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引伸计的过去、现在和将来

发布时间：2014-09-26 04:27:53 来源：文档文库

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引伸计的过去和现在

胡国华，艾彦，唐亮

（重庆大学资源与环境科学学院工程力学系，重庆 400030）

摘要：本文通过对机械式引伸计的介绍，说明了在材料拉伸试验中，为了扣除偏心拉伸的弯曲变形对试验结果的影响，一般都需要在拉伸试样的两侧各安装一只引伸计进行同时测量。文中对现代常用的电子引伸计作了介绍。对单侧使用电子引伸计的测量方法，作者发表了不赞同的意见。本文对引伸计的研究和选用具有参考价值。

关键词：机械式引伸计；电子引伸计；偏心拉伸；弯曲变形；纯拉伸伸长

中国图书分类号：文献标识码：文章编号：

A Historical Review on Extensometer

HU Guo-hua，AI Yan，TANG Liang

(Department of Engineering Mechanics, Resource and Environmental Science College, Chongqing University, Chongqing, 400030）

Abstract: This paper has given a history review of mechanical extensometers. In order to deduct the bending deformation of eccentric tension from the tension test result, each side of tensile specimen was required a extensometer simultaneously in the measurement. The modern electronic extensometer was also introduced. The author expressed a different views on the unilateral measurement method of electronic extensometer. It has referential value for research and adoption of the extensometer.

Keywords: mechanical extensometer, electronic extensometer, eccentric tension, bending deformation, pure tensile elongation

在世界范围内使用引伸计测量材料的机械性能，已有百年左右的历史，在中国使用引伸计，也大约有六十年的历史。为了正确地使用引伸计，有必要看一看过去的引伸计是怎样设计和工作的，这对指导当今应用引伸计测定材料机械性能的工作是很有好处的。

1 过去应用引伸计的情况

在二十世纪四十年代以前，世界上使用的引伸计都是机械式引伸计，使用得比较普遍的有以下四种引伸计：

1.1杠杆式引伸计

图1表示用杠杆式引伸计测定板状试样的弹性模量E的装置[1]，为了扣除偏心拉伸对试验结果的影响，在试样的左侧和右侧各装一只杠杆式引伸计，用弹簧夹具的弹力对两个杠杆式引伸计产——————————

收稿日期：2010-09-03

作者简介：胡国华（1933-），男，教授。

图1 用杠杆式引伸计测弹性模量E的装置

Fig. 1 The equipment for measuring the elastic modulus E by Huggenberger extensometers 生相互靠拢的趋势，并使杠杆式引伸计的刀口（共四个）紧压在试样表面上以感受试样左、右表面标距的伸长。在一般情况下，由于试样和试验机上、下夹头存在着同轴度误差（即偏心误差），左右两只引伸计的读数一般是不相同的，但将两只引伸计的读数加起来再以2除之，即得到了引伸计的平均读数，这个平均读数就是扣除偏心拉伸的弯曲影响后试样标距真实的纯粹拉伸伸长。

图2 杠杆式引伸计原理图

1-主体；2-固定刀刃；3-活动刀刃；4-杠杆；

5-T形连杆；6-指针；7-支轴；8-标尺

Fig.2 The structure diagram of

Huggenberger extensometer

图2是杠杆式引伸计的原理图，从这个图可以了解每一只杠杆式引伸计的工作原理——即是用双杠杆将试样标距的伸长即两个刀刃之间的相对位移Δl放大至读数尺上的长度A1A2。杠杆式引伸计的放大倍数为 K=，一般 K=1000倍。

图3 铰接杠杆式引伸计

Fig.3 The Mir extensometer

图3是铰接杠杆式引伸计（又称ΜИЛ引伸

计）安装在圆试样上的情况，它的放大倍数K=500倍。

图4 光学机械式引伸计原理图

1-试样；2-标距柱；3-菱形活动刀刃；4-小镜；5-弹簧拉紧夹具；6-刻度尺；7-望远镜

Fig.4 The Marten extensometer

1.2镜式引伸计

图4表示镜式引伸计（亦称光学机械式引伸计或马腾引伸计）[2]，这种引伸计在试样1伸长时其菱形活动刀刃3会发生转动，固定在菱形活动刀刃3上的小镜4发生同样的转动，通过光杠杆的放大原理，在望远镜7处就可得到试样的伸长。镜式引伸计也必需安装两套测量系统，读取两套读数，然后再计算其平均值以得到试样标距的真实伸长。镜式引伸计的放大倍数一般是K=500倍。

此仪器的缺点是轮廓尺寸和重量很大，安装和调整较困难。

图5 蝶式引伸计

Fig.5 The Baoyashinnov extensometer

1.3蝶式引伸计

图5表示蝶式引伸计（又称包雅兴诺夫引伸计）[3]，它用4个刀刃5及6通过弹簧夹具7安装在试样上。这个引伸计的薄片弹簧1、2组成弹性铰代替圆柱机械铰。当试样拉伸时，铝质零件3、4相对于薄片弹簧交线转动，从仪器上的千分表便可读出试样两条表面线的伸长量。取两个表读数的平均值，就可以得到扣除了偏心拉伸的弯曲影响之后试样的轴线标距段的伸长，即得到标距的纯粹拉伸伸长。蝶式引伸计的放大倍数K=1000倍。

图6 球铰式引伸计

A-上标距叉；B-下标距叉；

C、D-顶尖螺钉；E-球铰

Fig.6 The spherical joint extensometer

1.4球铰式引伸计

图6表示球铰式引伸计[4]，这是本文第一作者设计的一种机械式引伸计，曾于1984年获得国家发明奖，在我国得到广泛使用。

这个仪器通过4个顶尖螺钉安装在试样上（C处和D处都是前后各一个顶尖螺钉）。当试样标距l伸长Δl时，上标距叉A可看成不发生转动，而下标距叉B以球铰为中心转动一微小角度，千分表上就反映出试样伸长。由于千分表轴线至球铰心的距离是试样轴线至球铰心的距离的两倍，所以试样伸长Δl时千分表的读数是2Δl。

此仪器的最大优点是它具有一个自动取平均值的结构系统，只用一套读数装置就能得到消除了偏心拉伸弯曲影响的试样的纯粹拉伸伸长。

球铰式引伸计只用一个千分表而仪器的放大倍数为 K=2000倍。（蝶式引伸计用同样的千分表2个，但其放大倍数只能达到1000倍。）

综上所述，拉伸试验中由于不可避免地会出现偏心拉伸的情况，测量拉伸试样变形的引伸计必须在试样对称两侧各安装一个，用这两个引伸计读数的平均值作为试样的纯粹拉伸伸长。（自动取双侧平均值的引伸计只装一个）

几十年来曾先后有不少的人搞过单侧测量的机械式引伸计，但都以失败告终。

2 现代的引伸计

由于科学技术的发展，电子技术也得到飞速发展，到二十世纪五十年代，电子技术在引伸计领域得到广泛应用，出现了电阻应变式引伸计、电感式引伸计、电容式引伸计及视频引伸计等。

2.1电阻应变式引伸计

这是目前应用最多的引伸计。常见的电阻应变式引伸计有：

2.1.1电子引伸计

图7 电子引伸计

Fig.7 The electronic extensometer

图7表示这种引伸计，它安装在试样一侧面上或试样圆柱面的一根母线上[5]，作者称这样使用的引伸计为“单侧电子引伸计”。由于试验机上、下夹头之间一般都存在着同轴度误差，试样的夹持部分与标距部分也可能有同轴度误差，所以试样一般处于偏心拉伸的情况下工作，其结果为在标距段内试样表面纵向线段的伸长与试样轴线的伸长一般是不相等的。这种测量方法用单侧表面测得的伸长代替试样轴线的伸长（即标距的纯粹拉伸伸长），一般情况下会得到错误的结果，也就是造成了一定的测量误差。有分析证明[6]：当偏心量为0.1mm时，测量误差为±8%，偏心加倍，误差也加倍，误差绝对值的最大值可接近50%[7]。

由于偏心拉伸是纯粹拉伸变形与纯弯曲变形的组合变形[8]，其中的纯弯曲变形使中性层一侧的材料受到附加的拉伸变形，而中性层另一侧的材料则受到附加的压缩变形。当单侧电子引伸计安装在附加的受压变形一侧时，在拉伸过程的最初阶段，单侧电子引伸计反映的变形为压缩变形，这就是单侧电子引伸计的“反走”现象[9]。

当单侧电子引伸计所测量的线段位于弯曲变形的中性层上时，由于中性层上弯曲变形为零，此时单侧电子引伸计测不到附加的弯曲变形而测到纯粹拉伸变形，其测量结果是准确的。但偏心是随机出现的，大多数情况下单侧电子引伸计没有安装在测中性层上的线段的位置，所以测得的变形不是试样的纯粹拉伸变形。这就是单侧电子引伸计的测量结果极不稳定的原因。

“单侧电子引伸计”的使用目前在我国还比较普遍，作者认为这种使用电子引伸计的方法应该加以改变了。

2.1.2 平均值引伸计

图8平均值引伸计

Fig. 8 The average extensometer

图8表示平均值引伸计，这种引伸计是在拉伸试样的对称的两个侧面上各装一只电阻应变式引伸计，分别测得上述两个侧面上标距段内的线段的变形，然后输入电桥电路中得到两个侧面上所选线段变形的平均值，即得到扣除了弯曲变形之后的试样的纯粹拉伸变形。这种测量原理是正确的，在国内外已逐渐得到采用。

这种引伸计的特点是它的左、右两个引伸计从理论上来讲他们的放大倍数应该完全相同，实际生产中是经过挑选使得两个引伸计的性能相近。另外此种引伸计的价格较贵、横向尺寸较大、零件数要多一倍、重量较大和安装较麻烦，这些是它的不足之处。

2.1.3 双侧电子引伸计

图9是双侧电子引伸计的结构简图。

双侧电子引伸计是本文第一作者设计的具有自主知识产权[10]的新型电子引伸计。

图9 双侧电子引伸计的结构简图

Fig.9 The structure diagram of two-side electronic extensometer

双侧电子引伸计仍然是一种电阻应变式引伸计，它的特点是感受试样变形的两个刀刃不是测量试样一侧表面线段的变形，它的两个刀刃是安装在试样对称两侧的，并且是分别安装在试样标距段的两端横截面上，即是它是在测量标距段内部的一根斜线的变形。由于采用了这样的设计，它能扣除偏心拉伸的弯曲变形而得到纯粹的拉伸变形，现证明如下：

从图9可看出，双侧电子引伸计感受试样变形的两块刀刃9分别是与试样对称两侧的点及d点接触，即是在测量试样标距L内部的一根斜线的伸长，当试样标距L发生纯粹拉伸伸长L时(假设无偏心拉伸影响)，的伸长与L有恒定的函数关系(这个关系可在引伸计与材料试验机作联机“校准”时自动建立)。在实际的拉伸试验中，通常与纯粹拉伸变形同时发生的偏心拉伸产生的纯弯曲变形在线段中的部分产生伸长(或缩短)变形，而部分产生缩短(或伸长)变形，由于对称性，这两部分变形的数值相等和符号相反，它们的代数和为零，即是纯弯曲变形不会使线段的长度发生变化，这就是双侧电子引伸计能避免偏心拉伸中的弯曲影响而测到纯粹拉伸变形的原理。

双侧电子引伸计除了能避免偏心拉伸影响之外，它能改变标距长度，既可用弹簧拉钩夹具（图9中的12）装卡，又能用橡皮筋装卡，这也是它与其他电子引伸计不同之处。

2.2 视频引伸计

图10 视频引伸计

Fig. 10 The video extensometer

图10所示视频引伸计，属于非接触式引伸计，它利用亚像素法原理测量试样变形，可同时测量纵向和横向两个方向的变形，其测量范围由镜头焦距决定，配备不同焦距的多个镜头，可获得多个量程。视频引伸计在应用上的特点是：

1）适用于金属薄板的塑性应变比（r值）及硬化指数（n值）等力学性能的测量；

2）可用于一般引伸计不能测量的金属箔、塑料膜等材料的变形测量；

3）由于能够测量整个试验过程的变形量所以能自动测量真实应变、断裂伸长率及总伸长率。

4）可任意设定原始标距，标距误差对应变测量不产生任何影响。

有人应用进口的视频引伸计并在试样的一侧测量试样的变形并计算试样材料的弹性模量E时，得到的数据的误差比较大[11],笔者认为这是单侧测量不能扣除偏心拉伸的弯曲变形的必然结果。因此，在应用视频引伸计时，试验机夹头的同轴度误差和试件夹持部分与标距部分的同轴度误差是必需考虑的问题。

2.3 自动引伸计

图11表示一种自动引伸计，它由两对工作臂和一个主体组成。工作臂执行自动装卡于试样、定位标距和传递试样变形的工作。主体中的测量系统可由光栅、伺服驱动系统、电阻应变测量元件及电感测微头等组成。

轴向自动引伸计的标距是可以自由设定的，最小标距为10mm。变形量可达50-200mm，最高可达508mm（含标距）。

图11 自动引伸计

Fig. 11 The automatic extensometer

横向自动引伸计的行程可以达到45mm（标距）。自动引伸计装卡到试样上的过程，即是测量试样横向尺寸的过程。

自动引伸计的分辨力一般为0.001mm（无论轴向或是横向变形测量）。

自动引伸计要求的实验条件是比较严格的，在满足其特定条件时，它得出的实验结果比较好。但是，在不满足其工作条件（例如试样有微小初始弯曲）下进行测量，它将无法准确测试。

3 结语

引伸计在标定器上检定时，一般都能得到很好的结果，这是因为标定器的活动测杆相对于固定测杆作比较理想的直线运动。但在引伸计参与实际测量时，因为试验机夹头有同轴度误差，试样有初弯曲以及试样夹持部位与标距段也有同轴度误差等，所以试样一般都处在偏心拉伸的情况下工作。如果引伸计选用得不恰当，这种偏心拉伸影响带来的测量误差可能是比较大的。

因此，不能只凭引伸计在标定器上的检定结果来选用引伸计，必须选用那些能自动扣除偏心拉伸的弯曲变形影响的引伸计。

参考文献：

[1] 四川五局《金属材料机械性能试验》编写组.金属材料机械性能试验[M].北京：国防工业出版社，1983.33.

[2] 魏文光编著.金属的力学性能测试[M].北京：科学出版社，1980.30.

[3] 费奥多谢夫著.蒋维城等译.材料力学[M].北京：高等教育出版社，1985.569-575.

[4] 胡国华. 球铰式引伸仪[J].理化检验—物理分册，1977，13（5，6）：41-45.