許子龍

（北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京100044）

電子引伸計(jì)在超小型構(gòu)件試驗(yàn)中的應(yīng)用

許子龍

（北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京100044）

基于電子引伸計(jì)和動(dòng)態(tài)多通道自動(dòng)采集技術(shù)，結(jié)合電子萬能試驗(yàn)機(jī)加載系統(tǒng)完成了對超小型試件的彎曲剛度測定。為提高超小型試件位移測試精度，在鉗式電子引伸計(jì)的標(biāo)定中，考慮工作刀口的運(yùn)動(dòng)方向不在同一條軸線上所產(chǎn)生的誤差，同時(shí)通過誤差分析和試驗(yàn)確定它在不同情況下的誤差數(shù)據(jù)。

電子引伸計(jì)；動(dòng)態(tài)多通道；自動(dòng)采集；誤差模擬；標(biāo)定器

對于超小型構(gòu)件（比如跨度150mm左右的梁）彎曲剛度的測量，需要測量構(gòu)件上、下層的轉(zhuǎn)角弧度變化或裂紋張開的位移。由于受構(gòu)件空間尺寸和測量量程的影響，傳統(tǒng)的電阻式位移傳感器、百分表、線性可變差動(dòng)式變壓器（LDVT）都無法使用。而其它的非接觸式的測位移方式，如：激光測距和視頻引伸計(jì)，都由于價(jià)格和使用便易性方面的原因不便于多點(diǎn)測量使用。在電子萬能試驗(yàn)機(jī)上常用作斷裂裂紋張開位移測量的鉗式電子引伸計(jì)，結(jié)合外置采集系統(tǒng)，可以解決以上問題。加載過程中力和相應(yīng)點(diǎn)的位移信號(hào)可以自動(dòng)記錄和存儲(chǔ)，同時(shí)可生成Excel格式輸出的采集數(shù)據(jù)文件，便于后期數(shù)據(jù)處理。這樣大大提高了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和可靠性，與人工讀數(shù)、手工記錄的方式相比，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了人員的投入，提高了工作效率，也減少了對試驗(yàn)設(shè)備和場地的占用。通過位移標(biāo)定器進(jìn)行標(biāo)定和誤差模擬標(biāo)定器相結(jié)合，對位移測量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，可以得到正確的測量結(jié)果。以下對此方法和常遇到的問題進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

1　測試工作簡介

根據(jù)專題研究工作要求，對超小型構(gòu)件（150mm ×170mm×26mm）采用四點(diǎn)彎曲加載方法測量剛度。加載范圍0～600N，加載速率為1mm/min，試驗(yàn)加載裝置示意如圖1。由于加載速度慢而且精度要高，所以將它放置在電子萬能試驗(yàn)機(jī)下空間內(nèi)的中心點(diǎn)上，通過定位軸來確保上下傳感器的同軸度，確保載荷測量的準(zhǔn)確性。對此裝置分級(jí)加載和卸載，完成對構(gòu)件的測試工作。

圖1　試驗(yàn)加載裝置示意

試驗(yàn)設(shè)備：①WDW-100D電子萬能試驗(yàn)機(jī)（圖2）；②DH5922N多通道動(dòng)態(tài)應(yīng)變采集系統(tǒng)；③BK-4型輪幅式力傳感器，精度0.5級(jí)；④YYJ-10/6，YYJ-4/10電子引伸計(jì)，精度1級(jí)（見圖3）；⑤GWB-200型電子引伸計(jì)位移傳感器的標(biāo)定器，分辨率0.001mm。

圖2　WDW-100D電子萬能試驗(yàn)機(jī)

圖3　YYJ-10/6，YYJ-4/10電子引伸計(jì)

2　測量系統(tǒng)的標(biāo)定工作

測量系統(tǒng)的標(biāo)定工作分為力傳感器和位移傳感器兩部分。

2.1力傳感器

力傳感器選用輪幅式力傳感器。它的特點(diǎn)是抗偏載能力強(qiáng)，傳感器的靜高度低，用于多層的串聯(lián)加載裝置中，系統(tǒng)構(gòu)件的穩(wěn)定性和上下夾頭的平行度便于控制，從而保證了測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。力傳感器的標(biāo)定分為主力傳感器和支座下力傳感器的標(biāo)定。主力傳感器標(biāo)定委托有資質(zhì)的相關(guān)計(jì)量單位完成，支座下力傳感器由標(biāo)定后的主力傳感器傳遞。主力傳感器位于試驗(yàn)機(jī)上方，用于加載時(shí)的輔助監(jiān)控，下支座BK-4型輪幅式力傳感器的輸出用于采集系統(tǒng)。試驗(yàn)加載的同時(shí)用多通道動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)對構(gòu)件試驗(yàn)中的力值和位移值實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)和輸出。

2.2電子引伸計(jì)

電子引伸計(jì)按其功能分為軸向、徑向和鉗式引伸計(jì)。根據(jù)本案例的需要，采用鉗式電子引伸計(jì)。鉗式電子引伸計(jì)的特點(diǎn)是測量范圍廣、便于安裝，并且已廣泛地用在斷裂裂紋的張開位移的測量中。鉗式電子引伸計(jì)在使用時(shí)，在相應(yīng)的測點(diǎn)處需要粘貼與引伸計(jì)工作刀口相垂直的測量輔助刀口。在試件的前后上下共裝了4個(gè)電子引伸計(jì)。在這個(gè)測量系統(tǒng)中電子引伸計(jì)的標(biāo)定工作尤其重要，因?yàn)槿粘５臉?biāo)定工作僅限于在實(shí)驗(yàn)室里的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)裝置進(jìn)行。但由于實(shí)際測量時(shí)不能保證傳感器刀口的運(yùn)動(dòng)方向完全在同一條軸線上對稱移動(dòng)，有可能出現(xiàn)刀口移動(dòng)不在同一平面、刀口單邊移動(dòng)等情況，所以必須把這一造成誤差的因素加以修正以免誤差過大。為此我們改變了傳統(tǒng)的單軸方向的標(biāo)定方式，對GWB-200高精度位移標(biāo)定器進(jìn)行了改造，在標(biāo)定器的頂部上刀口固定柱上，水平方向加了一個(gè)用螺旋測微儀控制的移動(dòng)刀口平臺(tái)，這樣就可以定量模擬兩刀口水平移動(dòng)對測量示值的影響，從而可以對測量結(jié)果進(jìn)行修正。誤差模擬標(biāo)定裝置見圖4。

圖4　誤差模擬標(biāo)定裝置

本文以對初始標(biāo)距為10mm，量程為±4mm的YYJ-4/10電子引伸計(jì)在各種工況下進(jìn)行了模擬誤差的標(biāo)定工作。各種工況下的標(biāo)定數(shù)據(jù)見表1，各工況的誤差模擬標(biāo)定曲線見圖5。

表1　YYJ-4/10電子引伸計(jì)在不同刀口偏移量下的標(biāo)定實(shí)測值mm

圖5　不同刀口偏移量輸出誤差模擬標(biāo)定曲線

3　引伸計(jì)刀口偏離待測方向引起誤差分析

令引伸計(jì)刀口（初始標(biāo)距d=10mm）安裝時(shí)偏離待測方向（如圖6所示）的距離為δ，以引伸計(jì)的拉伸方向?yàn)槔M(jìn)行討論，變形時(shí)引伸計(jì)刀口在待測方向產(chǎn)生Δ'的位移，則引伸計(jì)測量的位移Δ為

圖6　引伸計(jì)刀口偏離示意

與實(shí)際值比較產(chǎn)生誤差為（Δ-Δ'）/Δ'×100%。該誤差使位移測量值偏大，其值隨d的增大而減小，隨Δ'的增大而減?。ɡ鞎r(shí)）或增大（壓縮時(shí)）。試驗(yàn)中d取10mm，Δ'最大一般不超過4mm，則位移實(shí)際測量的相對誤差約為1.6%～3.0%。

4　結(jié)論

用電子引伸計(jì)經(jīng)過誤差模擬標(biāo)定后的測試結(jié)果和其它傳統(tǒng)的方法測試結(jié)果相同。此方法的測試效率、準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性大大提高。固定刀口的偏移量不影響電子引伸計(jì)測量輸出值的線性關(guān)系。通過大量的實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，測量數(shù)據(jù)重復(fù)性好，使用更便捷。此方法值得在其它類似工程測量中應(yīng)用。

［1］劉昊文，丁國清，陳欣.撓性桿彎曲剛度測量的研究［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2014，22（19）：103-106.

［2］游濱，李彥軍，鄭校輝.淺談電子引伸計(jì)的使用技巧［J］.讀寫算：教育教學(xué)研究，2014（32）：384.

［3］趙立紅，江樹勇，邢忠文，等.雙曲扁殼件剛度的檢測方法及成形數(shù)值模擬［J］.應(yīng)用科技，2012，39（6）：34-38.

［4］李演楷，衛(wèi)明陽，張?jiān)戚x，等.引伸計(jì)的測量原理及其改進(jìn)方法［J］.工程與試驗(yàn)，2010，50（3）：65-66，74.

［5］張如一，沈觀林，李朝弟.應(yīng)變電測與傳感器［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1999.

AbstractWith electronic extensometer and dynamic multi-channel automatic data collection technology，flexural stiffness of super-small member was measured by using electronic universal testing machine loading system.T o improve accuracy of displacement measurement，error due to non-axial movement of working blades was considered when calibrating grip electronic extensometer.Also，error in different cases was defined through error analysis and test.

Application of Electronic Extensometer in Test of Super-small Member

XU Zilong
（School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

Electronic extensometer；Dynamic multi-channel；Automatic data collection；Error simulation；Calibrator

TU317

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.04.12

1003-1995（2016）04-0044-03

（責(zé)任審編趙其文）

2015-12-15；

2016-01-06

許子龍（1965—），男，工程師。