一种新型的大应变高精度引伸计

　　应变式引伸计是力学计量测试中常用器件,很多材料的力学性能测试项目需要大的应变测量范围.应变式引伸计与应变式荷载传感器相比,由于刚度小、变形大,在大量程情况下,其输出应变值与测端挠度间由于水平尺寸的较大变化而呈非线性关系[1,2].用于测量σ0·02和σ0·2时,因为目前超强度合金钢σ0·02约为2000MPa,超硬度铝合金σ0·2约为700MPa,与其相应的总应变约1·5%,考虑到需要一定余量,这类引伸计的量程相当于应变3%比较合理.用来测量σ0·01时,若标距为100mm,则对应于σ0·01的非比例伸长约为10μm,再加上弹性变形部分其总变形也只有0·3mm左右,此值若要准确到1%,就要求引伸计的应变示值误差优于3×10-5,要设置量程为3mm,则满量程相对误差为0·1%,比GB228—87附录1的B级要求高.目前国内生产的大部分引伸计在测σ0·01很难达到所规定的要求.另外,在其它力学性能测试以及非金属材料力学性能测试中,许多常处于大应变测试范围的测试项目达不到测试部门对引伸计提出的要求.

　　引伸计的线性度与结构形式及尺寸组合有关,以往在引伸计的设计中,由于所采用结构形式上的缺陷,尺管从尺寸组合上进行优化设计可以减小非线性误差,但结构本身不具有非线性自补偿特性,非线性问题仍较为突出.本文采用悬臂双折形结构,使两臂的非线性误差相互抵消,理论上可在很大的量程范围内实现完全自补偿.根据所给结构的算法,设计制作了标距为14mm,量程为8·4mm(测试应变为60%),满量程精度优于0·05%的轴向引伸计.

　　1　现有弹性元件的力学模型分析

　　应变式引伸计是根据弹性元件测端挠度(被测件变形)与弹性元件上贴片处应变的函数关系设计的.小量程引伸计属小挠度范围,可用线性理论计算,大量程引伸计一般属大挠度范围,其挠度与应变的关系属非线性的,它是高精度大量程引伸计设计的主要矛盾.

　　目前国内外现有的应变式引伸计的弹性元件,可归纳为三类力学模型,如图1所示.图1(a)是悬臂梁结构,采用此类力学模型的引伸计有SCHENCK,MTS632 02B 20,以及 INSTRON2620等.其工作原理是:悬臂梁自由端沿P方向的位移量与固定端附近梁上下表面应变有一定的函数关系.图1(b)是刚性臂弓形结构方案,采用此类力学模型的引伸计有MTS 632 11, INSTRON2640等,其工作原理是:当刚性臂较长且可忽略刚性臂的变形时,弹性元件可简化为纯弯曲梁,纯弯曲梁表面的应变ε与梁两端点转角θ有关,而刚性臂的另一端P向的位移Δ也与转角θ有关,所以位移Δ与应变ε有一定函数关系.图1(c)是柔性臂弓形结构,属于此类结构的引伸计有INSTRON2630、岛津C 11 1·22等,适用于较大变形测量,其工作原理是:利用曲杆两端沿P方向的位移与弓梁中点表面的应变有对应的函数关系.