在材料力学实验教学中运用电测法的体会

郑艳　羊海林

摘 要 在材料力学实验教学中，电测法是常用的方法之一，初学者对电测法的原理难以理解。本文以金属材料弹性模量和泊松比测定实验为例，介绍了在材料力学实验中如何生动地导入电测法，从而让学生充分掌握实验的原理和方法。

关键词 电测法 材料力学实验 弹性模量 泊松比

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2016.02.055

2011年教育部下达了实施“关于实施卓越工程师教育培养计划的若干意见”的通知，主要目的是针对当前我国工程教育培养过程中，理论教学环节薄弱、学生动手能力差的现状；要求改变现有的灌输式教学，形成创新教育的氛围，进一步推动工程教育教学改革，提高工程教育的教学质量。①

材料力学实验是土木、材料和机械等工科类专业的必修基础课，是进一步加深学生对材料力学的认知、巩固材料力学的基本概念、树立严谨科学态度、培养学生创新精神、增强工程实践能力、提高学生综合素质的重要环节。②近几年随着高校学生人数的不断增加，相应配套的实验教学仪器设备不足、新的仪器设备购置时间漫长等一系列问题的出现，导致高校实验教师往往要投入大量时间来应付，因此严重影响了实验教学过程，从而很难实现优质高效的实验教学效果，更谈不上通过实验教学提升学生的综合能力。

目前，大多数高校的材料力学实验教学遵循这样的步骤：首先由教师讲解本次实验的内容、仪器操作流程以及注意事项，随后向学生演示实验过程；然后学生按照演示的步骤完成实验过程；最后记录并整理数据，提交实验报告。在整个实验教学过程中，学生只是按照教师或教材的指导机械地完成操作仪器，对于实验目的、实验现象所反映的问题缺乏深入的思考，实验做完后很多学生只知其然不知其所以然。尤其是在材料力学实验中对金属材料弹性模量和泊松比测定需要用到电测法，然而初学者对力学实验中出现的电学原理和方法一下子很难接受，并且很难跟其所掌握的理论知识相结合。整个材料力学实验完成以后，由于学生对实验原理的理解不够透彻，无法提高和加深对理论知识的掌握与运用。

1 电测法的基本原理

电阻应变测量简称电测法，其原理是在被测物体表面的力学量、物理量等非电量变化通过传感元件转换成电量变化的一种实验方法（如图1所示）。电测法作为应变测试方法中的一种在材料力学实验教学中经常用到，根据电学原理金属丝在受到拉伸或压缩时，其截面面积会发生微小变形从而使电阻发生变化，通过信号采集器将电量转变为变形量。进行实验前，首先将电阻应变片，用特殊的胶合剂粘贴在被测物体上，当试件受到载荷作用发生变形时，电阻应变片中的电阻丝随之一起变形，导致电阻丝长度及截面积的改变，从而引起其电阻值的变化。可见，电阻的变化与应变有一定的对应关系。通过电阻应变仪，就可测得相应的变化。利用胡克定律就可求得应力值。③

2 金属材料弹性模量和泊松比测定实验中运用电测法出现的问题

弹性模量和泊松比是反映材料性能的重要参数，是材料本身固有的两个常数，是衡量材料产生弹性变形难易程度的两个重要物理量，也是设计各种工程结构时选用材料的主要依据之一，因此对材料的弹性模量和泊松比这两个参数的准确测量显得非常重要。④一般构件受载，表面上的点处于平面应力或平面应变状态。通常采用拉伸实验来测定材料的弹性模量，在材料的弹性范围内，应力与应变成正比关系，即 = ，从而可以得到弹性模量 = /。大多数的材料在受到拉力作用时，不但沿着材料的长度方向发生变形，同时横向发生短缩的横向变形。由材料力学可知，在弹性变形范围内，横向变形 和纵向变形 成正比关系，这一比值称为材料的泊松比，一般以表示，即 = | / |。⑤

笔者一直以来承担着全校14个工科专业的材料力学实验教学，绝大部分学生通过材料力学实验，以及材料力学、工程力学等专业理论课的学习，学生对弹性模量和泊松比的概念有一个初步的理解，但是在实验测量过程中为何要用到电测法，以及如何实现力学实验与电测法相结合，并不能完全理解，对如何把力学的量（应力、应变）用电学的方法表达这个原理还一知半解，无法很快接受并做到融会贯通。为了让学生尽快地理解并掌握电测法原理，并与材料力学实验充分地相结合，笔者在教学过程中经过不断尝试，取得了一些教学体会。

3 运用电测法在材料力学实验教学中的体会

3.1 从理论到实验的切入

为了让学生对电测法这一原理有更清楚、更直观的认识，笔者在进行材料力学实验课教学时，先从所要测定的材料两个基本物理量入手，先引入弹性模量的概念，再结合学生已学的理论知识 = ，得出 = /。以图2为例， = /， = / 。若能求得应力、应变，则弹性模量很容易就得出。荷载是在实验过程中施加的外力，可由压力传感器测得，横截面面积可以用 = 椎贸觯渲形约峤孛婵矶龋峤孛婧穸取J约脑た梢圆饬康贸觯衷诘奈侍馐堑越锥蔚摹∫蛭苄。苣延媚壳暗牟饬渴侄尾饬砍隼矗杂？= / 这个公式无法求得。从而引入了电测法求解。

3.2 电测法如何与实验相结合

讲解电测法，先从应变片的构造介绍，当粘贴在试件表面的应变片跟随试件一起变形时，应变片的电阻丝会因其变形而发生电阻的变化 / = ·，而值是应变片敏感系数，出厂时厂家会标定。因此应变与电阻的变化率之间存在一个比例关系，通过电阻应变仪就可以根据电阻的变化率和灵敏系数直接把应变值采集出来，由于应变片与试件紧密粘贴在一起，此时应变片的应变就代表应变片粘贴部位试件的应变值。这样，学生就可以明白为何引入电测法，以及电测法的工作原理，等他们自己动手实验的时候思路就可以非常清晰，对数据的处理也可以比较准确。

4 结束语

笔者在近几年的材料力学实验教学过程中，不断探索教学方法，经过一些尝试，发现在材料力学实验中，首先介绍学生的理论知识，让学生有一个回顾，然后再启发学生在实验中如何用理论公式求解相应的参数，再慢慢引入电测法，让学生一步步理解了实验的原理，后期学生自己动手实验时思路比较清晰，处理数据比较准确，整个实验过程中师生互动较好，达到材料力学实验教学的目的，提高了学生分析问题、动手解决问题的能力。

注释

① 徐国强，胡玉林.材料力学实验教学模式改革的探索和实践[J].高校实验室工作研究，2011（4）：36-37.

② 郑艳，莫时旭.PBL教学法在材料力学实验教学中的应用[J].中国电力教育，2013（11）：139-140.

③ 张烈霞.电测法测量弹性模量和泊松比的实验研究[J].机电工程技术，2012（9）：97-99.

④ 王建国，王红缨，王连庆.低碳钢弹性模量的实验室间比对试验[J].理化检验-屋里分册，2013（10）：483-486.

⑤ 马媛媛，朱松松.安吉毛竹主要力学性能的测定[J].实验科学与技术，2013（4）：22-24.