应变式测试在残余变形上的应用

王培侠，王景琳，仲想生

（深圳万测试验设备有限公司，广东 深圳 518101；2.中兴通讯股份有限公司，广东 深圳 518057）

0 引言

在金属材料力学性能测试和研究中,需要测试的项目很多。如常温拉伸，高温短时拉伸、蠕变、断裂韧性等。这些试验主要是测量或控制试样的应力和应变。随着材料试验机自动化程度的不断提高，应力和应变的测量普遍采用电测量转换成电量，再经过放大器、显示器或控制器来显示.

1 残余变形引伸计的结构

图1

残余变形由卡具和弹性元件组成，卡具由刀刃、零位块、引线块、标距杆、调节刀刃、夹紧滑块、导向杆、夹紧螺杆结构件组成，及左右两部分结构组成的电桥回路等组成[1]，见图1。为减轻重量，弹性元件采用钛合金，刚性臂采用铝合金。

残余变形与数字显示仪连接，分两个通道连接，仪表分两个窗体显示测量的数据；仪表可以与计算机通过R232接口连接，见图2。

图2

残余变形引伸计适用范围：残余变形引伸计适用于钢筋机械连接件拉伸或同轴度的测量,在试样的两侧对称的安装两个引伸计后，其中一个测量试样的由于弯矩产生的拉伸变形，另外一个测量试样的由于弯矩产生的压缩变形。

2 应变片的测试原理

(1)应变片的测试原理[2]。将应变片粘贴在被测物体上，使其随着被测物体的应变一起变形，这样里面的金属箔材就会随着应变伸长或缩短。很多金属在机械性能上伸长或缩短时其电阻会随之变化，应变片就是应用这个原理，通过测量电阻的变化而实现应变的测量。应变片的敏感丝栅是铜铬合金，其电阻的变化率为常数，与应变成正比例关系。

(2)应变的测定方法。应变片的测量方法大致分为机械、光学、电子测定法，每种方法都考虑到物体的应变，从几何学角度上表现为物体上两点间的距离的变化，从而对其进行测量。在物体材料的弹性系数已知的情况下，根据应变计算出应力。所以经常通过测量应变计算由于外力的作用在物体内部产生的应力。

（3）如何用应变片测量应变。拉伸金属线时电阻会发生变化。根据试验可知，很多金属在弹性范围内（包括拉伸和压缩）电阻变化率与应变成正比例关系，把这种金属丝栅贴在物体的表面，就可以通过测量电阻的变化来测量应变。测量电阻的变化一般通过组成电桥回路，并通过放大器装置放大，再经过模拟转换将数字信号接入计算机进行数据处理，如：测量装置可以对冲击现象进行测量，如行驶中的车辆，飞行中的飞机等各部位的变化应力可以通过应变片和测量装置进行初步的测量。

3 应变片的测试理论[2]

(1)应力：是在施加的外力的影响下物体内部产生的力，如：在柱体的上面向其施加外力P的时候，物体为了保持原形在内部产生抵抗外力的力—内力，此时内力等于外力P，柱体的垂直应力=外力P/截面积A ，即

(2)应变：圆柱棒体拉伸的时候会产生伸长变形，伸长量△l，棒的长度则变为l+△l，此时伸长量与原长的比所表示的伸长率就是应变，即ε1＝，与外力同方向的伸长（或压缩）方向上的应变称为轴向应变。

（3）应变与应力的关系：各种材料的应变与应力的关系已经通过试验进行了测定，应力与应变成直线关系的范围内胡克定律成立，σ＝E·ε或

（4）应变片的测试

应变片的测试采用韦斯通电桥（见图3），韦斯通电桥适用于检测电阻的微小变化，应变片的电阻变化也可以用这个电路来测量，韦斯通电桥由四个电阻组合而成，如果 R1=R2=R3=R4或R1×R2=R3×R4，则无论输入多大的电压，输出电压e总为0，这种状态称为平衡状态，如果平衡状态被破坏，就会产生与电阻变化相对应的输出电压。

图4中，将这个电路中的R1换成应变片，有应变产生时，应变片电阻的变化量为△R，则输出电压e

图3

从上式可以看出，如果测出电桥的输出电压就可以计算出应变的大小。

电桥的构成。上例电路中只联入一个应变片，时称为单一应变片法，除此之外，还有双应变片法及四应变片法。

（5）应变片测试在残余变形上的应用

残余变形是由不均匀变形引起、各部分变形协调所需的、加工后卸载仍存留的弹性变形。拉伸断裂后不可恢复的那段长度变形属于塑性变形。残余变形是工程理论概念，虽然也是卸载后不可恢复的变形，但是概念着重于结构不协调造成的整体变形，是相对于残余应力而产生的变形。常见的残余变形有焊接残余变形，由于热胀冷缩的原因，在焊接后，焊件冷却，造成收缩甚至是弯曲这种不可恢复的变形叫做残余变形。

图4

4 残余变形引伸计应变测试

应变片组成的残余变形引伸计由左右两部分组成，左部分和右部分是完全独立的两个电桥，这样在左右两边的伸长变形量不同的情况下，可以测出两边的变形量，这样就可以比较两边伸长量的差异，测量两边伸长量，准确地求出残余变形量。

表1、表2、表3、表4是我们检定的这种残余变形引伸计的测量数据。

表1 残余变形引伸计校准记录

表2 残余变形引伸计校准记录

表3 残余变形引伸计校准记录

表4 残余变形引伸计校准记录

从以上校准记录得出：测试数据与标准值相比，进程、回程误差测量结果数据准确，数据的重复性好

5 引伸计测量残余变形量的分析

残余变形量的测量属于线性小变形量测量，残余变形量的值一般小于100μm。对于受拉力作用的试样，变形量如此小的情况下，试验机的同轴度、试验本身的同轴性等都会造成受拉试样的相对两侧产生较大的变形偏差，如表5所示，变形量达到0.1 mm时，试验机同轴度不同，两相对侧变形量的偏差情况。由表中可见，同轴度为20%时，两侧变形量的相对偏差已达到了40%，所以对于小变形量的测量，应考虑试样两侧变形量的偏差问题。

残余变形的测量从结构和试验测试来看，我们采用左右两边独立的两个电桥，分别测出两边的变形量，然后通过计算两侧变形量的平均值，来求取残余变形。通过采用试样两侧平均变形量的测量方法，充分地考虑了设备的同轴度，及人为因素造成的测量结果误差，这样最终的测量结果不会因为一边的测量值大，而引起残余变形量大的问题。

6 结论

表5 同轴度不同造成试样两侧的变形偏差值

通过以上试验数据得知：应变测试在残余变形引伸计上的测试数据与标准值相比，进回程误差测量结果数据准确，测量精度高，数据的重复性好。

通过应变式测试在残余变形上的应用的结构及理论研究分析、试验数据的比对和测量变形量的分析，残余变形引伸计上应用应变式测试很好地解决了JGJ107-2010《钢筋机械连接技术规程》标准中关于残余变形测量需要专门研发测量器具的问题，并完美地解决了变形测量中变标距、夹持不方便、左右不对称、同轴度引起的变形偏差等的问题，且测量准确度高，可十分方便地应用在我公司及其它公司所生产的拉力机上。该残余变形引伸计通过软件可高效、自动地计算残余变形，免去人工读取数据引起的人为的误差。其千分表测量精度高，且进回程误差测量结果数据准确，精度高，该引伸计装、夹、取方便快捷，是测量残余变形十分理想的装置。

[1]仲想生，尚学军．π型电阻应变式引伸计的理论分析[J]．传感器世界，1998（4）．

[2]吴宗岱，陶宝琪．应变测试原理与技术［M］．国防工业出版社，1982．