引伸计的应用及误差来源分析

引伸计的应用及误差来源分析

作者：邸翔

来源：《商品与质量·学术观察》2013年第09期

摘要：介绍了目前国内应用比较广泛的几种引伸计，详细说明了引伸计的结构、优缺点和使用方法，为引伸计的选用提供参考。简单的分析了引伸计测量误差形成的主要原因，介绍了引伸计使用中的一些经验和注意事项。

关键词：变形引伸计标距误差

变形测量是材料物理特性检测中最基本的测量环节之一，目前广泛使用电子引伸计测量试样变形。引伸计是用于测量试件标距间轴向及径向变形的基本装置，通常由传感器、放大器和记录器三部分组成，传感器直接和被测构件接触。构件上被测的两点之间的距离为标距，标距的变化（伸长或缩短）为线变形。构件变形，传感器随着变形，并把这种变形转换为机械、光、电、声等信息，放大器将传感器输出的微小信号放大。记录器（或读数器）将放大后的信号直接显示或自动记录下来。在引伸计的使用中，其工作状态不良可以使拉伸力/变形曲线出现异常，对强度测试的影响有时会很大，如果不予以分析和修正，会给测定结果带来较大误差。本文对目前国内应用比较广泛的几种引伸计进行了系统全面的介绍，为引伸计的选用提供参考，同时简单的讨论了变形测量误差的主要来源。

1、引伸计的应用

1.1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电子引伸计、平均值引伸计和双侧电子引伸计等。

1.1.1 电子引伸计

电子引伸计安装在试样一侧面上或试样圆柱面的一根母线上，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存在着同轴度误差，所以试样一般处于偏心拉伸的状态，其结果为在标距段内试样表面纵向线段的伸长量与试样轴线的伸长量一般是不相等的。这种测量方法用单侧表面测得的伸长量来代替试样轴线的伸长量（即标距段的纯拉伸伸长量），一般情况下会得到错误的结果，因而就会造成一定的测量误差。

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。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，由于中性层上的弯曲变形为零，此时单侧电子引伸计测不到附加的弯曲变形而只测到纯拉伸变形，其测量结果是准确的。

平均值引伸计是在拉伸试样的对称两个侧面上各安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变形量，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试样的纯拉伸变形量。这种测量原理是正确的，在国内外已经逐渐得到应用。

平均值引伸计的特点是它的左、右两个引伸计从理论上来讲其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高、横向尺寸较大、零件数比单侧电子引伸计要多一倍、质量较大和安装较麻烦，这些是它的不足之处。

1.1.3 双侧电子引伸计

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量，而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，即它是在测量标距段内部的一根斜线的变形量。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拉伸变形量。双侧电子引伸计还能改变标距长度，既可用弹簧拉钩夹具装卡，又能用橡皮筋装卡，这也是它与其他电子引伸计的不同之处。

1.2视频引伸计

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拉伸试样的变形量，可同时测量纵向和横向两个方向的变形量，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：适用于金属薄板的塑性应变比及硬化指数等力学性能的测试；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量测量；由于能够测量整个试验过程中的变形量，所以能自动测量真实应变、断后伸长率及总伸长率；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。

1.3自动引伸计

自动引伸计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量的工作。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）。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0.001 mm。自动引伸计要求的试验条件比较严格。在满足其特定条件时，它得出的试验结果比较好；但在不满足其工作条件时（例如试样有微小初始弯曲），它将无法准确测量出试样的变形量。

2、变形测量误差主要来源

引伸计的标距允差、测量范围、变形示值误差和稳定性等对变形测量的影响是最直接的，使用前一定对其进行标定。在标定时应使用经过检定合格的标定仪，其误差应≤引伸计允差的1/ 3。标距允差和变形示值误差决定了引伸计的级别。可根据变形测量范围尽可能选取臂长较短的引伸计，减少引伸计自身晃动，提高测量灵敏度。

2.2引伸计初始安装状态

把引伸计安装到试样时，尽量与标定时的操作要点一致。尤其要注意的是，原始标距要准确。有的引伸计带有标距长度定位销，在拔出标距长度定位销时，一定不要感受到有阻力。夹持力也要适宜。夹持力过大会引起引伸计悬臂梁承受扭矩，影响测量准确度，太小会引起试验时刀口“打滑”。

2.3引伸计刀口钝化

当试验曲线因刀口“打滑”而出现异常时，首先要考虑夹持力是否足够，其次就要考虑引伸计刀口是否钝化或卷刃。在测试高强度拉伸试样性能时，因试样硬度较高，必须使用硬度值比试样硬度值还要高的刀口，以避免卷刃和试验时打滑。刀口打滑时，如果是圆刀口，并确定是因为刀刃磨损钝化或卷刃造成的，可以将刀口转动一个角度来解决，直到整个圆周刀刃都不能用为止。更换或调整刀口后必须进行重新标定。

2.4夹具震动

如果使用楔形夹具，无论是手动夹紧，还是气动和液压夹紧，试样在拉伸的线弹性段，都会受到越来越大的夹紧力和拉伸力，如果夹具与夹头之间的润滑不好，夹具极有可能在夹头内突然出现小的突进，伴随着机器震动引起引伸计刀口打滑，产生误差。

2.5试验机同轴度不好或者试样安装位置不正确

如果试验机同轴度较差，试样实际受力与试验机测量力值不一致，试样会受到一个弯矩，拉伸时会得到不规则的线弹性段，这样必然会降低强度测试的准确度。如果使用具有平均效应的双引伸计，则可提高变形测量准确度。试样安装位置不正确也会对测试结果产生影响。用目测法安装试样时，往往会由于视觉偏差造成试样在夹具内或者倾斜，或者偏离加载轴线，也会影响变形测量的准确度。

2.6在试样上的安装位置

对于圆形横截面试样，引伸计安装在试样平行段中心对称位置即可；对于矩形横截面试样，如果两夹头之间的空间允许，最好使刀口顶在试样较宽的侧面上，这样可使刀口更接近加载轴线，减少测量误差；对于管材弧形横截面试样，则应把刀口顶在机加工的侧面上。如果试