低应力实验测量方法

❶ 实验应力分析的实验方法

实验应力分析方法目前已有电学的、光学的、声学的以及其他方法。 有电阻、电容、电感等多种方法，而以电阻应变计测量技术应用较为普遍，效果较好。
①电阻应变计法
电阻应变计是一种能将构件上的尺寸变化转换成电阻变化的变换器，一般由敏感栅、引线、粘结剂、基底和盖层构成。将它安装在构件表面。构件受载荷作用后，表面产生微小变形，敏感栅随之变形，致使应变计产生电阻变化，其变化率和应变计所在处构件的应变成正比 。测出电阻变化，即可按公式算出该处构件表面的应变，并算出相应的应力。依敏感栅材料不同，电阻应变计分金属电阻应变计和半导体应变计两大类。另外还有薄膜应变计、压电场效应应变计和各种不同用途的应变计，如温度自补偿应变计、大应变计、应力计、测量残余应力的应变化等。
②电容应变计法
电容应变计是一种能将构件上的尺寸变化转换成电容变化的变换器。试件变形时，两电容极片间距随之变动，引起电容变化。测出电容变化率，按公式可算出试件的应变 。电容 应 变计有弓形 、平板式和杆式等类型，多用于发电厂的管道、设备或核能设备的长期高温应变测量，监视裂纹的形成和发展，以及对航空航天构件材料进行高温性能测试等。 此法发展较快，方式较多，逐渐形成光测力学。经典的光弹性实验技术已从二维、三维模型实验（如光弹性法、光弹性应力冻结法）发展成为能用于工业现场测量的光弹性贴片法，用来解决扭转和轴对称问题的光弹性散光法，研究应力波传播和热应力的动态光弹性法和热光弹性法，进行弹-塑性应力分析的光塑性法 ， 以及研究复合材料力学的正交异性光弹性法 。除了上述 经典方法外 ，还有云纹法、云纹干涉法、全息干涉法、散斑干涉法、全息光弹性法、焦散线法等。此外还有80年代发展起来的光纤传感技术和数字图像处理技术等。
①光弹性法
运用光学原理研究弹性力学问题的一种实验应力分析方法。某些各向同性透明的非晶体高分子材料受载荷作用时，呈现光学各向异性，使一束垂直入射偏振光沿材料中的两主应力方向分解成振动方向互相垂直、传播速度不同的两束平面偏振光；卸载后，又恢复光学各向同性。这就是所谓的暂时双折射效应。用具有这种效应的透明塑料按一定比例制成零构件模型，置于偏振光场中，施加一定的载荷，模型上便产生干涉条纹。通过计算，就能确定模型受载时各部位的应力大小和方向。此法对应力集中区和三维内部应力问题的求解特别有效。
②云纹法
通过测定云纹并对其进行分析以确定试件的位移场或应变场的一种实验分析法。其原理是，当栅板和栅片重叠时，因栅片牢固地粘贴在试件表面而随之变形，遂使栅板和栅片上的栅线因几何干涉而产生条纹即云纹。可通过云纹测定物体表面的等高线，以及板壳的挠度分布等。
③云纹干涉法
几何云纹法与光学干涉法相结合的一种实验分析法。将高密度衍射光栅精确复制在物体表面，并用激光束照射该光栅，便可通过光栅衍射波干涉形成的条纹图，获得物体表面的变形信息 。此法灵敏 度高 ，条纹对比度好；能进行全场分析，实时观测，量程几乎不受限制。
④全息干涉法
利用全息照相获得物体变形前后的光波波阵面相互干涉所形成的干涉条纹图进行物体变形分析的一种方法。全息照相是一种不用透镜而能记录和再现被摄物体的三维图像的照相方法。它能把来自物体的光波波阵面的振幅和相位信息以干涉条纹形式记录下来，又能在需要时再现出来，以观察到物体的三维图像。全息干涉法的主要内容是研究条纹图的形成、条纹的定位以及对条纹图的解释。对于具有漫反射表面的不透明物体，条纹图表示物体沿观察方向的等位移线；对于透明的光弹性模型（如有机玻璃），则表示模型中主应力之和等于常数的等和线。常用的全息干涉法有双曝光法、即时法和均时法。
⑤散斑干涉法
精确检测物体表面各点位移的光学测试法。激光照射在漫反射物体表面时，由反射光波干涉形成的散斑随物体变形或位移而变化。采用适当装置，通过双曝光法把变形前后的散斑记录在一张全息底片上，经显影定影后便可获得存储物体表面各点位移信息的散斑图。用激光照射散斑图，就显出散斑干涉条纹。在进行光学傅里叶变换信息处理后，便可分析出位移信息。
⑥焦散线法
利用焦散线测量应变（或应力）奇异场力学参数的一种光学实验法。当一束光垂直照射在一块受载的带有边缘裂纹透明薄板试件的局部高应变场区域时，由于域内各处厚度的变化十分悬殊，使透过的光线发生强烈偏折和汇聚，在试件与像屏间的空间形成一个明亮的曲面，称为焦散面。若用一个半透明屏幕切割此焦散面，就可看到一条明亮的曲线，即焦散线。通过光学和力学分析，可将焦散线的几何参数与奇异场的力学参数间的关系建立起来，从而通过测量焦散线的几何形状，可求出有关的力学量。
⑦光纤传感技术
用光纤作“传”和“感”的元件，当光通过光纤时，光的某一特性（如光强、相位、波长、偏振等）受到被测物理量的影响而发生变化，利用这一变化即可测得诸如声压、电场、磁场、位移、加速度、应变、温度等。光纤传感器的独特优点是：光纤是一种绝缘介质，不受电磁干扰，能耐高温高压，能在腐蚀和易燃、易爆等恶劣环境下工作；光纤灵敏度高，能探射极弱的信号和微小的信号变化；可做成便于应用的任何形状；光纤作为传输介质，损耗低 ，可作远距离遥测和遥控；能构成对各种物理量（如声、电 、磁、温度、转动等）微扰敏感的器件。因此，光纤传感器在传感器领域内占有重要地位。
⑧数字图像处理技术
利用电子计算机对图像信息进行采集、处理和分析的图像信息处理技术。在实验力学领域内，主要用来分析处理光测力学中光弹性法、云纹干涉法、全息干涉法、散斑干涉法等的光学干涉条纹信息，获取全面而有效的实验数据，实现光测力学的图像信息采集自动化和数据分析程序化。 有声弹性法、声发射技术和声全息法等。
①声弹性法
利用超声剪切波的双折射效应测量应力的一种方法。超声波在有应力的介质中传播时，其剪切波沿两主应力方向发生偏振，两偏振波以不同速度传播。实验和理论分析得到应力-光学定律 ： 沿主应力方向的两个超声剪切波的速度差与两主应力差成正比。该比例系数称声弹性系数，与材料的弹性常数有关。用此法可测量非透明材料的内部应力，并可测量焊接件的残余应力。
②声发射技术
构件在受力过程中产生变形或裂纹时 ，以弹性波形式释放出应变能的现象称为声发射；利用接收的声发射信号，对构件进行动态无损检测的技术称为声发射技术。此技术可用来检测裂纹和研究腐蚀断裂过程，以及监视构件的疲劳裂纹扩展等；还可用来评价构件的完整性，判断结构的危险程度。
③声全息法
20世纪60年代发展起来的成像技术。其原理和全息照相相同，即利用波的干涉原理记录物波的振幅和相位，并利用衍射原理再现物体的像。它的不同处是用超声波代替光波。此法的成像分辨率高，用于无损检验，可显示试件内部缺陷的形状和大小。 常见的有脆性涂层法、X射线应力测定法、比拟法等。
①脆性涂层法
把特殊的涂料喷涂在工程构件表面，以确定主应力方向和估计主应力大小的一种全场实验方法。涂料喷涂到构件表面后，经过处理，就在构件表面结成脆性层。当此构件由于加载而产生的应变在某点达到一定的临界值时，该点涂层就出现一条与主应力方向垂直的裂纹。连接同一载荷下所有裂纹的端点，其连线上各点是有相等的应力值，称为等应力线。通过逐级加载，可得几乎遍布整个涂层表面的裂纹图和对应于不同载荷的等应力线，从而可直接观察到构件表面各处主应力大小和方向的分布状况。此法主要用来测出最大应力区和主应力方向，作为电阻应变计测量技术的辅助方法。
②X射线应力测定法
利用X射线穿透金属晶格时发生衍射的原理，测量衍射角的变化并通过布拉格公式确定晶格的变化，从而算出金属构件表面应力的一种实验方法。此法可无损地测量构件中的应力或残余应力，特别适于测量薄层和裂纹尖端的应力分布，是检验产品质量，研究材料强度，选用较佳工艺的一种重要手段。
③比拟法
根据两种物理现象之间的比拟关系，通过一种物理现象的观测试验，研究另一种物理现象的方法。如果两种物理现象中存在以形式相同的 数 学方程 描 述的物理量，它们之间便存在比拟关系，就可用一种较易测试的物理现象模拟另一种难以测试的物理现象，从而使试验工作大为简化。在实验应力分析领域中，常用的有薄膜比拟、电比拟、电阻网络比拟、沙堆比拟。

❷ 关于实验检测：低应力和拉伸力的区别

低应力的材料的拉伸力比较小，同时可以拉伸的长度大一些。高应力材料一般受到拉力变化极小。从以上试验可以看到应力是抵抗外力变化的一种能力。拉伸力是一种外部施加作用力的一种手段。

❸ 结构试验中如何测量应力

一般方法是先测定应变，后通过材料已知的σ-ξ关系曲线或方程换算为应力值。

❹ 各种材料应力的检测方法都有哪些

材料应力的检测方法与设备有很多，其中新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统基于数字图像相关算法，为试验者提供非接触式动态全场三维应变及位移测量，应变测量范围从0.005%-2000%以上。
XTDIC可直接测量全场振幅、振动信息 ；可用于实时监测 ；试验过程可追溯、可评估。基于自主研发算法，结合客户现场试验情况，可为客户提供定制开发服务。客户需求因行业、工况而有一定的差异，产品定制成为客户的关注点，新拓三维提供的定制化服务。

❺ 声发射法古地应力大小测量

用声发射地应力测量法测量地质历史时期的古应力大小，主要是利用岩石的凯瑟（Kaiser）效应的“抹录不净”现象，丁原辰和张大伦在大量实验的研究基础上发现了一种称之为“抹录不净”的物理现象：即若岩石在一期较大的应力作用前，已经承受过一期较低的应力作用，则在作声发射测量时，后一期应力作用的凯瑟效应比前一期应力作用的凯瑟效应明显，但前一期应力作用也有类似的凯瑟效应。“抹录不净”现象的发现，为我们直接测量某一地区所受的历史应力值，划分古构造期次提供了一定的依据。

作者等在燕山东段—下辽河盆地，分别采集了从中新元古代到新生代不同时代地层中的样品，用声发射法对其所经受的古应力值和现今应力值进行测试。测试工作是在地质矿产部地质力学开放研究实验室完成的，测得的不同时代地层中经历的构造运动次数结果见表6-6，根据声发射累积数与外加压应力关系曲线（图6-7）确定的不同时代岩石所经历的历史应力值见表6-7。

表6-6 燕山东段—下辽河盆地声发射法古地应力期次测量结果表

图6-7 声发射（AE）累积数与外加压应力关系曲线

表6-7 燕山东段及下辽河盆地声发射法古地应力值测量结果表

实验结果显示，辽河盆地沙一、二和东营期岩石一般都有两期的记忆，第一期为33.9～37.2Mpa，平均35.2Mpa，第二期47.1～64.6Mpa，平均53.4Mpa，沙四、沙三期岩石普遍经历了三期应力作用，各期应力大小分别为：第一期28.5～36.2Mpa，平均33.2Mpa，第二期48.5～59.3Mpa，平均53.7Mpa，第三期67.6～71.4Mpa，显然该期次应力值差别较大，可能与坨6采样点样品的位置有关，估计平均值应为69.5Mpa。与沙一、二和东营期岩石所经受的应力作用相比，后者的前两期应力大小与前者的两期应力大小极其相近。因而可以推测，辽河盆地新生代以来可能经受了三期的应力作用：第一期在沙三与沙二之间，应力大小为69.5Mpa，对应与沙三末的构造抬升。第二、三期在东营之后，应力大小分别为53.4～53.7Mpa和33.2～35.2Mpa，其中一期对应老第三纪末的构造反转，另一期可能对应东海盆地中新世末的构造事件。

阜新、北票附近白垩系义县组岩石经历了四期应力作用，中侏罗统蓝旗组岩石经历了五期应力作用和中元古界大红峪组经历了八期应力作用。白垩系义县组岩石比新生代岩石多经历的一次应力作用可能对应白垩纪末的挤压作用，中侏罗世岩石比白垩纪岩石多经历的一次应力作用可能对应侏罗纪末的挤压作用。中元古代地层所经受的八期应力作用可能对应于中新世末、老第三纪末、沙三期末、白垩纪末、侏罗纪末、早侏罗世末、中三叠世末及海西期的挤压作用。

孙宝珊、丁原辰等在该区北侧张强凹陷科尔康油田用声发射法对下白垩统地层所经历的历史地应力的测量结果也显示，下白垩统地层经历了四期应力作用，其古应力值分别为：33.4MPa、57.1MPa、87.3MPa和106.2MPa（平均值）。其中的应力作用大小和期次与燕山东段—下辽河盆地所测的应力作用大小及期次相近。两者对比分析表明，燕山东段—下辽河盆地声发射所测试的几期应力作用在区域上具有一定的代表性。

❻ 残余应力的测量方法

1.盲孔法残余应力测量

它的原理是在平衡状态下的原始应力场上钻孔 ，以去除一部分具有应力的金属，而使圆 孔附近部分金属内的应力得到松弛，钻孔破坏了原来的应力平衡状态而使应力重新分布，并呈现新 的应力平衡，从而使圆孔附近的金属发生位移或应变，通过高灵敏度的应变仪，测量钻孔后的应变 量，就可以计算原应力场的应力值。
残余应力检测仪主要采用盲孔法进行各种材料和结构的残余应力分析和研究，还可作为在静力强度研究中测量结构及材料任意点变形的应力分析仪器。如果配用相应的传感器，也可以测量力、压力、扭矩、位移和温度等物理量。它以计算机为中央微处理机，采用高精度测量放大器、数据采集和处理器，测量中无需调零，可直接测出残余应力值的大小及方向，实现了残余应力测量的自动化。
2.磁测法残余应力测量
磁测法残余应力检测法主要是通过磁测法来测定铁磁材料在内应力的作用下磁导率发生的变化确定残余应力的大小和方向。众所周知，铁磁材料具有磁畴结构，其磁化方向为易磁化轴向方向，同时具有磁致伸缩性效应，且磁致伸缩系数是各向异性的，在磁场作用下，应力产生磁各向异性。磁导率作为张量与应力张量相似。通过精密传感器和高精度的测量电路，将磁导率变化转变为电信号，输出电流（或电压）值来反映应力值的变化，并通过装有特定残余应力计算机软件的计算机计算，得出残余应力的大小、方向和应力的变化趋势。
3.X射线衍射法残余应力测量
在各种无损测定残余应力的方法之中，X射线衍射法被公认为最可靠和最实用的。它原理成熟，方法完善，经历了七十余年的进程，在国内外广泛应用于机械工程和材料科学，取得了卓着成果。X-射线应力测定仪是一种简化和实用化的X射线衍射装置，因而它还有一项附加的功能──测定钢中残余奥氏体含量。由于它适用于各种实体工件，而且能够针对同一点以不同的φ角、Ψ角进行测试,以探测织构的影响，这项功能便具备了重要而独特的用途。

❼ 声发射法现今地应力值测量

声发射地应力测量方法是近年来发展起来的一种利用岩石的凯瑟（Kaiser）效应测量岩石今古地应力大小的地应力测量方法。

作者运用声发射方法，在下辽河盆地作了十个新生代岩石样品的声发射地应力测量（测试工作由地质力学开放实验室丁原辰研究员等完成）（图6-5）。根据声发射所测定的现今有效最大主应力值与孔隙压力，对下辽河盆地的现今最大主应力值进行了计算，结果见表6-4，显示下辽河盆地1794～3676m深度范围内现今最大主应力值的大小为36.8～60.8MPa。如果孔隙压力越大，有效最大主应力越低越有利于油气聚集，则推测黄63，黄30和牛22 等井位相对有利于油气的聚集，当然也不能排除高压油气圈闭的可能性。

图6-5 燕山东段—下辽河盆地声发射法地应力测量采样位置图

表6-4 下辽河盆地现今地应力声发射法测量结果表

续表

❽ 其他地应力测量方法

（1）扁千斤顶法

扁千斤顶又称“压力枕”，由两块薄钢板沿周边焊接在一起而成，在周边处有一个油压出口和一个出气阀，见图1-15。

图1-15 扁千斤顶应力测量示意图

扁千斤顶的测量原理基于岩石为完全线弹性的假设。具体做法是：在待测区安装两个测量柱，并用微米表测量两柱之间的距离，再挖一个垂直于测量柱连线的扁槽，其形状参数与扁千斤顶一致，同时记录下由于扁槽开挖造成的应力释放而引起的测量柱间距离的变化，而后将扁千斤顶完全塞入槽内，再用电动或手动液压泵向其加压，由于压力的增加，两测量柱的距离亦增加。当两测量柱之间的距离恢复到扁槽开挖前的大小时，停止加压，记录下此时扁千斤顶中压力，该压力称为“平衡压力”，等于扁槽开挖前表面岩体中垂直于扁千斤顶方向，即平行于二测量柱连线方向的应力。由此可以看出，扁千斤顶法测量地应力是一维的，而且应用范围也受到限制，现已被淘汰。

（2）刚性包体应力计法

此法是20世纪50年代继扁千斤顶法之后应用较为广泛的一种岩体应力测量方法。

理论分析表明，在一个无限体中的刚性包体，当周围岩体中的应力发生变化时，在刚性包体中会产生一个均匀分布的应力场，该应力场的大小和岩体中的应力变化之间存在一定的比例关系。假设在岩体中的x方向有一个应力变化σ_x，那么在刚性包体中的x方向会产生应力σ′_x，并且有下式存在：

油气藏现今地应力场评价方法及应用

式中：E、E′——分别为岩体和刚性包体的弹性模量；μ、μ′——分别为岩体和刚性包体的泊松比。

从（1-26）式可以看出，当E′/E＞5时，σ′_x/σ_x值将趋向于一个常数1.5，即当刚性包体的弹性模量超过岩体的弹性模量5倍之后，在岩体中任何方位的应力变化将在包体中相同方位引起1.5倍的应力。因此，只要测量出刚性包体中的应力变化就可知道岩体中的应力变化。根据刚性包体中压力测试原理的不同，刚性包体应力计可分为（表1⁃1）：

表1-1 刚性包体应力计表

由于刚性包体应力计具有很高的稳定性，因而可用于对现场应力变化进行长期监测。然而此法通常只能测量垂直于钻孔平面的单向或双向应力变化情况，而不能用于测量原岩应力，而且除钢弦应力计外，其他各种刚性包体应力计的灵敏度均较低，故已淘汰。

在钻孔孔壁应变测量法所采用的应变计目前有两种：①一般的钻孔三向应变计，它是把测量元件电阻丝应变片直接贴在钻孔岩壁上，这种应变计测量精度高，但操作复杂，对被测岩体完整性要求高，因而测量成功率低。②我国学者刘允芳等人研制的利用环氧树脂技术制成的空心包体式钻孔三向应变计测量的成功率较高，已被广泛使用。

（3）应力解除法

图1-16 应力解除法测量地应力示意图

此法是最早被采用的实地地应力测量方法。尽管在技术细节上有很多变化，但基本原理是一致的，即先钻一大孔，孔径一般为130mm，沿大孔轴线在孔底钻一个小孔，孔径一般为36mm，把应变测量装置下入小孔中，再把塞有应变测量装置的大孔孔底套出（图1-16），卸掉孔心的围限压力，测量卸载过程中孔心应变，就可以计算出三向主应力值和主应力方向。

实际中，由于技术细节的不同，还有很多应力解除法，上面的是套孔应力解除法，对应的还有局部应力解除法，包括切槽解除法、钻孔全息干涉测量法、平行钻孔法、中心钻孔法、钻孔延伸法等。

（4）松弛应变测量法

微分应变曲线分析法

此法是由斯特里克兰（F.G.Strickland）、雷恩（N.K.Ren）和J.C.罗吉尔斯等人在20世纪80年代初首先提出。该法基于这样的假设：即一个从地下取出的岩心，由于解除了应力，将会随着岩石的膨胀而出现微裂隙，裂隙的分布和原岩应力的方向有关，裂隙的数量和强度与原岩应力大小成正比。在试验中可作出微分应变曲线图（图1-17）。

在对加压试验中描绘出的12条应力-应变曲线进行微分分析，由于每一曲线均包含两个（或两个以上）线性段，两个线性段的斜率明显不同，两个线性段之间有一个过渡段，由此可获得在单位压力下的裂隙闭合应变率，即ε′，如图1-17。由12个方向的裂隙闭合应变率可求得三个主裂隙应变的方向，它们对应着三个主应力的方向。主应力的大小可由瞬时关闭压力值来确定。

图1-17 微分应变曲线分析图

（据蔡美峰等，1995）

非弹性应变恢复法

此法的原理早在1969年即由沃伊特（B.Voight）提出，后来图菲尔（L.W.Tueful）等人作了重大发展。

非弹性应变恢复法在某种程度上是应力解除法的延伸。沃伊特等人认为由应力解除引起的岩心的变形由两部分组成：一是弹性部分，它是在应力解除的瞬间完成的；二是非弹性部分，它要经过一个相当长的时间才能完成。非弹性恢复应变与总的恢复应变成正比，主非弹性恢复应变的方向与原岩主应力方向一致。同时，如果岩石是均质和线粘性的，且其泊松比已知，并不随时间而变化，而且自重是一个主应力，那么由测得的主非弹性恢复应变的大小即可计算出原岩应力的大小。

❾ 如何提高应力测试的测量精度

提高测量精度应该按照以下方法进行：

• 选择熟练的测量人员。

• 选择合适的测量设备。

• 选择合适的测量环境。如合格的检验平台等。

• 选择合适的测量方法。进可能选择容易测量到的面进行测量。

• 选择具有代表性的工件进行测量。有些工件明知道不合格，且不具有代表性，这样的测量是无意义的。

测量是按照某种规律，用数据来描述观察到的现象，即对事物作出量化描述。测量是对非量化实物的量化过程。在机械工程里面，测量指将被测量与具有计量单位的标准量在数值上进行比较，从而确定二者比值的实验认识过程。

我国国务院于1977年5月27日颁发的《中华人民共和国计量管理条例（试行）》第三条规定中重申：“我国的基本计量制度是米制（即公制），逐步采用国际单位制。”1984年2月27日正式公布中华人民共和国法定计量单位，确定米制为我国的基本计量制度。在长度计量中单位为米（m），其他常用单位有毫米（mm）和微米（μm）。在角度测量中以度、分、秒为单位。

❿ 应力应变测试常用的方法有哪些

常见的应力测试方法
应力仪或者应变仪是来测定物体由于内应力的仪器。一般通过采集应变片的信号，而转化为电信号进行分析和测量。

应力测试一般的方法是将应变片贴在被测定物上，使其随着被测定物的应变一起伸缩，这样里面的金属箔材就随着应变伸长或缩短。很多金属在机械性地伸长或缩短时其电阻会随之变化。应变片其实就是应用了这个原理，通过测量电阻的变化而对应变进行测定。一般应变片的敏感栅所使用的是铜铬合金材料，这种材料其电阻变化率为常数，它与应变成正比例关系。

我们通过惠斯通电桥，便可以将这种电阻的比例关系转化为电压。然后不同的仪器，可以将这种电压的变化转化成可以测量的数据。
对于应力仪或者应变仪，关键的指标有： 测试精度，采样速度，测试可以支持的通道数，动态范围，支持的应变片型号等。并且，应力仪所配套的软件也至关重要，需要能够实时显示，实时分析，实时记录等各种功能，高端的软件还具有各种信号处理能力。