王培俠，王景琳，仲想生

（深圳萬測試驗設備有限公司，廣東 深圳 518101；2.中興通訊股份有限公司，廣東 深圳 518057）

0 引言

在金屬材料力學性能測試和研究中,需要測試的項目很多。如常溫拉伸，高溫短時拉伸、蠕變、斷裂韌性等。這些試驗主要是測量或控制試樣的應力和應變。隨著材料試驗機自動化程度的不斷提高，應力和應變的測量普遍采用電測量轉換成電量，再經過放大器、顯示器或控制器來顯示.

1 殘余變形引伸計的結構

圖1

殘余變形由卡具和彈性元件組成，卡具由刀刃、零位塊、引線塊、標距桿、調節(jié)刀刃、夾緊滑塊、導向桿、夾緊螺桿結構件組成，及左右兩部分結構組成的電橋回路等組成[1]，見圖1。為減輕重量，彈性元件采用鈦合金，剛性臂采用鋁合金。

殘余變形與數字顯示儀連接，分兩個通道連接，儀表分兩個窗體顯示測量的數據；儀表可以與計算機通過R232接口連接，見圖2。

圖2

殘余變形引伸計適用范圍：殘余變形引伸計適用于鋼筋機械連接件拉伸或同軸度的測量,在試樣的兩側對稱的安裝兩個引伸計后，其中一個測量試樣的由于彎矩產生的拉伸變形，另外一個測量試樣的由于彎矩產生的壓縮變形。

2 應變片的測試原理

(1)應變片的測試原理[2]。將應變片粘貼在被測物體上，使其隨著被測物體的應變一起變形，這樣里面的金屬箔材就會隨著應變伸長或縮短。很多金屬在機械性能上伸長或縮短時其電阻會隨之變化，應變片就是應用這個原理，通過測量電阻的變化而實現應變的測量。應變片的敏感絲柵是銅鉻合金，其電阻的變化率為常數，與應變成正比例關系。

(2)應變的測定方法。應變片的測量方法大致分為機械、光學、電子測定法，每種方法都考慮到物體的應變，從幾何學角度上表現為物體上兩點間的距離的變化，從而對其進行測量。在物體材料的彈性系數已知的情況下，根據應變計算出應力。所以經常通過測量應變計算由于外力的作用在物體內部產生的應力。

（3）如何用應變片測量應變。拉伸金屬線時電阻會發(fā)生變化。根據試驗可知，很多金屬在彈性范圍內（包括拉伸和壓縮）電阻變化率與應變成正比例關系，把這種金屬絲柵貼在物體的表面，就可以通過測量電阻的變化來測量應變。測量電阻的變化一般通過組成電橋回路，并通過放大器裝置放大，再經過模擬轉換將數字信號接入計算機進行數據處理，如：測量裝置可以對沖擊現象進行測量，如行駛中的車輛，飛行中的飛機等各部位的變化應力可以通過應變片和測量裝置進行初步的測量。

3 應變片的測試理論[2]

(1)應力：是在施加的外力的影響下物體內部產生的力，如：在柱體的上面向其施加外力P的時候，物體為了保持原形在內部產生抵抗外力的力—內力，此時內力等于外力P，柱體的垂直應力=外力P/截面積A ，即

(2)應變：圓柱棒體拉伸的時候會產生伸長變形，伸長量△l，棒的長度則變?yōu)閘+△l，此時伸長量與原長的比所表示的伸長率就是應變，即ε1＝，與外力同方向的伸長（或壓縮）方向上的應變稱為軸向應變。

（3）應變與應力的關系：各種材料的應變與應力的關系已經通過試驗進行了測定，應力與應變成直線關系的范圍內胡克定律成立，σ＝E·ε或

（4）應變片的測試

應變片的測試采用韋斯通電橋（見圖3），韋斯通電橋適用于檢測電阻的微小變化，應變片的電阻變化也可以用這個電路來測量，韋斯通電橋由四個電阻組合而成，如果 R1=R2=R3=R4或R1×R2=R3×R4，則無論輸入多大的電壓，輸出電壓e總為0，這種狀態(tài)稱為平衡狀態(tài)，如果平衡狀態(tài)被破壞，就會產生與電阻變化相對應的輸出電壓。

圖4中，將這個電路中的R1換成應變片，有應變產生時，應變片電阻的變化量為△R，則輸出電壓e

圖3

從上式可以看出，如果測出電橋的輸出電壓就可以計算出應變的大小。

電橋的構成。上例電路中只聯(lián)入一個應變片，時稱為單一應變片法，除此之外，還有雙應變片法及四應變片法。

（5）應變片測試在殘余變形上的應用

殘余變形是由不均勻變形引起、各部分變形協(xié)調所需的、加工后卸載仍存留的彈性變形。拉伸斷裂后不可恢復的那段長度變形屬于塑性變形。殘余變形是工程理論概念，雖然也是卸載后不可恢復的變形，但是概念著重于結構不協(xié)調造成的整體變形，是相對于殘余應力而產生的變形。常見的殘余變形有焊接殘余變形，由于熱脹冷縮的原因，在焊接后，焊件冷卻，造成收縮甚至是彎曲這種不可恢復的變形叫做殘余變形。

圖4

4 殘余變形引伸計應變測試

應變片組成的殘余變形引伸計由左右兩部分組成，左部分和右部分是完全獨立的兩個電橋，這樣在左右兩邊的伸長變形量不同的情況下，可以測出兩邊的變形量，這樣就可以比較兩邊伸長量的差異，測量兩邊伸長量，準確地求出殘余變形量。

表1、表2、表3、表4是我們檢定的這種殘余變形引伸計的測量數據。

表1 殘余變形引伸計校準記錄

表2 殘余變形引伸計校準記錄

表3 殘余變形引伸計校準記錄

表4 殘余變形引伸計校準記錄

從以上校準記錄得出：測試數據與標準值相比，進程、回程誤差測量結果數據準確，數據的重復性好

5 引伸計測量殘余變形量的分析

殘余變形量的測量屬于線性小變形量測量，殘余變形量的值一般小于100μm。對于受拉力作用的試樣，變形量如此小的情況下，試驗機的同軸度、試驗本身的同軸性等都會造成受拉試樣的相對兩側產生較大的變形偏差，如表5所示，變形量達到0.1 mm時，試驗機同軸度不同，兩相對側變形量的偏差情況。由表中可見，同軸度為20%時，兩側變形量的相對偏差已達到了40%，所以對于小變形量的測量，應考慮試樣兩側變形量的偏差問題。

殘余變形的測量從結構和試驗測試來看，我們采用左右兩邊獨立的兩個電橋，分別測出兩邊的變形量，然后通過計算兩側變形量的平均值，來求取殘余變形。通過采用試樣兩側平均變形量的測量方法，充分地考慮了設備的同軸度，及人為因素造成的測量結果誤差，這樣最終的測量結果不會因為一邊的測量值大，而引起殘余變形量大的問題。

6 結論

表5 同軸度不同造成試樣兩側的變形偏差值

通過以上試驗數據得知：應變測試在殘余變形引伸計上的測試數據與標準值相比，進回程誤差測量結果數據準確，測量精度高，數據的重復性好。

通過應變式測試在殘余變形上的應用的結構及理論研究分析、試驗數據的比對和測量變形量的分析，殘余變形引伸計上應用應變式測試很好地解決了JGJ107-2010《鋼筋機械連接技術規(guī)程》標準中關于殘余變形測量需要專門研發(fā)測量器具的問題，并完美地解決了變形測量中變標距、夾持不方便、左右不對稱、同軸度引起的變形偏差等的問題，且測量準確度高，可十分方便地應用在我公司及其它公司所生產的拉力機上。該殘余變形引伸計通過軟件可高效、自動地計算殘余變形，免去人工讀取數據引起的人為的誤差。其千分表測量精度高，且進回程誤差測量結果數據準確，精度高，該引伸計裝、夾、取方便快捷，是測量殘余變形十分理想的裝置。

[1]仲想生，尚學軍．π型電阻應變式引伸計的理論分析[J]．傳感器世界，1998（4）．

[2]吳宗岱，陶寶琪．應變測試原理與技術［M］．國防工業(yè)出版社，1982．