微小形变电测法的教学内容设计和优化研究_金克新.pdf

第 卷第 期大学物理实验 年 月 收稿日期：基金项目：国家自然科学基金（）资助和西北工业大学教育教学改革研究项目支持（）。通讯联系人文章编号：（）微小形变电测法的教学内容设计和优化研究金克新，孙琪杰，王 民，郑建邦（西北工业大学 物理科学与技术学院，陕西 西安）摘要：微小形变电测法是大学物理实验中一个非常有特色的综合性创新实验。通过电阻应变片将悬臂梁的微小形变转变为电阻的变化，从而实现微小形变的电测量。结合实验中所蕴涵的国家重大需求及工程问题，以中国航空大型飞机和航母特种钢的设计与研制为例，融入课程思政内容，激发学生的学习热情和爱国热情，使学生综合素质得到全面发展，同时对大学物理实验的教学和研究也具有一定的指导意义和实践价值。关键词：大学物理实验；教学设计；课程思政；应力；应变片中图分类号：文献标志码：大学物理实验投稿网址：年 月 日，由中共中央总书记、国家主席、中央军委主席、中央全面深化改革委员会主任习近平主持召开的中央全面深化改革委员会第二十四次会议审议通过关于加强基础学科人才培养的意见，强调“要全方位谋划基础学科人才培养”。大学物理实验是高等学校理工科专业学生必修的基础课程，也是基础学科人才培养的关键课程，该课程包含了丰富的物理知识、思想和方法等，在强化实践能力、培养创新意识以及提高学生综合素养方面具有重要作用。“应力”和“应变”是力学的重要概念，在材料力学、弹性力学等课程中均有涉及，也是教学的重点内容，有必要将微小形变测量融入大学物理实验课程当中，使学生从实验出发理解抽象的应力应变概念，进而达到理论与实践相结合的教学目的。因此，我校设置了“微小形变电测法”这一特色实验作为大学物理实验，其设计思路是：将非电学量转换成电学量，在实验中将应变和电测量联系在一起，利用应变片作为测量物体微小形变的传感元件，由学生搭建电路测量，从而实现微小形变的定量测量。与此同时，应力应变测量的方法也在不断地发展和进步，如以光纤作为信号传输介质的光纤光栅法、基于材料双折射效应的光弹性法等。文章将从“微小形变电测法”这一物理实验作为切入点进行教学设计和分析，在教学过程中融入课程思政内容，讲授实验中所蕴涵的国家重大需求及工程问题，阐述两种微小形变光学测试方法的原理及其特点，使学生综合素质得到全面发展。为培养德智体美劳全面发展的社会主义事业建设者和接班人奠定基础。以微小形变中蕴涵的国家重大需求及工程问题为例引入思政元素 为了研究材料在受力作用下的变形情况，可以通过测试微小形变得到可靠的数据，并验证体系设计的正确性。下面以大型飞机和航空母舰特种钢的研制为例引入课程思政元素，阐述微小形变测量的重要作用。大型飞机中应力应变的重要性结构强度是飞机的安全性和机动性的重要因素之一，在设计、研制和定型时需要进行应力应变性能测试。随着对飞机性能测试研究的不断深入，试验的测量规模迅速扩展，如战斗机的测量点约 万，单次最大约 万；中型机的测量点约 万，单次最大约 万；大型机的测量点约 万，单次最大约 万。我校是同时具有航空、航天、航海“三航”工程教育和科学研究的全国重点大学，培养了大批航空领域人才，也被社会誉为“总师摇篮”。如图（）是校园内的 零号试验机，这是做过应力疲劳实验的飞机，如图（）所示，飞机内部有很多应变片用于在模拟测试时监控飞机的微小变形和受力情况。以中国自主研制的大型飞机为例，进一步激发学生对应力应变的学习兴趣。同时，也让学生认识到中国要实现大飞机强国梦，任务艰巨、责任重大、使命光荣；让学生深刻理解我国航空事业发展的每个进步都是一点点逐渐积累起来的，激励学生从基础知识学起，做到基础扎实和开拓创新。（）（）图 （）西工大校园 零号试验机（）内部应变片 航母特种钢研制中应力应变的重要性航母特种钢制造难度极大，全球仅有几个国家可以实现，中国正是其中之一，它的应力应变性能要远高于普通军用船舶，特别是飞行甲板用钢可承受的压强一般在 以上。例如美国的 钢材，它是一种镍铬和钛混合的合金钢，是制造航母的关键材料；后来发展了以 为基础的性能更强的 和 高强度钢，应用到舰体可以使外壳更薄、重量更轻。俄罗斯研制的 系列镍铬加钛合金钢是目前屈服强度最高的材料，可达 ；年 月 日，中国自主设计和研制的第一艘国产航母“山东舰”正式交付海军，标志着中国突破了特种钢的限制，拥有了独立自主航母建造技术，也表明伟大祖国正在复兴，国家海上能力将越来越强。作为新时代大学生，应该为已取得的成果感到自豪，更应努力学习基础知识，为早日实现中华民族伟大复兴的中国梦贡献自己的力量。以微小形变电测法为主引入不同测量方法及其优缺点 从物理角度看，弹性构件在荷载作用下发生变形效应，当载荷强度逐渐增大材料将从某一点发生破坏，通常测量这个形变量的大小，可以获得其应变值。变形量可以通过电测法和光学方法得到，下面以微小形变电测法为主介绍三种方法。微小形变电测法及基本原理 电阻应变片的结构应变片电测法是用电阻应变片测量表面的应变，再根据应变应力关系确定表面应力状态的测量方法。测量时，将电阻应变片固定在零件被测点的表面，当零件在载荷作用下产生应变时，电阻应变片的电阻将发生相应的变化，通过计算可得到被测点的应变值。电阻应变片结构相对简单，如图 所示，由敏感栅、基底和覆盖层三部分组成，其中敏感栅是核心部件，它是由高电阻系数的细丝弯曲成栅状而成，细丝直径一般为。这样设计是为了将形变引起的电阻变化进行累计放大，便于进行观察和测量。基底则起到固定作用，并从敏感栅上引出引线，连接到电路上进行测量，而覆盖层完全由绝缘材料构成，起到对应变片的保护作用。图 电阻应变片结构示意图 测量装置及原理如图 所示，将电阻应变片固定在悬臂梁待测变形位置，通过给悬臂梁添加不同重量的砝码，悬臂梁将产生不同的形变。为了测量悬臂梁的微小形变，需要测量电阻变化（）。所受应力沿应变的主轴方向时，电阻相对变 第 期金克新，等：微小形变电测法的教学内容设计和优化研究化与应变量 成正比，即：，（）式中：为电阻应变片的灵敏系数，为应变片的初始电阻值。将公式（）进一步化简可得到：，（）公式中 与 都是直接测得的物理量，因此只要测出应变片电阻的相对变化，计算可得悬臂梁的应变值。图 悬臂梁微小形变测试示意图 排除温度对实验结果的影响由于电流会使应变片温度升高，从而导致应变片的电阻发生改变，产生系统误差。因此，需要在悬臂梁的非形变端固定一个补偿片，补偿片与应变片完全相同，进而保证了两个应变片的内部条件和外部环境一致。为了显示和记录形变的大小，将应变片组成电桥电路，测试由非电学量引起应变片电阻的变化。该平衡电桥电路如图 所示，其中、和为电阻箱，为微调电阻箱，为检流计，是检流计的保护电阻。当检流计 的电流示数为零时电桥平衡，即：（），（）温度变化导致应变片 产生一个增量，由于补偿片与应变片是完全相同的，因此 也会产生一个相同的增量，此时电桥仍然平衡，以此达到温度补偿目的，即：（），（）电测法作为一种应用广泛的微小形变测量方法，具有技术成熟、简单方便等优点，但是也有一定的局限性，如多点应力测量过于复杂、无法进行 测量和器件内部的应力测量等。图 应变片电阻测量的示意图 微小形变光测法及基本原理 光纤布拉格光栅法光纤光栅传感器是一种以光纤为载体的传感器件，一般由纤芯层和保护层构成，光会在纤芯内部全反射传输，通过调制纤芯层折射率即可得到布拉格光栅。入射的宽带光会在布拉格光栅中进行选择性反射，只有与纤芯层折射率调制相位相匹配的光会被反射。通过这一原理，只要将光纤和待测表面固定在一起，并拉伸或压缩光纤，那么布拉格波长就会发生变化，从而得到表面应变值。光纤光栅法的优点在于其具有极高的测量精度，同时也易于构建分布测量系统。但该方法受温度影响较大，温度耦合效应会影响到测量的结果和精度。光弹性法光弹性法是利用光学原理进行应力应变测量的代表性方法，双折射效应是这一测量方法的核心原理，各向同性的非晶体材料在自然状态下不会产生双折射现象，但当其受到应力作用时，就会像晶体一样表现出光学各向异性，产生双折射现象，而将施加的应力去除之后，材料又恢复各向同性，这就是所谓的暂时双折射效应。以具有暂时双折射效应的透明材料搭建测试装置，将被测对象置于偏振光场中并施加一定的应力，由于材料的双折射效应，测量装置中会出现干涉条纹，干涉条纹的数量取决于应力的大小，应力越大条纹越多。以条纹数量这一直观观察量就能够定性分析应力的大小。光弹性法是一种非接触式的测量方法，在无法直接接触被测器件的情形下有独有优势，但是该方法被测区域受限严重，改变测量点位较为困难。大 学 物 理 实 验 年 结 语应力应变是材料的一个重要力学参量，它表征了材料的受载状态、负载水平和强度情况。文章以微小形变电测法为主，充分展示了应力应变测量的不同方法及其优缺点，将理论与实践相结合，让学生充分了解并掌握应力应变相关的知识。同时将应力应变理论与航空航海相结合，引入课程思政元素，阐明了中国在大型飞机与航母制造方面所面临的机遇与挑战，进一步激发学生的爱国热情和学习热情，充分调动学生的学习积极性，为培养德智体美劳全面发展的社会主义事业建设者和接班人奠定了基础。参考文献：朱勇，汪大洋力学教学中“应力”“应力状态”相关问题探讨与思政融入广西物理，（）：李永涛，张红光，陈伟，等大学物理实验课程创新教学改革与实践大学物理实验，（）：刘文彦，王显德针对大学生创新能力培养的物理实验教学模式改革的探讨 大学物理实验，（）：秦颖，周玲，李雪春，等多形式的个性化人才培养模式提升学生的创新与实践能力物理与工程，（）：雷道红，郭晓冬大型飞机结构试验应变片测量与管理方法工程与试验，（）：罗荣怀筋骨之痛 飞机全机最大载荷静力试验攻关札记大飞机，（）：宁睿，李鑫，王旭，等基于应力应变测试的航空机轮优化设计中国航空工业技术装备工程协会年会论文集：张辛，王旱祥，姜浩，等“梁的应力应变测试”实验教学方 案 设 计 教 育 现 代 化，（）：秦正波一种改进惠斯通电桥和交流电桥实验教学效果的简单方法大学物理实验，（）：王建元，翟薇，侯建平，等悬臂梁微小形变电测法实验中的力学结构优化设计 大学物理实验，（）：樊英杰，曹昌年微小形变的电测法 一种培养学生综合设计能力的实验 实验技术与管理，（）：郑俊，赵红旺，朵兴茂应力应变测试方法综述汽车科技，（）：，（，）：，：；第 期金克新，等：微小形变电测法的教学内容设计和优化研究