郭貴勇，薛金

（福建省計(jì)量科學(xué)研究院，福建 福州 350003）

0 引言

當(dāng)今世界上建筑工程的迅猛發(fā)展，伴隨著高樓大廈的不斷崛起，高樓大廈或建筑的設(shè)計(jì)日益多樣化，建筑工程的質(zhì)量安全和可靠性成為該行業(yè)的研究熱點(diǎn)，鋼筋混凝土的建筑結(jié)構(gòu)成為絕大多數(shù)現(xiàn)代建筑的首選，其中的鋼筋質(zhì)量的力學(xué)性能成為不可忽視的關(guān)鍵影響因素之一，鋼筋的拉伸試驗(yàn)測(cè)試采用引伸計(jì)對(duì)其應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量，其與萬能材料試驗(yàn)機(jī)配套使用，并逐步取代了傳統(tǒng)的機(jī)械式引伸計(jì)。變形測(cè)量是材料物理特性檢測(cè)中最基本的測(cè)量環(huán)節(jié)之一[1-3]，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，新材料不斷出現(xiàn)，材料的性能也不斷優(yōu)化[4]。引伸計(jì)主要應(yīng)用于材料的力學(xué)性能測(cè)試中，測(cè)定能表征相關(guān)材料在特征應(yīng)變條件下所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變數(shù)據(jù)。在材料力學(xué)性能測(cè)試過程中，應(yīng)力與應(yīng)變是相互依存的，任何材料，一旦受到應(yīng)力，就一定產(chǎn)生應(yīng)變。在測(cè)試過程中，通過精確測(cè)試試驗(yàn)所得的“應(yīng)力—應(yīng)變”曲線，以獲得試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)中所要求的相關(guān)應(yīng)變條件下的強(qiáng)度指標(biāo)。在金屬拉伸試驗(yàn)過程中，規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度Rp、彈性模量E和伸長(zhǎng)率的測(cè)定均需要用到引伸計(jì)，引伸計(jì)準(zhǔn)確度高、性能穩(wěn)定，還能實(shí)現(xiàn)量值溯源。本文通過以下幾個(gè)方面來闡述一下電子引伸計(jì)在金屬拉伸試驗(yàn)中的應(yīng)用及所用不同規(guī)格電子引伸計(jì)的檢定方法。

1 組成與工作原理

引伸計(jì)是試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣施加軸向力時(shí)，測(cè)量試樣變形的裝置，通常由傳感器、放大器和記錄器三部分組成。傳感器直接和被測(cè)件接觸，被測(cè)件上被測(cè)兩點(diǎn)之間的距離L為標(biāo)距，標(biāo)距的變化ΔL（伸長(zhǎng)或縮短）為線變形。被測(cè)件變形，傳感器隨著變形，并把這種變形轉(zhuǎn)換為機(jī)械、光、電、聲等信息，放大器將傳感器輸出的微小信號(hào)放大，記錄器（或讀數(shù)器）將放大后的信號(hào)直接顯示或自動(dòng)記錄下來[5]。

電子引伸計(jì)是機(jī)械技術(shù)和傳感器技術(shù)的結(jié)合，先采用機(jī)械接觸式結(jié)構(gòu)對(duì)試樣進(jìn)行采集，然后利用變形量傳遞至電氣元件組成的傳感器，將傳感器的變形量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，處理器對(duì)電信號(hào)進(jìn)行濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換、放大等處理，從而將變形量顯示出來，其中的傳感器可以是采用電阻式、電容式、電感式等原理[6]。

2 工程用途及檢定方法

2.1 工程用途

金屬拉伸試驗(yàn)都是依據(jù)GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》來進(jìn)行試驗(yàn)的[7]，根據(jù)一些特定試驗(yàn)的要求來選擇不同標(biāo)距、不同量程的引伸計(jì)。

（1）引伸計(jì)可用以測(cè)定淬火鋼等無屈服現(xiàn)象脆性金屬材料的規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度Rp0.2強(qiáng)度值：拉伸屈服強(qiáng)度是金屬材料的重要力學(xué)性能指標(biāo)，在工程設(shè)計(jì)與機(jī)械設(shè)計(jì)中將拉伸屈服強(qiáng)度作為力學(xué)計(jì)算和選材的依據(jù)，其重要性甚至超過極限強(qiáng)度，一般結(jié)構(gòu)鋼機(jī)械性能試驗(yàn)不用引伸計(jì)，引伸計(jì)大多用于屈服強(qiáng)度臺(tái)階不明顯的材料，用以測(cè)定規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度Rp0.2，通常在試件拉伸試驗(yàn)過程用電子引伸計(jì)配合光電編碼器及力傳感器繪制“應(yīng)力-應(yīng)變”曲線，力傳感器測(cè)得塑性變形達(dá)引伸計(jì)標(biāo)距的0.2%時(shí)的應(yīng)力值，當(dāng)應(yīng)變超過引伸計(jì)標(biāo)距的0.2%之后取下電子引伸計(jì)，并在曲線圖上畫出一條與曲線的彈性直線段部分平行的直線，此平行線與曲線的交點(diǎn)即為規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度的力，以此力除以試件原始橫截面積即得到規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度Rp0.2。該類試驗(yàn)一般選擇標(biāo)距為50mm或100mm，量程為5mm或10mm的電子引伸計(jì)。

（2）引伸計(jì)可用以測(cè)定鋼筋機(jī)械連接件接頭的殘余變形：根據(jù)國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ 107-2016《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定[8]，通過鋼筋與連接件或其他介入材料的機(jī)械咬合作用或鋼筋端面的承壓作用，將一根鋼筋中的力傳遞至另一根鋼筋的連接方法稱為鋼筋機(jī)械連接，根據(jù)接頭的極限抗壓強(qiáng)度、殘余變形、最大力值下總伸長(zhǎng)率以及高應(yīng)力和大變形條件下反復(fù)拉壓性能分為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)三個(gè)接頭等級(jí)，測(cè)定單向拉伸、高應(yīng)力反復(fù)拉壓和大變形反復(fù)拉壓試驗(yàn)時(shí)的接頭殘余變形均需用到引伸計(jì)，做單向拉伸和反復(fù)拉亞試驗(yàn)時(shí)所用變形測(cè)量?jī)x應(yīng)在鋼筋兩側(cè)對(duì)稱布置，取鋼筋兩側(cè)測(cè)量?jī)x變形讀數(shù)的平均值作為殘余變形值。此類試驗(yàn)一般選擇可變標(biāo)距為50mm至260mm，量程為5mm的雙側(cè)引伸計(jì)。

（3）引伸計(jì)可用以測(cè)定預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線的伸長(zhǎng)率等參數(shù)：預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)用的鋼絞線是由冷拉光圓鋼絲或刻痕鋼絲捻制而成的，鋼絞線的捻距通常為鋼絞線公稱直徑的整數(shù)倍。根據(jù)國標(biāo)GBT 21839-2008《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼材試驗(yàn)方法》要求[9]，在做鋼絞線拉伸試驗(yàn)中，破斷載荷、總伸長(zhǎng)率1%時(shí)對(duì)應(yīng)的載荷、伸長(zhǎng)率和彈性模量的測(cè)試都離不開引伸計(jì)，對(duì)引伸計(jì)標(biāo)距的選擇通常為鋼絞線捻距的整數(shù)倍，這樣對(duì)變形的測(cè)量才不會(huì)受到鋼絞線結(jié)構(gòu)特性的影響，由于大部分引伸計(jì)的刀口是平直的，用橡皮筋固定夾持鋼絞線其中的兩絲，但各絲變形有一定程度的不均勻性，對(duì)測(cè)量結(jié)果還是有一些影響，因此要使用帶有螺紋固定的環(huán)形卡式的引伸計(jì)。此類試驗(yàn)一般選擇標(biāo)距為500mm，量程為10mm或15mm的電子引伸計(jì)。

2.2 檢定方法

目前，我國計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)都是依據(jù)JJG 762-2007《引伸計(jì)檢定規(guī)程》來對(duì)引伸計(jì)進(jìn)行檢定[10]，針對(duì)引伸計(jì)的標(biāo)距、分辨力與示值誤差這三個(gè)計(jì)量性能要求進(jìn)行檢定，常見的引伸計(jì)等級(jí)有0.5級(jí)與1級(jí)，檢定溫度范圍為（23±5）℃，檢定時(shí)的溫度應(yīng)穩(wěn)定，溫度變化不應(yīng)超過2℃，檢定過程不允許有影響引伸計(jì)檢定結(jié)果的空氣對(duì)流。其檢定步驟為：先觀察引伸計(jì)的顯示裝置的分辨力是否達(dá)到相應(yīng)等級(jí)要求，在滿足規(guī)程要求后用數(shù)顯卡尺測(cè)量引伸計(jì)的標(biāo)距三次，取其最大相對(duì)誤差作為標(biāo)距的測(cè)量結(jié)果，接著根據(jù)客戶測(cè)試需求來確定引伸計(jì)的檢定范圍，在所確定的范圍內(nèi)均勻取10個(gè)檢定點(diǎn)，將引伸計(jì)裝卡在引伸計(jì)標(biāo)定器上，同時(shí)調(diào)整好引伸計(jì)顯示裝置與標(biāo)定器的零點(diǎn)，通過引伸計(jì)標(biāo)定器按照10個(gè)檢定點(diǎn)逐步給引伸計(jì)施加位移，測(cè)量各點(diǎn)的示值誤差，達(dá)到檢定范圍最大值后返回零點(diǎn)，取下引伸計(jì)并重新裝卡在標(biāo)定器上，按此步驟重復(fù)三次測(cè)量，取三次測(cè)量值的最大誤差值作為引伸計(jì)各檢定點(diǎn)的示值誤差。

對(duì)于檢可變標(biāo)距的引伸計(jì)，應(yīng)對(duì)其標(biāo)距變化范圍內(nèi)均勻取點(diǎn)，分別測(cè)量各點(diǎn)的標(biāo)距是否達(dá)到相應(yīng)等級(jí)要求；對(duì)于檢雙側(cè)引伸計(jì)，應(yīng)模擬其試驗(yàn)狀態(tài)將兩根引伸計(jì)同時(shí)裝卡在引伸計(jì)標(biāo)定器上，看兩根引伸計(jì)的平均示值誤差是否能滿足相應(yīng)等級(jí)要求；一般常見的引伸計(jì)標(biāo)定器只能檢定200mm標(biāo)距內(nèi)的引伸計(jì)，對(duì)于檢定標(biāo)距超過200mm的引伸計(jì)應(yīng)將標(biāo)定器的裝卡裝置加長(zhǎng)以滿足長(zhǎng)標(biāo)距引伸計(jì)的檢定需求，建議檢定長(zhǎng)標(biāo)距引伸計(jì)時(shí)將標(biāo)定器水平放置并保證能沿水平方向給引伸計(jì)施加位移，使引伸計(jì)在檢定時(shí)處于水平狀態(tài)避免常規(guī)方式施加位移時(shí)因引伸計(jì)自重或施加位移過程中的晃動(dòng)對(duì)引伸計(jì)的測(cè)量造成誤差。

3 存在的不足

現(xiàn)有引伸計(jì)大多數(shù)為接觸式測(cè)量，因其具有原理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格較低且技術(shù)相對(duì)成熟，得到了工程應(yīng)用范圍十分廣泛。然而，除了建筑工程以外，現(xiàn)代技術(shù)對(duì)新興材料的特性測(cè)量的要求越來越高，材料的形式也越來越多樣化，這種傳統(tǒng)式的接觸式引伸計(jì)顯得不夠科學(xué)，存在的不足主要包括：量程比較單一和固定，其標(biāo)距和范圍可調(diào)整性較差；試驗(yàn)測(cè)試若試樣斷裂時(shí)，引伸計(jì)需要及時(shí)摘除，無法對(duì)斷裂后伸長(zhǎng)率進(jìn)行直接測(cè)量；由于裝夾方式為接觸式，因此與被檢件之間的連接存在額外的相對(duì)位移變化導(dǎo)致測(cè)量存在誤差等。為了解決以上不足，非接觸式對(duì)測(cè)量變形的技術(shù)得到科學(xué)和工程領(lǐng)域的青睞，光電技術(shù)和圖像視頻技術(shù)的興起，為引伸計(jì)的非接觸測(cè)量技術(shù)提供技術(shù)支撐，尤其是激光技術(shù)在引伸計(jì)測(cè)量技術(shù)上的嘗試，都使得引伸計(jì)的應(yīng)用前景將得到了前所未有的快速發(fā)展。

4 結(jié)論

本文通過描述電子引伸計(jì)在金屬材料拉伸試驗(yàn)中的應(yīng)用及常見的型號(hào)規(guī)格，闡述了電子引伸計(jì)的主要檢定步驟和各種型號(hào)規(guī)格引伸計(jì)對(duì)應(yīng)的檢定方法，分析了電子引伸計(jì)雖然在金屬拉伸試驗(yàn)中起到很大的作用，但其畢竟屬于接觸式引伸計(jì)，經(jīng)常會(huì)因?yàn)槔煸囼?yàn)過程中試件出現(xiàn)意外崩裂或設(shè)備故障或人為操作失誤導(dǎo)致引伸計(jì)損壞。通過對(duì)接觸式引伸計(jì)的技術(shù)分析，指出了非接觸式引伸計(jì)如激光引伸計(jì)和視頻引伸計(jì)就能避免這些問題。因此，將非接觸式引伸計(jì)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于鋼筋拉伸性能檢測(cè)將會(huì)有很大的發(fā)展前景，這對(duì)于建筑工程的綜合發(fā)展具有重要意義。