序
前言
章 绪论 1
1.1 实验观测在力学发展中的作用 1
1.1.1 实验与试验 1
1.1.2 力学中的一些经典实验 2
1.2 力学实验测量的物理量与测量方法 7
1.2.1 力学实验测量的物理量 7
1.2.2 力学实验测量方法 9
1.3 力学实验面临的挑战与发展 11
1.3.1 力学测量面对的基本问题 12
1.3.2 力学测量技术发展的瓶颈 14
1.3.3 人工智能时代的力学测量 16
1.4 本章小结 17
思考题及习题 17
参考文献 17
第2章 实验模拟准则 19
2.1 相似准则 19
2.1.1 相似概念 19
2.1.2 力学相似准则 20
2.1.3 相似理论 21
2.2 由微分方程推导相似参数 22
2.3 由π定理推导相似参数 23
2.3.1 量纲与单位 24
2.3.2 π定理 25
2.4 相似参数的应用 28
2.4.1 流体力学常用的相似参数 28
2.4.2 常用相似参数的物理意义 29
2.4.3 相似参数的局限 33
2.5 本章小结 33
思考题及习题 34
参考文献 34
第3章 误差、不确定度和数据处理 35
3.1 测量误差的基本概念 35
3.1.1 测量与误差 35
3.1.2 误差的分类 37
3.2 随机误差和系统误差 38
3.2.1 随机误差 38
3.2.2 系统误差 41
3.3 测量不确定度 42
3.3.1 测量不确定度的定义与分类 43
3.3.2 直接测量不确定度的估算 44
3.3.3 间接测量不确定度的估算 47
3.3.4 测量不确定度评定小结 50
3.4 实验数据的处理 51
3.4.1 有效数字 51
3.4.2 测量数据的整理与分析 52
3.4.3 图像数据的处理 55
3.5 本章小结 58
思考题及习题 59
参考文献 60
第4章 固体变形与载荷的测量技术 61
4.1 固体力学实验测量参量 61
4.2 变形与位移的测量 61
4.2.1 应变片电测法 63
4.2.2 光纤光栅应变测量方法 74
4.2.3 摄影测量法 79
4.2.4 数字图像相关法 86
4.3 载荷的测量 96
4.3.1 弹性变形测力法 96
4.3.2 X射线测量应力 100
4.3.3 其他方法 110
4.4 本章小结 111
思考题及习题 112
参考文献 112
第5章 材料力学性能实验 116
5.1 准静态加载实验 116
5.1.1 基本概念 116
5.1.2 材料试验机 117
5.1.3 实验试样设计与安装 121
5.1.4 数据采集与处理 124
5.1.5 几类特殊的加载方式 128
5.1.6 准静态加载实验小结 133
5.2 硬度实验 133
5.2.1 基本概念 133
5.2.2 压痕硬度的分类 134
5.2.3 硬度测量的试样 138
5.2.4 压痕实验的数据处理 138
5.2.5 电子显微镜下在位加载实验 141
5.2.6 硬度测量方法小结 142
5.3 断裂实验 143
5.3.1 断裂力学基础知识 143
5.3.2 实验装置 149
5.3.3 实验试样与制备 150
5.3.4 断裂实验的步骤 155
5.3.5 结果分析与校核 158
5.3.6 断裂实验小结 161
5.4 疲劳实验 162
5.4.1 基本概念 162
5.4.2 实验设备 169
5.4.3 实验试样 172
5.4.4 疲劳实验及标准 174
5.4.5 疲劳实验小结 176
5.5 动态力学测试实验 177
5.5.1 基本概念 177
5.5.2 摆锤与落锤实验方法 177
5.5.3 长杆冲击实验 182
5.5.4 轻气炮实验 187
5.5.5 动态力学测试实验小结 192
5.6 材料微结构表征 192
5.6.1 基本概念 192
5.6.2 微结构表征方法与仪器的选用 193
5.6.3 微结构表征试样 195
5.7 本章小结 201
思考题及习题 201
参考文献 202
第6章 低速流动显示与流速测量技术 205
6.1 流体力学实验概述 205
6.2 低速流体力学实验设备及测量参数 207
6.2.1 风洞 207
6.2.2 水洞 209
6.2.3 多功能水槽 210
6.3 流动显示技术 211
6.3.1 流动显示技术的发展 211
6.3.2 流动显示技术的基本方法 213
6.3.3 流动显示的示踪法 214
6.4 流体压强、流量及传统测速 216
6.4.1 压强及传统的流体速度测量 216
6.4.2 流量及流体平均速度 219
6.5 单点流速测量技术 220
6.5.1 热线风速仪 220
6.5.2 激光多普勒测速仪 224
6.6 粒子图像测速技术 233
6.6.1 基本概念 233
6.6.2 粒子跟踪测速技术 234
6.6.3 二维粒子图像测速技术 235
6.7 本章小结 247
思考题及习题 247
参考文献 249
第7章 流场温度、浓度及表面形貌测量技术 251
7.1 温度测量技术 251
7.1.1 热电偶 251
7.1.2 热色液晶测温技术 254
7.1.3 红外热像仪 255
7.2 浓度场、密度场、温度场测量技术 258
7.2.1 激光诱导荧光技术 258
7.2.2 光学干涉技术 261
7.2.3 几种测温技术的比较 268
7.3 表面形貌测量技术 269
7.3.1 云纹法 269
7.3.2 栅线法 270
7.3.3 Michelson干涉仪 276
7.3.4 位移传感器 278
7.4 黏度测量技术 280
7.4.1 黏度仪 280
7.4.2 流变仪 282
7.5 多相流测量技术 283
7.5.1 流型测量 283
7.5.2 多相流的含率测量 285
7.6 本章小结 285
思考题及习题 286
参考文献 286
第8章 高速空气动力学实验设备 288
8.1 概论 288
8.1.1 空气动力学方程 288
8.1.2 空气动力学实验设备分类 291
8.2 超声速风洞 293
8.2.1 超声速风洞基本结构及运行特点 293
8.2.2 其他类型超声速风洞 295
8.2.3 超声速风洞运行参数的计算 296
8.3 高超声速风洞 298
8.3.1 高超声速风洞实验模拟的特点 298
8.3.2 加热高超声速风洞 300
8.3.3 复现式风洞 301
8.4 高超声速特种设备 302
8.4.1 激波管 302
8.4.2 激波风洞——炮风洞 304
8.4.3 超燃发动机测试平台 306
8.5 本章小结 309
思考题及习题 309
参考文献 309
第9章 高速空气动力学实验测量技术 310
9.1 高速流场显示技术 310
9.1.1 纹影法 311
9.1.2 油流法 315
9.2 压力测量技术 317
9.2.1 高速流场压力测量技术 317
9.2.2 压力敏感漆测量技术 317
9.3 热流 (温度) 测量技术 318
9.3.1 薄膜电阻测温技术 318
9.3.2 其他高超声速测温技术 319
9.4 气体组分测量技术 320
9.4.1 激光吸收光谱技术 322
9.4.2 激光诱导荧光技术 337
9.5 本章小结 351
思考题及习题 351
参考文献 351
0章 实习课题汇编 356
10.1 超声速流场纹影与阴影显示实验及流场标定 356
10.2 拉瓦尔喷管典型流动状态的观测 359
10.3 高超声速模型头部驻点热流测量 365
10.4 声速喷管流量计流量系数标定 370
10.5 爆轰激波管压力与速度测量 373
10.6 航空发动机燃气温度的吸收光谱测量技术 379
10.7 超稠原油-水乳状液 (W/O型)流变特性测量 384
10.8 基于电阻层析成像的气液两相流流型识别 388
10.9 水槽波浪场的模拟和测量 393
10.10 水槽流动的粒子图像测速 397
10.11 高速列车动模型表面压力测量 400
10.12 高速列车动模型的振动特性及气动阻力测量 404
10.13 毫牛级微小推力测试 407
10.14 金属材料的微结构表征与力学性能测量 412
10.15 金属材料动态压缩实验 415
10.16 含损伤的点阵夹层结构动力学测试与损伤识别 420
10.17 含水合物土的三轴剪切实验 426
10.18 氮化物超硬涂层的制备与表面力学性能测试 431
10.19 3D打印原理及实践 434

本书根据国科大《力学实验原理与技术》课程的课件编写。该课程已讲授8年，课件也经过多次修改。书中介绍了固体、材料、低速流体、高速气体动力学等领域里的力学测量实验技术，既包含基本的力学测量方法，也引入了前沿测量技术。本书内容简单说有三个方面：测什么量、怎么测和测量的质量。在本书第二章，我们介绍相似理论和相似参数，希望学生学会面对物理问题时如何选择需要测量的实验参数。对于如何测？用什么方法测？本书从第四章至第九章，分别介绍固体力学、材料力学、流体力学和高速气体动力学中常用的实验方法与设备。而为了判断测量的质量，本书在第三章重点介绍了实验结果的不确定度评估。为了使研究生在理论学习后尽快与科研接轨，本书在介绍测量原理和技术之后，在第十章提供了十几个实习题目。这些实习课题均由研究所的科研人员提出，尽量体现基础知识与前沿科研的结合。