CN101975555B - 一种基于光透过测量技术的应变测量方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于光透过测量技术的应变测量方法及其装置，其方法特征在于：在试样试验段两侧固定两根相互平行的刚性引针，刚性引针与试样试验段拉伸方向的中心轴线垂直，刚性引针长度大于试样试验段的宽度，采用光透式数字测微计测量两根刚性引针间的初始距离，拉伸过程中的实时距离和拉伸结束后的最终距离，计算得到试样试验段的实时应变和最终应变，其中测微计的测量位置位于试样试验段两侧，且与试样试验段拉伸方向中心轴线的距离相等。本发明通过光透过测量技术测量刚性引针在拉伸过程中的距离变化，实现了对小试验面积材料、柔性材料和大形变情况应变的快速方便测量。克服了现有测量方法的缺陷，较好地弥补了几种方法应用的盲区。

Description

一种基于光透过测量技术的应变测量方法及其装置

技术领域

本发明属于机械领域中的应变测量方法及测量装置，具体为一种基于光透过测量技术的应变测量方法及其装置。

背景技术

目前机械领域中的应变测量方法主要有电阻应变法，使用机械式电子引伸计，以及采用激光全息干涉技术等等。但是电阻应变方法中由于受到应变片自身面积的影响，对表面积较小的试样进行测量时往往不适用，而且应变片自身还有强度限制，当需要进行大形变测量时，电阻应变方法往往也不适用；而使用机械式电子引伸计时，需要夹在试样上，被测面太小或太大都不适用，且所测材料的刚度必须足够大，否则材料受引伸计作用产生的应变将影响材料自身的应变；激光全息干涉技术中设备较昂贵，并且在检测时受机械振动、声振动(如环境噪声)以及环境光等的干扰大等等，因此需要在安静、清洁的暗室中进行检测，对环境要求很高。这些方法都不适合应用于小试验面积材料、柔性材料和大形变情况应变的快速方便测量中。

发明内容

要解决的技术问题

为解决现有方法不适合应用于小试验面积材料、柔性材料和大形变情况应变的快速方便测量中的技术问题，本发明提出一种基于光透过测量技术的应变测量方法及其装置。

技术方案

所述的一种基于光透过测量技术的应变测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、在试样试验段两侧固定两根相互平行的刚性引针，刚性引针与试样试验段拉伸方向的中心轴线垂直，刚性引针长度大于试样试验段的宽度；

步骤2、采用光透式数字测微计测量两根刚性引针间的距离S_l和S_r，以S_l和S_r的平均距离S＝(S_l+S_r)/2作为试样试验段的初始长度S，其中S_l和S_r的测量位置位于试样试验段两侧，且与试样试验段拉伸方向中心轴线的距离相等；

步骤3、拉伸试样，采用光透式数字测微计实时测量两根刚性引针间的距离S′_l和S′_r，测量位置与步骤2中测量位置相同，以S′_l和S′_r的平均距离S′＝(S′_l+S′_r)/2作为试样试验段的长度S′，通过公式ε′＝(S-S′)/S实时得到试样试验段的应变ε′；

步骤4、达到设定的拉伸力时，停止拉伸试样，采用光透式数字测微计测量两根刚性引针间的距离S″_t和S″_r，测量位置与步骤2中测量位置相同，以S″_l和S″_r的平均距离S″＝(S″_l+S″_r)/2作为试样试验段的最终长度S″，并通过公式ε″＝(S-S″)/S得到试样试验段的最终应变ε″。

本发明所述一种基于光透过测量技术的应变测量方法的优选方法，其特征在于：当试样材料为金属材料时，使用锡焊固定刚性引针；当试样材料为非金属材料时，使用粘胶固定刚性引针。

本发明所述一种基于光透过测量技术的应变测量方法的优选方法，其特征在于：刚性引针为粗细均匀的圆柱引针，且硬度至少达到45HRC。

一种实现本发明所述一种基于光透过测量技术的应变测量方法的装置，其特征在于：包括金属试验台和光透式数字测微计，金属试验台通过底部的卡孔固定在试验机平台上，金属试验台上部有两个测微计安放槽，两个测微计安放槽之间为对称标记，对称标记上方有对中槽，对中槽与对称标记纵向中心轴线重合；光透式数字测微计放置在测微计安放槽内，且紧贴在对称标记上；当带有刚性引针的试样加装在试验机上时，通过对中槽将试样对中。

有益效果

本发明通过光透过测量技术测量刚性引针在拉伸过程中的距离变化，实现了对小试验面积材料和大形变情况应变及应力的快速方便测量。克服了现有测量方法的缺陷，较好地弥补了几种方法应用的盲区。

附图说明

图1：本发明的结构示意图；

图2：金属试验台结构示意图；

图3：试验机平台示意图；

图4：光透式数字测微计测量原理图；

图5：狗骨形试样的示意图；

其中：1、金属试验台；2、光透式数字测微计；3、试样；4、刚性引针；5、试验机平台；6、测微计安放槽；7、对称标记；8、对中槽；9、减轻孔；10、卡孔；11、试验机平台基座；12、试验机平台安装凸起；13、光透式数字测微计发射端；14、光透式数字测微计接收端。

具体实施方式

下面结合实施例具体说明本发明：

参照附图1、附图2和附图3，本发明所述基于光透过测量技术的应变测量装置包括金属试验台1和光透式数字测微计2，金属试验台1通过底部的卡孔10固定在试验机平台5上；金属试验台1上部有两个测微计安放槽6，两个测微计安放槽6之间为对称标记7，对称标记7上方有对中槽8，对中槽8与对称标记7纵向中心轴线重合；光透式数字测微计2放置在测微计安放槽6内，且紧贴在对称标记7上，使用测微计卡具将光透式数字测微计2与金属试验台1固定；带有刚性引针4的试样3加装在试验机上，且试样试验段中心轴线与对中槽8对齐，保证两台光透式数字测微计2的测量位置距试样试验段中心轴线的距离相等。

本实施例中，采用上述应变测量装置对矩形纯铜试样和狗骨形纯铜试样(附图5中给出了狗骨形式样的形状图)进行了应变测量，其中使用的光透式数字测微计2的型号为KEYENCE公司生产的LS-7010，矩形纯铜试样尺寸为16×1×9(mm)，狗骨形纯铜试样中间试验段段尺寸为6×1×6(mm)。

首先，在矩形纯铜试样和狗骨形纯铜试样的试验段两侧采用锡焊方法固定两根相互平行的刚性引针4，刚性引针与试样试验段拉伸方向的中心轴线垂直，且刚性引针4的长度大于试样试验段的宽度；使用的刚性引针4为粗细均匀的圆柱型引针，硬度达到45HRC。

其次，将固定有刚性引针4的式样3加装在试验机上，且试样试验段中心轴线与对中槽8对齐，保证两台光透式数字测微计2的测量位置距试样试验段中心轴线的距离相等。采用光透式数字测微计2测量两根刚性引针间的距离S_t和S_r，S_l为试样试验段左侧测量位置测出的距离，S_r为试样试验段右侧测量位置测出的距离，以S_l和S_r的平均距离S＝(S_l+S_r)/2作为试样试验段的初始长度S。

接下来，启动试验机，拉伸试样，采用光透式数字测微计2实时测量两根刚性引针4间的距离S′_l和S′_r，以S′_l和S′_r的平均距离S′＝(S′_l+S′_r)/2作为试样试验段的长度S′，通过公式ε′＝(S-S′)/S实时得到试样试验段的应变ε′。而将实时得到的式样应变值与拉伸机提供的应力值相结合，绘制出应力应变曲线。

最后，当试验机达到设定的拉伸力时，停止拉伸试样，采用光透式数字测微计2测量两根刚性引针4间的距离S″_l和S″_r，以S″_l和S″_r的平均距离S″＝(S″_l+S″_r)/2作为试样试验段的最终长度S″，并通过公式ε″＝(S-S″)/S得到试样试验段的最终应变ε″。

其中，在获得试样试验段的初始长度S和试样试验段的最终长度S″时，采用了如下处理方法：在静态力下，使用光透式数字测微计2以2400次/秒的频率进行数据采集，持续采集数据10秒，从而得到足够多数据，以测量S_l为例，设采集10秒共取得S_l的24000个数据为χ₁～χ₂₄₀₀₀，得到均值为：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\χ}}=\frac{1}{24000}\underset{i=1}{\overset{24000}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\χ}}_i$

标准差为：

$\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{24000}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\χ}}_i-\stackrel{\‾}{\mathrm{\χ}})}^2}{23999}}$

使用拉依达准则，剔除粗大误差，即排除在

之外的值，用剩余数据再求一次得到均值

取

其余S_r、S″_l和S″_r以同样方法得到。

下面给出了在700N和1400N拉伸力下，本方法的应变测量测量结果与电阻应变法、通过拉伸机测得的总体应变以及理论计算值之间的对比结果。其中由于在1400N拉伸力下，应变片被拉断，所以没有此条件下的电阻应变法结果，而且在1400N拉伸力下，进入塑性变形阶段，也没有理论模型。此外，通过拉伸机测得的总体应变主要用于矩形式样对比，这是因为矩形式样的总体应变应与局部应变相同，狗骨形式样则不然。另外，在理论计算中，由于狗骨型式样形状不规则，无法计算出理论值。

从表中的结果可以看出，对小试验面积和大形变试样，传统的电阻应变法不仅在测量范围上很有局限，在承受范围内的测量结果也存在较大误差；而本***实测应变得到的结果与理论值和拉伸机测得总体应变都比较接近，且测量范围很大，可实际运用。

Claims (4)

1.一种基于光透过测量技术的应变测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、在试样试验段两侧固定两根相互平行的刚性引针，刚性引针与试样试验段拉伸方向的中心轴线垂直，刚性引针长度大于试样试验段的宽度；

步骤2、采用光透式数字测微计测量两根刚性引针间的距离S_l和S_r，S_l为试样试验段左侧测量位置测出的距离，S_r为试样试验段右侧测量位置测出的距离，以S_l和S_r的平均距离S＝(S_l+S_r)/2作为试样试验段的初始长度S，其中S_l和S_r的测量位置位于试样试验段两侧，且与试样试验段拉伸方向中心轴线的距离相等；

步骤3、拉伸试样，采用光透式数字测微计实时测量两根刚性引针间的距离S′_l和S′_r，测量位置与步骤2中测量位置相同，以S′_l和S′_r的平均距离S′＝(S′_l+S′_r)/2作为试样试验段的长度S′，通过公式ε′＝(S-S′)/S实时得到试样试验段的应变ε′；

步骤4、达到设定的拉伸力时，停止拉伸试样，采用光透式数字测微计测量两根刚性引针间的距离S″_l和S″_r，测量位置与步骤2中测量位置相同，以S″_l和S″_r的平均距离S″＝(S″_l+S″_r)/2作为试样试验段的最终长度S″，并通过公式ε″＝(S-S″)/S得到试样试验段的最终应变ε″。

2.根据权利要求1所述的一种基于光透过测量技术的应变测量方法，其特征在于：

当试样材料为金属材料时，使用锡焊固定刚性引针；当试样材料为非金属材料时，使用粘胶固定刚性引针。

3.根据权利要求1所述的一种基于光透过测量技术的应变测量方法，其特征在于：刚性引针为粗细均匀的圆柱引针，且硬度至少达到45HRC。

4.一种实现权利要求1所述基于光透过测量技术的应变测量方法的装置，其特征在于：包括金属试验台和两台光透式数字测微计，金属试验台通过底部的卡孔固定在试验机平台上，金属试验台上部有两个测微计安放槽，两个测微计安放槽之间为对称标记，对称标记上方有对中槽，对中槽与对称标记纵向中心轴线重合；光透式数字测微计放置在测微计安放槽内，且紧贴在对称标记上；当带有刚性引针的试样加装在试验机上时，通过对中槽将试样对中。

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