板選取所要的測試點,做上標記,如圖1所示。

1. 標示出黏貼位置

(2)   對欲黏貼應變規的位置進行清潔處理,以使得黏貼過程順利,且應變規可以緊密確實地黏貼於測試點表面。簡易的處理流程如圖2,先倒些許MCA-2清潔液於欲黏貼應變規的測試點表面,以細砂紙將表面細小突起顆粒磨平(以∞形路徑來研磨,如圖3所示),並去除表面已經氧化的部份,再以面紙擦乾清潔液,重複進行相同步驟直到黏貼位置表面平滑清潔為止。最後以MN5A-2清潔液清洗黏貼位置兩次,以面紙同一方向擦拭乾淨,即可達到簡易的清潔標準。

2. 應變規黏貼表面簡易處理流程

3. ∞形路徑研磨

(3)   利用夾子將應變規小心的夾出置於桌面,取一條長約6 cm的透明膠帶,用透明膠帶將應變規自桌面黏起,移至欲黏貼位置,如圖4,若是位置不對,將膠帶撕起再黏貼,直到使黏在透明膠帶上的應變規位置與欲黏貼的位置相符。

4. 將應變規移至欲黏貼位置

(4)   輕輕掀起膠帶的一端,使應變規離開鋁合金板表面,取微量的黏貼膠催化劑CATALYST-C均勻塗抹於應變規背面(圖5),再取黏貼膠M-BOND 200塗抹於欲黏貼的位置及其四周一小部份(圖6),靜候1分鐘。

5. 於應變規背面塗抹CATALYST-C催化劑

6. 於欲黏貼的位置及其四周塗抹黏貼膠M-BOND 200

(5)   將膠帶撕起的一端貼回鋁合金板表面,並使應變規落在原來的位置上,且膠帶內部得有空氣殘留。立即用大拇指透過膠帶緊壓應變規,使其黏貼確實,施壓1分鐘待黏貼膠乾。

(6)   黏貼膠乾後,大拇指施壓對應變規旋轉一圈後離開。至此,應變規已黏貼於測試點上,再撕去膠帶即完成所有黏貼工作。

(7)   將三蕊導線分別焊接於應變規上的焊接點(如圖7),之後用膠帶將其固定。

7. 完成品展示圖

至此應變規的黏貼工作已經告一段落,在大部分的狀況下應變規應該要加上一層保護層,如此可以防止外界因素對應變規造成破壞。

2. 實驗數據的取得

(1)   將實驗設備裝置如圖8。將焊接於應變規上的三蕊導線另一端分開,接於SB-10上,其中,紅色線接於SB-10左邊的P+端,白色線接於S-端,黑色線接於D端。SB-10左側接點均以低阻抗導線連接於P-3500右側相對應的接點,其中由於我們所使用的應變規阻抗為120歐姆,所以SB-10D接點接於P-3500D120上。由P-3500左端output點的BNC接頭,以BNC接線接至BNC接頭轉換器上的C-Port,轉換成排線後,接至PCL-818HA/D卡上,PCL-8l8H卡則插於電腦主機上。

8. 實驗設備裝置圖

(2)   設定P-3500GAGE FACTOR成為2.061BALANCE0。調整SB-10上各個ChannelBALANCE,使應變規的初始值均為0

(3)   PCL_818H執行PCL-818H.EXE,以驅動PCL-818H A/D卡,如圖9所示。可再進入檔案夾PCLSTEST執行Testprog.EXE以觀測PCL-818H A/D卡運作情形(Channel 10),所得畫面如圖10

9. 選取並驅動PCL-818H A/D

 

10. 觀測PCL-818H A/D卡運作情形

(4)   Visual Basic下,執行偵測電壓的程式(圖11),按下操作介面上的讀取鈕(圖12)後開始抓取PCL-818H A/D卡上的資料,執行停止後自動產生電壓數值的檔案,將此檔案儲存於C槽下。

11. 實驗操作介面程式碼

12. 實驗操作介面

此程式程式一開始便控制A/D卡相關位址,用以設定A/D卡取樣頻率、電壓範圍、輸入接腳等,當按下開始鈕時,啟動計時器程式,計時器程式裡有讀取與轉換電壓程式,自動地將電壓值顯示在Text4文字框裡,並存入Volt1的矩陣裡。VB語言提供FileSystemObject物件功能,可以把讀取的電壓訊號儲存成.txt檔案。

(5)       執行MATLAB程式,在MATLABcommand window中執行程式“Gage.m”(圖13),此時由A/D卡上所得到電壓數值資料將會以圖14形式繪出。

13. 執行Gage.m計算並繪製PCL-818H A/D卡抓取到的資料

14. 原始電壓數值資料

3. 實驗數據的轉換

由於PCL-818H A/D卡所擷取的資料為電壓訊號,並非應變規實際的應變量,因此必須藉由測得電壓()與應變()的轉換關係式加以計算求得。概略的理論推導簡述如下。

由於應變規之電阻值變化與應變呈線性關係,因此可以表示為

                                                                                                       (1)

其中為應變規係數(Gage Factor),本實驗所使用應變規之內定等於2.061

通常應變規的輸出係利用一惠斯頓電橋轉換成一電壓訊號,如圖15所示。如果一單一應變規作為惠斯頓電橋之一臂,而其他三臂使用相等的固定電阻,則輸出電壓為

                                                                                (2)

其中相當於一常數,因此式(2)可簡化為

                                                                                                 (3)

15. 惠斯頓電橋

將式(1)代入式(3)可得

                                                                                                              (4)

由式(4)即可將量測到的輸出電壓轉換成應變規的實際應變量。