双音叉形弹性体引伸仪及其测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种双音叉形弹性体引伸仪及其测量方法，适用于材料拉伸力学性能 试验的变形测量，属力学试验技术及传感器技术领域。
【背景技术】
[0002] 在料拉伸力学性能试验中，需要使用引伸仪实时测量试样在轴向载荷作用下发生 的变形。现有的引伸仪产品，绝大多数是单向引伸仪，即轴向引伸仪和横向引伸仪，前者用 于测量试样的轴向变形，后者用于测量试样的横向变形。专利文献"一种电阻应变式消偏心 二维引伸仪（专利号201210232528. 2)"介绍的引伸仪（以下简称参考仪）是一种能够实 时同步测量轴向变形和横向变形并自动消除偏心效应的引伸仪，并且可以绘制材料的真应 力-应变曲线。但这种引伸仪的构造和性能存在以下5个问题：
[0003] 1、弹性体连接方式影响测量准确性。用于测量横向变形的两个U形弹性体与用于 测量轴向变形的直梁形弹性体有两种连接方式，即间隙配合连接方式和固定端连接方式。
[0004] 采用间隙配合连接方式的参考仪，当进行反复加载一卸载试验时，由于配合间隙 的变化在各次加载和卸载过程中不能保证一致，因此必然影响数据重复性和测量准确性。
[0005] 采用固定端连接方式的参考仪用于拉伸试验时，因试样结构不对称所引起的参考 仪两侧刀刃间距变化的不一致（偏心效应），会使参考仪整体产生扭转变形。由于参考仪抵 抗这一扭转变形的刚度很大，因此测量刀刃有可能发生滑移，而刀刃滑移必然影响测量准 确性，并且测量刀刃的这种滑移具有很强的隐蔽性，不易被察觉。
[0006] 2、提高轴向量程受到结构形式限制。参考仪的两个U形弹性体与连接二者的直梁 形弹性体相互垂直，而且两个U形弹性体的变形敏感段与直梁形弹性体的变形敏感段到测 量刀刃的距离相差不大，要想增大轴向变形测量的量程，就必须增大两个U形弹性体的长 度。然而增大两个U形弹性体的长度会造成横向变形测量灵敏度降低（对于材料的二维拉 伸力学性能试验而言，横向变形测量的灵敏度至关重要，一般需要比轴向变形测量的灵敏 度高一个数量级），同时还会导致整个弹性体的尺寸和重量增加。因此，在参考仪的结构形 式下，增大轴向量程的设计调整余地很小。
[0007] 3、调整轴向变形测量和横向变形测量的灵敏度以及量程之间的匹配关系受到结 构形式限制。材料种类和力学性能具有多样性，拉伸试样的轴向尺寸与横向尺寸以及轴向 变形与横向变形有不同大小的比例关系，因此对于二维引伸仪的设计，要求轴向变形测量 和横向变形测量的灵敏度大小和灵敏度比例能够有尽可能大的调整范围，同时还要保证有 尽可能大的量程。参考仪由于感应轴向变形的直梁形弹性体与感应横向变形的两个U形弹 性体相互垂直，直梁形弹性体和U形弹性体结构尺寸调整在轴向灵敏度、横向灵敏度和量 程之间的协调余地很小，尤其是提高横向灵敏度和提高轴向量程相互矛盾，因此提高综合 性能指标的设计局限性很大。
[0008] 4、减小标距受到结构形式限制。如果要减小参考仪的轴向测量标距，就必须缩短 其直梁形弹性体的长度，但是直梁形弹性体上有两个变形敏感段和一个刚性段，缩短长度 显然受到这一结构的限制。
[0009] 5、增大标距受到结构形式限制。对于材质相同、横截面尺寸相同但测量标距不同 的拉伸试样，在同样大小的轴向载荷最用下，标距较长者的伸长量大于标距较短者的伸长 量，因此前者的轴向变形测量精度比后者高。但是，在参考仪的结构形式下，标距较长者的 两个U形弹性体相对于直梁形弹性体转动的角度大于标距较短者的两个U形弹性体相对于 直梁形弹性体转动的角度，而随着两个U形弹性体相对于直梁形弹性体转动角度的增加， 轴向变形测量数据的非线性误差将会变大，即使弹性体仍处于线弹性范围内，也会产生这 种非线性误差，因为这种非线性误差是几何性质的模型误差。通过增大两个U形弹性体的 长度，可以减小或消除这一误差。但是根据前面的分析，增加两个U形弹性体的长度，要受 到横向灵敏度和结构尺寸、重量等因素的制约。可见，增大参考仪的轴向测量标距，也受到 其结构形式的限制。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的，是提供一种双音叉形弹性体引伸仪，以解决现有电阻应变式消偏 心二维引伸仪存在的问题。
[0011] 本发明的双音叉形弹性体引伸仪，包括传感器、定位板和标准器三部分。其中传感 器由一个三U形组合弹性体、四个夹持刃块、四枚紧定螺钉、两根圆柱杆、四枚调整螺钉和 十二枚单轴电阻应变计Ri~R 12组成。
[0012] 三U形组合弹性体的结构包括两个音叉形弹性体和一个刚性连接梁，并且具有一 个纵向对称面，χ-y面，和一个横向对称面，χ-ζ面。两个音叉形弹性体的形状和尺寸相同， 其结构分为U形叉和叉柄两部分。U形叉由基座和与基座两端固联的两根变截面悬臂梁组 成，形状对称。变截面悬臂梁从自由端a到根部c分为头部ab和颈部be两段，头部ab段 的横截面面积大于颈部be段的横截面面积，基座的横截面面积也大于颈部be段的横截面 面积。头部ab和基座对坐标轴y的弯曲刚度远大于颈部be段对坐标轴y的弯曲刚度，因 此头部ab和基座均可视为刚体。叉柄为一等截面直梁，其横截面面积小于变截面悬臂梁颈 部be段的横截面面积。叉柄对坐标轴z的弯曲刚度小于变截面悬臂梁颈部be段对坐标轴 y的弯曲刚度。中间连接杆为一刚性直杆，其两端分别与两音叉形弹性体的叉柄的根部刚性 连接。三U形组合弹性体在纵向对称面x-y内的投影轮廓，是一个形状对称的梯形槽，梯形 槽的槽口宽度W大于槽底宽度w。在三U形组合弹性体的整体结构中，两个叉柄对于坐标轴 X的扭转刚度远小于其它部分对于坐标轴X的扭转刚度。变截面悬臂梁在靠近自由端a处 加工有一个矩形通孔，该矩形通孔的轴线与U形叉的对称轴垂直相交；自由端a的端面上垂 直加工有一个螺纹孔，该螺纹孔与矩形通孔联通。两根变截面悬臂梁上的矩形通孔处于同 轴位置。在变截面悬臂梁的矩形通孔和截面b之间，同轴加工有一个螺纹沉孔和一个圆柱 形通孔，螺纹沉孔位于U形叉的外侧，圆柱形通孔位于U形叉的内侧，螺纹沉孔的螺纹根径 大于圆柱形通孔的直径。两根变截面悬臂梁上的螺纹沉孔和圆柱形通孔处于同轴位置。
[0013] 四个夹持刃块均为带有直线刀刃的硬质块体，形状和尺寸相同。四个夹持刃块分 别与U形叉上的四个矩形通孔配合，并利用紧定螺钉的固紧作用，安装在音叉形弹性体上。 每一音叉形弹性体上的两个夹持刃块在U形叉的内侧形成一副夹持刀口，用于夹持被测试 样。每副刀口的两条刀刃线相互平行，且与U形叉的U形平面平行，刀口的原始间距S。小 于被测试样的直径d。
[0014] 两根圆柱杆的形状和尺寸相同，其长度1大于U形叉的间距m与圆柱形通孔的长 度η的两倍之和，但小于U形叉的宽度M，即Μ > 1 > m+2n，因此圆柱杆的两端分别进入U 形叉两侧的螺纹沉孔一定长度。两根圆柱杆以间隙配合方式分别安装在两个U形叉的圆柱 形通孔内，并且可以在圆柱形通孔内轴向滑动。四枚调整螺钉的结构和尺寸相同，分别与四 个螺纹沉孔的螺纹配合，安装在U形叉上。每一 U形叉上的两枚调整螺钉分别与圆柱杆的 两个端面接触配合，通过旋动调整螺钉，可以改变U形叉的刀口间距。
[0015] 十二枚单轴电阻应变计Ri~R 12中，R JP R 2分别粘贴在一个音叉形弹性体叉柄部 分的上、下两侧，R5~R 8粘贴在该音叉形弹性体U形叉的be段的内外两侧，R 5和R 7位于该 U形叉的内侧，&和R s位于该U形叉的外侧。R 3和R 4分别粘贴在另一个音叉形弹性体叉柄 部分的上、下两侧，R9~R12粘贴在该音叉形弹性体U形叉的be段的内外两侧，RjPL。位 于该U形叉的内侧，Rn和R 12位于该U形叉的外侧；R R 12的栅轴均与音叉形弹性体的轴 线平行。
[0016] 电阻应变计&、R2、私和R 4由导线连接，组成一个全桥测量电桥，称为第一测量电桥 B1;电阻应变计R5、R6、馬和Rs由导线连接，组成一个全桥测量电桥，称为第二测量电桥B 2;电阻应变计R9、R1(]、Rn和R 12由导线连接，组成一个全桥测量电桥，称为第三测量电桥B 3。
[0017] 带有电桥队的两个音叉形弹性体与中间连接杆构成一个轴向变形引伸传感器；带 有电桥B2的音叉形弹性体和带有电桥B 3的音叉形弹性体分别构成两个独立的横向变形引 伸传感器。
[0018] 定位板包括矩形基板和位于矩形基板同一侧面的两副定标距槽及一个螺纹座；矩 形基板的长边平行于坐标轴y ;两副定标距槽的形状和