CN110441150B - 双动臂材料拉伸试验方法及其试验机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双动臂材料拉伸试验方法及其试验机，该设计包括主机、标准器、被测试件和微机数控单元。主机由双动臂加载传感机构和驱动装置组成。双动臂加载传感机构由两只可动悬臂梁传感器与一副编码丝杆组成。编码丝杆由加载测微丝杆和三态编码器组成。双动臂加载传感机构具有加载、力传感及变形传感三项功能。试验机工作时，双动臂加载传感机构在微机数控单元控制下对试件加载，并实时向微机数控单元输出试件的载荷‑变形信号。

Description

双动臂材料拉伸试验方法及其试验机
技术领域
本设计涉及一种双动臂材料拉伸试验方法及其试验机，用于材料力学性能试验，特别是金属细丝、织物纤维、动物纤维、人造纤维、高分子材料等材料的拉伸试验，亦可用于压缩试验，属力学试验、传感器技术领域。
背景技术
材料拉伸力学性能试验使用的各种结构形式的材料试验机，载荷测量和变形测量一般都是分别由两套不同的传感系统实现，载荷传感系统采用负荷 (力)传感器，变形传感系统采用引伸仪或其它机械-几何转换机构。对于金属细丝、纤维、柔软高分子材料等不适合使用引伸仪的材料，拉伸试验通常要利用试验机横梁测量试件的变形，即以横梁位移做为试件的伸长量。用横梁测量变形，横梁本身的弯曲变形会引入误差，影响测试精度，这样就需要横梁的刚度尽可能高。实际上，现有试验机的设计，一般都要求加载结构的刚度尽可能高，这类试验机可以称为刚性试验机。利用横梁位移测量试件的伸长量，横梁变形变形会引起一定的误差，试件夹具初始间隔的确定(测量) 和夹具机构的机械间隙也会造成测量误差。这三种误差或源于横梁结构，或源于夹具结构，克服途径之一，是改变试验机的结构形式及加载测试方式。
发明内容
本设计的目的，是为金属细丝、塑料和橡胶等高分子材料、人造纤维、植物纤维、动物纤维等材料的拉伸力学性能试验，提供一种载荷传感器和变形传感器为一体化结构、具有柔性加载和柔性测量性能的双动臂材料拉伸试验方法及其试验机。
本设计的双动臂材料拉伸试验方法及其试验机，由主机、标准器、被测试件和数控器组成测试系统。
主机由基座、支板、双动臂加载传感机构和驱动装置四部分组成。
基座为箱形结构，其顶板的上表面为平面，在顶板的中央位置装配有轴线沿竖直方向的滑动轴承，该滑动轴承周围对称分布有四个第一螺纹孔。支板为一梯形厚板，竖直固定在基座顶板的上部，其右端靠近基座的右端。支板的中面，即纵向对称面，垂直于基座的右侧面，并通过滑动轴承的轴线。支板顶部有一伸向左侧的水平突耳，其上加工有轴承孔，该轴承孔的轴线与滑动轴承的轴线重合。支板的左侧边沿竖直方向加工有一条U形导向槽。
双动臂加载传感机构由加载传感臂和编码丝杆组成，该机构具有三项功能：加载，力传感，变形传感。
加载传感臂包括下加载传感臂和上加载传感臂，二者均为悬臂梁式传感器，且结构尺寸相同。下加载传感臂的结构包括变截面弹性梁、安装在梁自由端处方向朝上的两块下L形夹持块、两枚下锁紧螺钉、分别粘贴在梁根部附近上侧表面和下侧表面的单轴电阻应变计R1和R2、以过盈配合方式嵌装在梁根部的带内螺纹的下传动螺母和下限位销钉。上加载传感臂的结构包括变截面弹性梁、安装在梁自由端处方向朝下的两块上L形夹持块、两枚上锁紧螺钉、分别粘贴在悬臂梁根部附近下侧表面和上侧表面的两枚单轴电阻应变计R3和R4、以过盈配合方式嵌装在梁根部的带内螺纹的上传动螺母和上限位销钉。电阻应变计R1、R2、R3和R4的栅轴均与所在弹性梁的轴线平行。下加载传感臂和上加载传感臂的变截面弹性梁，其横截面为矩形，梁沿长度方向从自由端a到根部c分为刚性段ab和柔性段bc两段，刚性段ab与柔性段bc的宽度相等，刚性段ab的高度H大于柔性段bc段的高度h。下加载传感臂通过下传动螺母与下部螺纹轴的配合和下限位销钉与U形导向槽的滑动配合安装在加载测微丝杆上。上加载传感臂通过上传动螺母与上部螺纹轴的配合和上限位销钉与U形导向槽的滑动配合安装在加载测微丝杆上。下加载传感臂和上加载传感臂处于对称位置，其对称面与加载测微丝杆上的限位突台的中面重合。下加载传感臂的上表面与上加载传感臂的下表面之间的距离l称为加载臂间距，当两个加载传感臂抵靠限位突台(12)时，l达到最小，这个最小间距用lmin表示。两块下L形夹持块和两枚下锁紧螺钉构成下部钳口，两块上L形夹持块和两枚上锁紧螺钉构成上部钳口，下L形夹持块的上端面与下加载传感臂的变截面弹性梁的上表面共面，上L形夹持块的下端面与上加载传感臂的变截面弹性梁的下表面共面。下加载传感臂的变截面弹性梁的前后两个侧面在下L形夹持块的中面位置沿竖直方向刻有下指示线，上加载传感臂的变截面弹性梁的前后两个侧面在上L形夹持块的中面位置沿竖直方向刻有上指示线，下指示线与上指示线处于共线位置。电阻应变计R1、 R2、R3、R4组成一个全桥测量电路，该电路既是位移-变形传感电路，又是力传感电路，当用于位移-变形传感时，其应变信号用εrd表示，当用于力传感时，其应变信号用εrf表示。
编码丝杆由加载测微丝杆和三态编码器两部分组成。加载测微丝杆的结构由上到下分为六段：上部光轴，上部螺纹轴，限位突台，下部螺纹轴，定位突台，下部光轴。上部螺纹轴的螺纹为左旋，下部螺纹轴的螺纹为右旋。加载测微丝杆通过上部光轴与轴承孔的配合、定位突台的下端面与滑动轴承的上端面的旋转滑动配合、下部光轴与滑动轴承的配合、挡盘与下部光轴的孔-轴过盈配合以及挡盘的上端面与滑动轴承的下端面的旋转滑动配合，安装在基座上。三态编码器由齿盘、传感器支架和左上悬臂梁传感器、右上悬臂梁传感器、左下悬臂梁传感器、右下悬臂梁传感器组成。齿盘为一圆盘，周边带有若干圆弧齿，齿数为4的整数倍。齿盘位于挡盘之下，共轴固定在加载测微丝杆的下部光轴上。传感器支架为一矩形框架，框架的四条边均在中间位置加工有一个垂直于框架平面的光孔，在靠近一侧边角的位置加工有一个轴线平行于框架平面且垂直于所在边的矩形通孔和一个与该矩形通孔垂直联通的第二螺纹孔。传感器支架利用紧定螺栓和隔离套筒与光孔和第一螺纹孔的配合，固定在基座顶板的下方，并且将齿盘围在中间。左上悬臂梁传感器、右上悬臂梁传感器、左下悬臂梁传感器、右下悬臂梁传感器采用等截面弹性梁或变截面弹性梁，四个弹性梁分别通过其根部与矩形通孔的配合和紧定螺钉的压紧作用固定于传感器支架的上侧内壁、下侧内壁、右侧内壁和左侧内壁。四个弹性梁在靠近各自根部处的上下表面或左右表面分别沿梁轴线方向贴有单轴电阻应变计[R5,R6]、[R7,R8]、[R9,R10]和[R11,R12]。四个弹性梁在靠近自由端处朝向齿盘一侧分别加工有左三角形突棱、上三角形突棱、下三角形突棱、右三角形突棱。装配好的左上悬臂梁传感器、右上悬臂梁传感器、左下悬臂梁传感器、右下悬臂梁传感器的弹性梁均有一定量的预变形，预变形产生的弹性压力使左三角形突棱、上三角形突棱、下三角形突棱、右三角形突棱的棱顶分别与齿盘周边的圆弧齿保持接触，四个接触点的具体位置按以下条件确定：
a.设齿盘的纵向对称线刚好通过正上方圆弧齿和正下方圆弧齿的中心，同时齿盘的水平对称线刚好通过最左端圆弧齿和最右端圆弧齿的。
b.此时右三角形突棱位于齿盘水平对称线和最右端圆弧齿的上侧，并且刚好对准相邻两圆弧齿之间的谷底；左三角形突棱位于齿盘的水平对称线上，刚好与最左端圆弧齿的顶点接触；上三角形突棱和下三角形突棱均位于齿盘纵向对称线的右侧，分别与正上方圆弧齿的右侧和正下方圆弧齿的右侧接触。右三角形突棱到齿盘纵向对称线的距离用hmin表示，左三角形突棱到齿盘纵向对称线的距离用hmax表示，上三角形突棱与正上方圆弧齿接触点到齿盘水平对称线的距离和与之相等的下三角形突棱与正下方圆弧齿接触点到齿盘水平对称线的距离均用hmid表示。hmid、hmin和hmax三者之间存在式(1)表示的关系：
Figure GDA0002486107250000041
hmin、hmid和hmax统称特征高度，其中hmin称为最小特征高度，hmid称为平均特征高度，hmax称为最大特征高度。驱动装置为电动机带动的蜗轮-蜗杆机构或齿轮-齿带机构，与加载测微丝杆上的下部光轴连接配合，驱动加载测微丝杆正、反向转动。编码丝杆按以下方式工作：
1)三态编码器测量电路连接：将电阻应变计[R5,R6]、[R7,R8]、[R9,R10]、 [R11,R12]分别以半桥方式接入数控器，用
Figure GDA0002486107250000042
分别表示数控器测得的四个半桥测量电路的应变读数。
2)三态编码器测量电路初始化调整：用数控器控制加载测微丝杆和齿盘转动，应变读数
Figure GDA0002486107250000051
随之发生连续周期性变化，变化周期用T表示，T也表示齿盘上相邻两个圆弧齿的齿顶间距。齿盘每转过一个齿，即一个周期T，应变读数
Figure GDA0002486107250000052
分别完成一次循环。观察
Figure GDA0002486107250000053
的变化，当
Figure GDA0002486107250000054
刚好达到最小值εrmin时，停止齿盘的转动，调节数控器上电阻应变计[R5,R6]所在电桥的平衡电路，使之达到平衡状态，即
Figure GDA0002486107250000055
重复前述动作，依次在
Figure GDA0002486107250000056
取得最小值εrmin时，调节电阻应变计[R7,R8]、[R9,R10]、[R11,R12]所在电桥的平衡电路，使
Figure GDA0002486107250000057
按以上方法完成四个半桥测量电路的调整后，再驱动齿盘转动，则
Figure GDA0002486107250000058
均在最小值 0和一个最大值εrmax之间循环变化，最小值0对应于四个三角形突棱之一处在正对相邻两圆弧齿之间的谷底位置，即对应于最小特征高度hmin，最大值εrmax对应于四个三角形突棱之一处在与圆弧齿顶点接触的位置，即对应于最大特征高度hmax。以上调整三态编码器测量电路状态的方法，称为初始化四步调整法，简称四步调整法。
3)确定应变读数
Figure GDA0002486107250000059
与齿盘旋转状态的关系：完成测量电路初始化调整后，规定用数字1、0和1/2分别表示应变读数
Figure GDA00024861072500000510
的最大值εrmax、最小值0和平均值εrmid＝0.5εrmax。数字1与最大特征高度hmax对应，定义为满值。数字0与最小特征高度hmin对应，定义为零值。数字1/2与平均特征高度hmid对应，定义为中值。满值1、零值0和中值1/2统称三态编码器的三态编码值，简称三态值。齿盘旋转时，三态值0、1/2和1按周期T循环变化。三态值0、1/2和1的循环变化，用于确定齿盘的旋转状态，即旋转方向和旋转角度。三态值0、1/2和1总共有四个不同的组合，如表1所示：
表1应变读数
Figure GDA0002486107250000061
的三态值组合
Figure GDA0002486107250000062
表2齿盘顺时针转动过程中，三态值0、1/2、1在每一个周期T内的变化。
Figure GDA0002486107250000063
表中“↑”表示三态值增大，“↓”表示三态值减小。
表3齿盘逆时针转动过程中，三态值0、1/2、1在每一个周期T内的变化。
Figure GDA0002486107250000064
表中“↑”表示三态值增大，“↓”表示三态值减小。
从表1中任选一个三态值组合，做为确定齿盘旋转状态的起始点。为明确起见，从表1中选择三态值组合1，则齿盘沿顺时针方向每转过一个齿，三态值按表2所示完成一个周期T的循环，齿盘沿逆时针方向每转过一个齿，三态值按表3所示完成一个周期T的循环。在表2和表3中，周期T被划分成四个1/4子周期，在每一个1/4子周期内，四个应变读数
Figure GDA0002486107250000065
Figure GDA0002486107250000066
的三态值分别发生不同的升降变化，编号①至⑧的八行数据，两两互异，而且均具有唯一性，其中每一行数据都唯一地表示齿盘的一个特定旋转状态。例如，编号③的一行数据表示且只表示齿盘沿顺时针方向转过一个周期T内的第三个1/4周期，即0.5T至0.75T。编号⑤的一行数据表示且只表示齿盘沿逆时针方向转过一个周期T内的第一个1/4周期，即0至0.25T。
4)确定两加载传感臂相对位移量：转动加载测微丝杆，使下加载传感臂和上加载传感臂相向移动，直至二者同时抵靠限位突台，以下加载传感臂和上加载传感臂的当前位置分别作为二者的位移原点，并将齿盘的当前位置记作齿盘零位。必要时，也可以将下加载传感臂和上加载传感臂调整到移动范围内的某一指定位置或任意位置，以下加载传感臂的当前位置和上加载传感臂的当前位置分别作为二者的位移原点，同时将齿盘的当前位置记作齿盘零位。从齿盘零位开始，转动加载测微丝杆，使下加载传感臂和上加载传感臂从位移原点起作反向移动或相向移动。用S表示下加载传感臂和上加载传感臂的相对位移量，用公式(2)计算S：
Figure GDA0002486107250000071
式(2)中，t表示加载测微丝杆的导程，Nc表示齿盘的齿数，nz,s表示齿盘自齿盘零位起顺时针累计转过的齿数，nz,n表示齿盘自齿盘零位起逆时针累计转过的齿数，nz,s和nz,n恒取正值，nz表示nz,s与nz,n之差，定义为有效转动齿数。nz,s、nz,n和nz也称为齿盘转动参数。nz和S是代数量，齿盘顺时针转动时，下加载传感臂和上加载传感臂作反向移动，nz和S的符号均为“+”。齿盘逆时针转动时，下加载传感臂和上加载传感臂作相向移动，nz和S的符号均为“-”。
标准器为一组标准圆柱，数量用n表示，2≤n≤10。标准圆柱的直径值称为标准直径，依次用d1，d2…，dn表示，按d1＜d2,…,＜dn的顺序排列。最小标准直径d1大于加载臂最小间距lmin。在标准圆柱中，任选一个做为基准圆柱，将其直径值定义为基准直径，用d0表示。d1，d2，…，dn的算术平均值用d 表示。d1，d2，…，dn也表示相应的标准圆柱。
被测试件为金属细丝、织物纤维、动物纤维、高分子材料等拉伸试件或压缩试件。
数控器为带有应变信号采集-调理电路的微计算机控制系统，内置试验机系统运行控制软件和测量软件。测量软件中含有力标定程序、力测量程序、变形标定程序、变形测量程序，可以按照下述的具体方法设计获得。
双动臂材料拉伸试验方法及其试验机的试验过程，包括试验机测力系统标定、测变形系统标定和拉伸试验，操作步骤如下：
1)试验机初始状态准备
将电阻应变计R1、R2、R3、R4组成的全桥测量电路接入数控器，将该电路调整到平衡状态，即设定其输出信号εrd＝0。将电阻应变计[R5,R6]、[R7,R8]、 [R9,R10]、[R11,R12]组成的四个半桥测量电路分别接入数控器，对三态编码器测量电路进行初始化调整。
2)测力系统标定
采用标准测力环或标准负荷传感器标定方法。由数控器控制加载测微丝杆转动，调整加载臂间距l，利用下加载传感臂的下部钳口和上加载传感臂的上部钳口夹持测力环或安装标准负荷传感器；控制两加载传感臂运动，对其施加一组标准力F1，F2，…，FN，各标准力的大小关系为F1<F2<，…， <FN，标准力的作用线与下指示线和上指示线对齐。由数控器记下与标准力 F1，F2，…，FN对应的应变读数
Figure GDA0002486107250000081
以
Figure GDA0002486107250000082
为标定数，用按照线性拟合方法得出的力F与数控器应变读数εrf的函数关系，即式(3)，做为载荷计算公式：
Figure GDA0002486107250000083
式(3)中，A1和B1是常数，分别用公式(4)和(5)计算：
Figure GDA0002486107250000084
Figure GDA0002486107250000085
式(4)和式(5)中，N表示标准力的序数，Fi表示不同序数标准力的力值，
Figure GDA0002486107250000091
表示与力Fi对应的应变读数，即标定数
Figure GDA0002486107250000092
3)测变形系统标定
用数控器控制下加载传感臂和上加载传感臂作相向移动，直至二者同时抵靠限位突台，加载臂间距达到最小值lmin。此时下加载传感臂和上加载传感臂的位置定义为加载臂位移零位，简称位移零位。加载传感臂调整到位移零位后，将齿盘的当前位置记作齿盘零位。将标准圆柱d1，d2，…，dn依次水平放入下加载传感臂和上加载传感臂之间，并使各标准圆柱的轴线与下指示线和上指示线对齐，两加载传感臂随之发生挠曲变形，同时电阻应变计R1、 R2、R3、R4组成的全桥电路产生应变信号输出。标准圆柱就位后，两加载传感臂在下指示线和上指示线位置的加载臂间距称为加载臂形变间距，简称形变间距，用符号vd表示。由数控器记下位移-变形传感电路输出的与标准圆柱 d1，d2，…，dn对应的应变读数εrd1，εrd2，…，εrdn。以εrd1，εrd2，…，εrdn为标定数，用形变间距vd与应变读数εrd的函数关系，即式(6)计算vd：
Figure GDA0002486107250000093
式(6)中，A2和B2是常数，分别用公式(7)和(8)计算：
Figure GDA0002486107250000094
Figure GDA0002486107250000095
式(7)和(8)中，n表示标准器所含标准圆柱的个数，di表示不同直径标准圆柱的直径值，εrdi表示与di对应的应变读数，即标定数εrd1，εrd2，…，εrdn。
4)拉伸试验
a.安装试件：根据被测试件的长度调整加载臂间距l，将被测试件放入下加载传感臂的下部钳口和上部加载传感臂的上部钳口，并使其轴线与下指示线和上指示线对齐，旋紧下锁紧螺钉和上锁紧螺钉，使下部钳口和上部钳口同时将被测试件夹紧。安装好的被测试件，其位于下部钳口和上部钳口之间的区段称为试验段，试验段的长度等于加载臂间距，也用符号l表示。
b.确定被测试件原始长度：用数控器调整两加载传感臂作相对运动，使应变信号εrf＝0，此时被测试件受到的载荷等于零，即试验力F＝0，同时有εrd＝0。F＝0时，被测试件试验段的长度定义为原始长度，用l0表示。l0按公式(9)计算：
l0＝lmin+S0 (9)
式(9)中，S0表示F＝0时，下加载传感臂与上加载传感臂的相对位移量，S0按式(2)计算；被测试件受到拉伸载荷作用时，试验段长度l连续变化，变化过程中的l值用式(10)计算：
Figure GDA0002486107250000101
式(10)中，下加载传感臂与上加载传感臂的相对于位移S按式(2)计算。
c.加载试验：由数控器控制下加载传感臂和上加载传感臂运动，对被测试件施加载荷，同时跟踪记录被测试件所受载荷F的变化和试验段长度l的变化，由式(3)实时给出被测试件受到的力F，由式(10)实时给出被测试件的试验段长度l。用F和l的实时数据绘制F-l关系曲线，即被测试件的试验曲线。
试验机在完成测变形系统标定后，可以用于测量一些物体的几何尺寸，包括力学性能试验用试件和其它机械零件的直径、厚度、长度等。对于直径值D大于标准圆柱最小直径d1的圆轴类零件，按照测变形系统标定时标准圆柱的使用方法将零件放入两加载传感臂之间，调整加载臂间距l，使两加载传感臂夹持圆轴，位移-变形传感电路产生应变输出εrd，用D替换式(10) 中的l，就可以得到被测零件的直径D：
Figure GDA0002486107250000102
对于其它不同类型的物体，可以设计适合的定位装置和夹具，然后进行相应的尺寸测量。
本设计具有以下特点：
1、用双动加载传感臂与编码丝杆组成测试系统。在本设计中，试验机的由双动加载传感臂和编码丝杆组成加载与力-变形复合传感机构，并且力和变形测量共同采用以电阻应变计为敏感元件的测量电桥，这一机构同时具备试件夹持、加载、载荷测量、位移、变形测量功能，还可以用于测量试件的横截面尺寸。一体化的加载、复合传感结构设计，使试验机的构造简单、紧凑，容易维护，而且有助于提高整个系统的可靠性。
2、加载具有柔性性质。与一般用刚性横梁加载的试验机相比，本设计采用的悬臂梁式加载传感臂为弹性元件，在加载过程中，两加载传感臂均发生一定量的挠曲变形，因此是一种柔性加载方式。由于加载具有柔性性质，在试验过程中，当试件的变形速率发生突然改变时，加载传感臂能够实时感应载荷和变形的瞬间变化，并对整个加载系统起到缓冲作用。
3、变形测量具有性柔性质。本设计的试验机在试验过程中，两加载传感臂的挠曲变形总是与二者的相对位移保持协调，即满足式(10)的关系。由式(10)可以看出，试验段长度l是加载臂相对位移S和形变间距vd的代数和，当试验段长度l取某一确定值时，S值和vd值可以有多个不同的组合，这一现象称为柔性等差输出，是本设计的变形测量系统所具有的一个重要性质。由式(11)可以更直观地看出测量的柔性性质：测量直径时，如果加载测微丝杆转动，则S和εrd都要发生变化，而式(11)给出的直径值D却保持不变；εrd变化表示两加载传感臂的挠曲变形在变化，说明同一个直径值D可以对应加载传感臂不同的(连续变化的)夹持力。
变形测量柔性性质与加载柔性性质结合，可以为试验机控制方式和材料性能测试分析创造刚性加载试验机不能提供的有利条件。
4、用标准器标定法保证变形测试精度。双动加载传感臂与编码丝杆组合的结构形式及机构特性，使其变形测试系统适合于用标准圆柱进行标定，因此变形测试能够充分利用悬臂梁传感和丝杆传感所提供的精度。由式(10) 可以看出，被测试件试验段长度l包含加载臂相对位移S和形变间距vb两个分量。因此，l的测试误差由S和vb的测试误差共同决定，这说明公式(10)为系统变形测试的误差分析和控制提供了原理性依据。
5、模拟测量与数字测量相结合。本设计的力-变形复合传感机构由悬臂梁式加载传感臂和编码丝杆两个基本测量单元组合而成。编码丝杆通过三态编码器输出的应变信号是模拟量，经过数控单元的三级量化处理，得到数字量三态编码值0、1/2、1。因此，本设计兼具模拟测量与数字测量双重属性。在测量过程中，数控单元根据两方面的条件参数实时判定齿盘的转动方向和转动角度：一是三态编码器四个半桥电路输出的应变模拟信号的升降变化，即四个应变输出信号的交替递增和递减；二是三态值的变化，即表2、表3 给出的8个逻辑状态组合。这两方面条件参数具有确定的一一对应关系，二者相互配合，保证编码丝杆位移测量的正确性和准确性。
6、标定方法简单。本设计中，变形测量系统的标定(校准)是一个二元基准传递过程，即丝杆副长度基准传递和两加载传感臂长度基准传递。在丝杆副传动精度(由加工及检验工艺保证)满足要求的前提下，只要用一组标准器在可动悬臂梁传感器全部移程的一个局部范围完成系统标定，就可以保证全量程变形测量的准确性。因此，本设计的试验机只须配置一种尺寸规格的标准器，而且可以在使用现场随时对系统进行校准。
附图说明
图1是试验机构造简图的主视图；
图2是三态编码器的构造原理简图；
图3是位移-变形传感和力传感共用电路的示意图；
图4是三态编码器测量电路示意图，其中(a)是电阻应变计[R5,R6]半桥电路图，(b)是电阻应变计[R7,R8]半桥电路图，(c)是电阻应变计[R9,R10] 半桥电路图，(d)是电阻应变计[R11,R12]半桥电路图；
图5是位移-变形测量系统标定方法示意图；
图6是折梁结构的加载传感臂示意图，其中(a)是未发生挠曲变形的折梁，(b)是产生挠曲变形的折梁；
图中：0.标准器，1.基座，2.传感器支架，3.挡盘，4.滑动轴承，5.定位突台，6.下指示线，7.下加载传感臂，8.下锁紧螺钉，9.被测试件，10.下传动螺母，11.下部螺纹轴，12.限位突台，13.上部螺纹轴，14.上传动螺母， 15.上部光轴，16.上锁紧螺钉，17.上指示线，18.上加载传感臂，19.下L形夹持块，20.加载测微杆丝，21.轴承孔，22.支板，23.上限位销钉，24.U形导向槽，25.上L形夹持块，26.下限位销钉，27.下部光轴，28.第一螺纹孔，29. 隔离套筒，30.光孔，31.三态编码器，32.紧定螺栓，33.右下悬臂梁传感器， 34.齿盘，35.左上悬臂梁传感器，36.驱动装置，37.上三角形突棱，38.右上悬臂梁传感器，39.第二螺纹孔，40.紧定螺钉，41.矩形通孔，42.圆弧齿，43. 右三角形突棱，44.下三角形突棱，45.左下悬臂梁传感器，46.左三角形突棱， 47.水平突耳，48.长直梁，49.短直梁，50.转折节，51.试件夹具，ZJ.主机。
具体实施方式
以下结合附图对本设计作进一步说明。
参照图1-图5，本设计的双动臂材料拉伸试验方法及其试验机，由主机 ZJ、标准器0、被测试件9和数控器组成加载测试系统。
主机ZJ由基座1、支板22、双动臂加载传感机构和驱动装置36四部分组成。
基座1为箱形结构，其顶板的上表面为平面，在顶板的中央位置装配有轴线沿竖直方向的滑动轴承4，滑动轴承4周围对称分布有四个第一螺纹孔28。支板22为一梯形厚板，竖直固定在基座1顶板的上部，其右端靠近基座1的右端。支板22的中面，即纵向对称面，垂直于基座1的右侧面，并通过滑动轴承4的轴线。支板22顶部有一伸向左侧的水平突耳47，其上加工有轴承孔21，轴承孔21的轴线与滑动轴承4的轴线重合。支板22的左侧边沿竖直方向加工有一条U形导向槽24。
双动臂加载传感机构由加载传感臂和编码丝杆组成，该机构具有三项功能：加载，力传感，变形传感。
加载传感臂包括下加载传感臂7和上加载传感臂18，二者均为悬臂梁式传感器，且结构尺寸相同。下加载传感臂7的结构包括变截面弹性梁、安装在梁自由端处方向朝上的两块下L形夹持块19、两枚下锁紧螺钉8、分别粘贴在梁根部附近上侧表面和下侧表面的单轴电阻应变计R1和R2、以过盈配合方式嵌装在梁根部的带内螺纹的下传动螺母10和下限位销钉26。上加载传感臂18的结构包括变截面弹性梁、安装在梁自由端处方向朝下的两块上L形夹持块25、两枚上锁紧螺钉16、分别粘贴在悬臂梁根部附近下侧表面和上侧表面的两枚单轴电阻应变计R3和R4、以过盈配合方式嵌装在梁根部的带内螺纹的上传动螺母14和上限位销钉23。电阻应变计R1、R2、R3和R4的栅轴均与所在弹性梁的轴线平行。下加载传感臂7和上加载传感臂18的变截面弹性梁，其横截面为矩形，梁沿长度方向从自由端a到根部c分为刚性段ab和柔性段bc两段，刚性段ab与柔性段bc的宽度相等，刚性段ab的高度H大于柔性段bc段的高度h。下加载传感臂7通过下传动螺母10与下部螺纹轴11的配合和下限位销钉26与U形导向槽24的滑动配合安装在加载测微丝杆20上。上加载传感臂18通过上传动螺母14与上部螺纹轴13的配合和上限位销钉23与U形导向槽24的滑动配合安装在加载测微丝杆20上。下传动螺母10与下部螺纹轴11的配合副和上传动螺母14与上部螺纹轴13的配合副均采取消间隙措施，理论上认为这两个配合副的配合间隙为零，因此在x-y平面内，下加载传感臂7的右端和上加载传感臂18的右端均可视为以加载测微杆丝20为固定座的固定端，即二者在x-y平面内的转动自由度为零。下加载传感臂7和上加载传感臂18处于对称位置，其对称面与加载测微丝杆20上限位突台12的中面重合。下加载传感臂7的上表面与上加载传感臂18的下表面之间的距离l称为加载臂间距，当两个加载传感臂抵靠限位突台12时，间距l达到最小，这个最小间距用lmin表示。两块下L形夹持块19和两枚下锁紧螺钉8构成下部钳口，两块上L形夹持块25和两枚上锁紧螺钉16构成上部钳口，下L形夹持块19的上端面与下加载传感臂7 的变截面弹性梁的上表面共面，上L形夹持块25的下端面与上加载传感臂 18的变截面弹性梁的下表面共面。下加载传感臂7的变截面弹性梁的前后两个侧面在下L形夹持块19的中面位置沿竖直方向刻有下指示线6，上加载传感臂18的变截面弹性梁的前后两个侧面在上L形夹持块25的中面位置沿竖直方向刻有上指示线17，下指示线6与上指示线17处于共线位置。电阻应变计R1、R2、R3、R4组成一个全桥测量电路，该电路既是位移-变形传感电路，又是力传感电路。当这个电路用于位移-变形传感时，其应变信号用εrd表示；当这个电路用于力传感时，其应变信号用εrf表示。
下加载传感臂7和上加载传感臂18在试验过程中总有一定量的挠曲变形，因此会造成试件夹具(下部钳口和上部钳口)发生偏转，试件的加载状态偏离单纯轴向受力的理想条件。为了克服这一有害现象，加载传感臂可以采用折梁结构。图6所示是一种鱼钩形折梁，其结构可以分为长直梁48、短直梁49、转折节50和试件夹具51。长直梁48的右端为固定端，相当于图1 中下加载传感臂7右侧(或上加载传感臂18右侧)在x-y平面内简化成的固定端。转折节50部分的截面尺寸较大，可以视为刚节点。试件夹具51既表示拉伸夹具，也表示压缩夹具(压头)。设长直梁48与短直梁49的弯曲刚度相等，试验力F的作用线与试件夹具51的竖直对称线t重合，则当长直梁 48长度L和短直梁的长度l满足条件
Figure GDA0002486107250000151
时，折梁在F作用线位置的截面转角θ＝0。θ＝0，表示试件夹具51在试验过程中不会产生偏转。
编码丝杆由加载测微丝杆20和三态编码器31组成。加载测微丝杆20 的结构由上到下分为六段：上部光轴15，上部螺纹轴13，限位突台12，下部螺纹轴11，定位突台5，下部光轴27。上部螺纹轴13的螺纹为左旋，下部螺纹轴11的螺纹为右旋。加载测微丝杆20通过上部光轴15与轴承孔21 的配合、定位突台5的下端面与滑动轴承4的上端面的旋转滑动配合、下部光轴27与滑动轴承4的配合、挡盘3与下部光轴27的孔-轴过盈配合以及挡盘3的上端面与滑动轴承4的下端面的旋转滑动配合，安装在基座1上。三态编码器31由齿盘34、传感器支架2和左上悬臂梁传感器35、右上悬臂梁传感器38、左下悬臂梁传感器45、右下悬臂梁传感器33组成。齿盘34为一圆盘，周边带有若干圆弧齿42，齿数取4的整数倍，例如180、256、360、720。齿盘34位于挡盘3之下，共轴固定在加载测微丝杆20的下部光轴27 上。传感器支架2为一矩形框架，框架的四条边均在中间位置加工有一个垂直于框架平面的光孔30，在靠近一侧边角的位置加工有一个轴线平行于框架平面且垂直于所在边的矩形通孔41和一个与矩形通孔41垂直联通的第二螺纹孔39。传感器支架2利用紧定螺栓32和隔离套筒29与光孔30和第一螺纹孔28的配合，固定在基座1顶板的下方，并且将齿盘34围在中间。左上悬臂梁传感器35、右上悬臂梁传感器38、左下悬臂梁传感器45、右下悬臂梁传感器33采用等截面弹性梁或变截面弹性梁，四个弹性梁分别通过其根部与矩形通孔41的配合和紧定螺钉40的压紧作用固定于传感器支架2的上侧内壁、下侧内壁、右侧内壁和左侧内壁。四个弹性梁在靠近根部处的上下表面或左右表面分别沿梁轴线方向贴有单轴电阻应变计[R5,R6]、[R7,R8]、[R9, R10]和[R11,R12]。四个弹性梁在靠近自由端处朝向齿盘34一侧分别加工有左三角形突棱46、上三角形突棱37、下三角形突棱44、右三角形突棱43。装配好的左上悬臂梁传感器35、右上悬臂梁传感器38、左下悬臂梁传感器45、右下悬臂梁传感器33的弹性梁均有一定量的预变形，预变形产生的弹性压力使左三角形突棱46、上三角形突棱37、下三角形突棱44、右三角形突棱 43的棱顶分别与齿盘34周边的圆弧齿42保持接触，四个接触点的具体位置按以下条件确定：
a.设齿盘34的纵向对称线刚好通过正上方圆弧齿42和正下方圆弧齿42 的中心，同时齿盘34的水平对称线刚好通过最左端圆弧齿42和最右端圆弧齿42的中心。
b.此时右三角形突棱43位于齿盘34水平对称线和最右端圆弧齿42的上侧，并且刚好对准相邻两圆弧齿42之间的谷底。左三角形突棱46位于齿盘34的水平对称线上，刚好与最左端圆弧齿42的顶点接触。上三角形突棱37 和下三角形突棱44均位于齿盘34纵向对称线的右侧，分别与正上方圆弧齿 42的右侧和正下方圆弧齿42的右侧接触。右三角形突棱43到齿盘34纵向对称线的距离用hmin表示，左三角形突棱46到齿盘34纵向对称线的距离用hmax表示，上三角形突棱37与正上方圆弧齿42接触点到齿盘34水平对称线的距离等于下三角形突棱44与正下方圆弧齿42接触点到齿盘34水平对称线的距离，这两个距离均用hmid表示。hmid、hmin和hmax三者之间存在式1表示的关系：
Figure GDA0002486107250000171
hmin、hmid和hmax统称特征高度，其中hmin称为最小特征高度，hmid称为平均特征高度，hmax称为最大特征高度。驱动装置36可以采用电动机带动的蜗轮- 蜗杆机构、齿轮-齿带机构，后者其它驱动机构。驱动装置36与加载测微丝杆20上的下部光轴27联接配合，驱动加载测微丝杆20正、反向转动。编码丝杆按以下方式工作：
1)三态编码器31测量电路连接：将电阻应变计[R5,R6]、[R7,R8]、[R9,R10]、 [R11,R12]分别以半桥方式接入数控器，用
Figure GDA0002486107250000172
分别表示数控器测得的四个半桥测量电路的应变读数。
2)三态编码器31测量电路初始化调整：用数控器控制加载测微丝杆20 带动齿盘34转动，应变读数
Figure GDA0002486107250000173
随之发生连续周期性变化，变化周期用T表示，T也表示齿盘34上相邻两个圆弧齿42的齿顶间距。齿盘34每转过一个齿，即一个周期T，应变读数
Figure GDA0002486107250000174
Figure GDA0002486107250000175
分别完成一次循环。观察
Figure GDA0002486107250000176
的变化，当
Figure GDA0002486107250000177
刚好达到最小值εrmin时，停止齿盘34的转动，调节数控器上电阻应变计[R5,R6]所在电桥的平衡电路，使之达到平衡状态，即
Figure GDA0002486107250000178
重复前述动作，依次在
Figure GDA0002486107250000179
Figure GDA00024861072500001710
取得最小值εrmin时，调节电阻应变计[R7,R8]、[R9,R10]、[R11, R12]所在电桥的平衡电路，使
Figure GDA00024861072500001711
按以上方法完成四个半桥测量电路的调整后，再驱动齿盘34，则
Figure GDA0002486107250000181
Figure GDA0002486107250000182
均在最小值0和一个最大值εrmax之间循环变化，最小值0对应于四个三角形突棱之一处在正对相邻两圆弧齿之间的谷底位置，即对应于最小特征高度hmin，最大值εrmax对应于四个三角形突棱之一处在与圆弧齿顶点接触的位置，即对应于最大特征高度hmax；以上调整三态编码器31测量电路的方法，称为初始化四步调整法。
3)确定应变读数
Figure GDA0002486107250000183
与齿盘34旋转状态的关系：完成测量电路初始化调整后，规定用数字1、0和1/2分别表示应变读数
Figure GDA0002486107250000184
的最大值εrmax、最小值0和平均值εrmid＝0.5εrmax。数字1与最大特征高度hmax对应，定义为满值。数字0与最小特征高度hmin对应，定义为零值。数字1/2与平均特征高度hmid对应，定义为中值。满值1、零值0和中值1/2统称三态编码器的三态编码值，简称三态值。齿盘34旋转时，三态值0、1/2和1按周期T循环变化。三态值0、1/2和1的循环变化，用于确定齿盘的旋转状态，即旋转方向和旋转角度。三态值0、1/2和1总共有四个不同的组合，如表1所示：
表1应变读数
Figure GDA0002486107250000185
的三态值组合
Figure GDA0002486107250000186
表2齿盘顺时针转动过程中，三态值0、1/2、1在每一个周期T内的变化。
Figure GDA0002486107250000187
表中“↑”表示三态值增大，“↓”表示三态值减小。
表3齿盘逆时针转动过程中，三态值0、1/2、1在每一个周期T内的变化。
Figure GDA0002486107250000191
表中“↑”表示三态值增大，“↓”表示三态值减小。
从表1中任选一个三态值组合，做为确定齿盘旋34转状态的起始点。为明确起见，从表1中选择三态值组合1，则齿盘34沿顺时针方向每转过一个齿，三态值按表2所示完成一个周期T的循环，齿盘34沿逆时针方向每转过一个齿，三态值按表3所示完成一个周期T的循环。在表2和表3中，周期T 被划分成四个1/4子周期，在每一个1/4子周期内，四个应变读数
Figure GDA0002486107250000192
Figure GDA0002486107250000193
的三态值分别发生不同的升降变化，编号①至⑧的八行数据，两两互异，而且均具有唯一性，其中每一行数据都唯一地表示齿盘34的一个特定旋转状态。例如，编号③的一行数据表示且只表示齿盘34 沿顺时针方向转过一个周期T内的第三个1/4周期，即0.5T至0.75T。编号⑤的一行数据表示且只表示齿盘34沿逆时针方向转过一个周期T内的第一个1/4周期，即0至0.25T。
4)确定下加载传感臂7与上加载传感臂18的相对位移量：转动加载测微丝杆20，使下加载传感臂7和上加载传感臂18相向移动，直至二者同时抵靠限位突台12，以下加载传感臂7和上加载传感臂18的当前位置分别作为二者的位移原点，并将齿盘34的当前位置记作齿盘零位。必要时，也可以将下加载传感臂7和上加载传感臂18调整到移动范围内的某一指定位置或任意位置，以下加载传感臂7的当前位置和上加载传感臂18的当前位置分别作为二者的位移原点，同时将齿盘34的当前位置记作齿盘零位。从齿盘零位开始，转动加载测微丝杆20，使下加载传感臂7和上加载传感臂18 从位移原点起作反向移动或相向移动。用S表示下加载传感臂7和上加载传感臂18的相对位移量，用公式(2)计算S：
Figure GDA0002486107250000201
式(2)中，t表示加载测微丝杆20的导程，Nc表示齿盘34的齿数，nz,s表示齿盘34自齿盘零位起顺时针累计转过的齿数，nz,n表示齿盘34自齿盘零位起逆时针累计转过的齿数，nz,s和nz,n恒取正值，nz表示nz,s与nz,n之差，定义为有效转动齿数。nz,s、nz,n和nz也称为齿盘转动参数。nz和S是代数量，齿盘34顺时针转动时，下加载传感臂7和上加载传感臂18作反向移动，nz和S的符号均为“+”。齿盘34逆时针转动时，下加载传感臂7和上加载传感臂18作相向移动，nz和S的符号均为“-”。
标准器0为一组标准圆柱，数量用n表示，2≤n≤10。标准圆柱的直径值称为标准直径，依次用d1，d2…，dn表示，按d1＜d2,…,＜dn的顺序排列。最小标准直径d1大于加载臂最小间距lmin。在标准圆柱中，任选一个做为基准圆柱，将其直径值定义为基准直径，用d0表示；d1，d2，…，dn的算术平均值用
Figure GDA0002486107250000202
表示。d1，d2，…，dn也表示相应的标准圆柱。
被测试件9为金属细丝或其它纤维材料，也可以是截面尺寸较大的低模量拉伸试样。被测试件(9)为金属细丝、织物纤维、动物纤维、高分子材料等拉伸或压
数控器为带有应变信号采集-调理电路的微计算机控制系统，内置试验机系统运行控制软件和测量软件。测量软件中含有力标定程序、力测量程序、变形标定程序、变形测量程序。
双动臂材料拉伸试验方法及其试验机的试验过程，包括试验机测力系统标定、测变形系统标定和拉伸试验，操作步骤如下：
1)试验机初始状态准备
将电阻应变计R1、R2、R3、R4组成的全桥测量电路接入数控器，将该电路调整到平衡状态，即设定其输出信号εrd＝0；将电阻应变计[R5,R6]、[R7,R8]、 [R9,R10]、[R11,R12]组成的四个半桥测量电路分别接入数控器，对三态编码器 31测量电路进行初始化调整。
2)测力系统标定
采用标准测力环或标准负荷传感器标定方法，由数控器控制加载测微丝杆20转动，调整加载臂间距l，利用下加载传感臂7的下部钳口和上加载传感臂18的上部钳口夹持测力环或安装标准负荷传感器。对两加载传感臂施加一组标准力F1，F2，…，FN，各标准力的大小关系为F1<F2<，…，<FN，标准力的作用线与下指示线6和上指示线17对齐。由数控器记下与标准力 F1，F2，…，FN对应的应变读数
Figure GDA0002486107250000211
以
Figure GDA0002486107250000212
为标定数，按照线性拟合方法得出的力F与数控器应变读数εrf的函数关系，即式(3)，将其做为载荷计算公式：
Figure GDA0002486107250000213
式(3)中，A1和B1是常数，分别用公式(4)和(5)计算：
Figure GDA0002486107250000214
Figure GDA0002486107250000215
式(4)和(5)中，N表示标准力的序数，Fi表示不同序数标准力的力值，
Figure GDA0002486107250000216
表示与力Fi对应的应变读数，即标定数
Figure GDA0002486107250000217
3)测变形系统标定
用数控器控制下加载传感臂7和上加载传感臂18作相向移动，直至二者同时抵靠限位突台12，加载臂间距达到最小值lmin。此时下加载传感臂7 和上加载传感臂18的位置定义为加载臂位移零位，简称位移零位。加载传感臂调整到位移零位后，将齿盘34的当前位置记作齿盘零位。将标准圆柱d1， d2，…，dn依次水平放入下加载传感臂7和上加载传感臂18之间，并使各标准圆柱的轴线与下指示线6和上指示线17对齐，两加载传感臂随之发生挠曲变形，同时电阻应变计R1、R2、R3、R4组成的全桥电路产生应变信号输出。标准圆柱就位后，两加载传感臂在下指示线6和上指示线17位置的加载臂间距称为加载臂形变间距，简称形变间距，用符号vd表示。由数控器记下位移-变形传感电路输出的与标准圆柱d1，d2，…，dn对应的应变读数εrd1，εrd2，…，εrdn。以εrd1，εrd2，…，εrdn为标定数，用形变间距vd与应变读数εrd的函数关系，即式(6)，计算vd：
Figure GDA0002486107250000221
式(6)中，A2和B2是常数，分别用公式(7)和(8)计算：
Figure GDA0002486107250000222
Figure GDA0002486107250000223
式(7)和式(8)中，n表示标准器0所含标准圆柱的个数，di表示不同直径标准圆柱的直径值，εrdi表示与di对应的应变读数，即标定数εrd1，εrd2，…，εrdn。
4)拉伸试验
a.安装试件：根据被测试件9的长度调整加载臂间距l，将被测试件9 放入下加载传感臂7上的下部钳口和上部加载传感臂18的上部钳口，并使其轴线与下指示线6和上指示线17对齐，旋紧下锁紧螺钉8和上锁紧螺钉16，使下部钳口和上部钳口同时将被测试件9夹紧。安装好的被测试件9，其位于下部钳口和上部钳口之间的区段称为试验段(亦称测试段)，试验段的长度等于加载臂间距，也用符号l表示。
b.确定被测试件的试验长度：用数控器调整两加载传感臂作小幅相对运动，使应变信号εrf＝0，此时被测试件9受到的载荷等于零，即试验力F＝0，同时有εrd＝0。F＝0时，被测试件9试验段的长度定义为试验长度，用l0表示。l0按公式(9)计算：
l0＝lmin+S0 (9)
式(9)中，S0表示F＝0时，下加载传感臂7与上加载传感臂18的相对位移量，S0按式(2)计算。被测试件9受到拉伸载荷作用时，试验段长度l连续变化，变化的l值用式(10)计算：
Figure GDA0002486107250000231
式(10)中，S是下加载传感臂(7)与上加载传感臂(18)的相对于位移，按式(2)计算。
c.加载试验：由数控器控制下加载传感臂7与上加载传感臂18运动，对被测试件9施加载荷，同时跟踪记录被测试件9所受载荷F的变化和试验段长度l的变化，由式(3)实时给出被测试件9受到的力F，由式(10)实时给出被测试件9的试验段长度l。用F和l的实时数据绘制F-l关系曲线，即被测试件9的试验曲线。
试验机系统运行控制软件和测量软件，根据以上所述试验机的构造、工作原理和试验方法进行设计。

Claims (1)

1.双动臂材料拉伸试验机，其特征是，由主机(ZJ)、标准器(0)、被测试件(9)和数控器组成加载测试系统；
主机(ZJ)由基座(1)、支板(22)、双动臂加载传感机构和驱动装置(36)四部分组成；
基座(1)为箱形结构，其顶板的上表面为平面，在顶板的中央位置装配有轴线沿竖直方向的滑动轴承(4)，滑动轴承(4)周围对称分布有四个第一螺纹孔(28)；支板(22)为一梯形厚板，竖直固定在基座(1)顶板的上部，其右端靠近基座(1)的右端；支板(22)的中面，即纵向对称面，垂直于基座(1)的右侧面，并通过滑动轴承(4)的轴线；支板(22)顶部有一伸向左侧的水平突耳(47)，其上加工有轴承孔(21)，轴承孔(21)的轴线与滑动轴承(4)的轴线重合；支板(22)的左侧边沿竖直方向加工有一条U形导向槽(24)；
双动臂加载传感机构由加载传感臂和编码丝杆组成；
加载传感臂包括下加载传感臂(7)和上加载传感臂(18)，二者均为悬臂梁式传感器，且结构尺寸相同；下加载传感臂(7)的结构包括变截面弹性梁、安装在梁自由端处方向朝上的两块下L形夹持块(19)、两枚下锁紧螺钉(8)、分别粘贴在梁根部附近上侧表面和下侧表面的单轴电阻应变计R1和R2、以过盈配合方式嵌装在梁根部的带内螺纹的下传动螺母(10)和下限位销钉(26)；上加载传感臂(18)的结构包括变截面弹性梁、安装在梁自由端处方向朝下的两块上L形夹持块(25)、两枚上锁紧螺钉(16)、分别粘贴在悬臂梁根部附近下侧表面和上侧表面的两枚单轴电阻应变计R3和R4、以过盈配合方式嵌装在梁根部的带内螺纹的上传动螺母(14)和上限位销钉(23)；电阻应变计R1、R2、R3和R4的栅轴均与所在弹性梁的轴线平行；下加载传感臂(7)和上加载传感臂(18)的变截面弹性梁，其横截面为矩形，梁沿长度方向从自由端a到根部c分为刚性段ab和柔性段bc两段，刚性段ab与柔性段bc的宽度相等，刚性段ab的高度H大于柔性段bc段的高度h；下加载传感臂(7)通过下传动螺母(10)与下部螺纹轴(11)的配合和下限位销钉(26)与U形导向槽(24)的滑动配合安装在加载测微丝杆(20)上；上加载传感臂(18)通过上传动螺母(14)与上部螺纹轴(13)的配合和上限位销钉(23)与U形导向槽(24)的滑动配合安装在加载测微丝杆(20)上；下加载传感臂(7)和上加载传感臂(18)处于对称位置，其对称面与加载测微丝杆(20)上限位突台(12)的中面重合；下加载传感臂(7)的上表面与上加载传感臂(18)的下表面之间的距离l称为加载臂间距，当两个加载传感臂抵靠限位突台(12)时，l达到最小，这个最小间距用lmin表示；两块下L形夹持块(19)和两枚下锁紧螺钉(8)构成下部钳口，两块上L形夹持块(25)和两枚上锁紧螺钉(16)构成上部钳口，下L形夹持块(19)的上端面与下加载传感臂(7)的变截面弹性梁的上表面共面，上L形夹持块(25)的下端面与上加载传感臂(18)的变截面弹性梁的下表面共面；下加载传感臂(7)的变截面弹性梁的前后两个侧面在下L形夹持块(19)的中面位置沿竖直方向刻有下指示线(6)，上加载传感臂(18)的变截面弹性梁的前后两个侧面在上L形夹持块(25)的中面位置沿竖直方向刻有上指示线(17)，下指示线(6)与上指示线(17)处于共线位置；电阻应变计R1、R2、R3、R4组成一个全桥测量电路，该电路既是位移-变形传感电路，又是力传感电路；当用于位移-变形传感时，其应变信号用εrd表示；当用于力传感时，其应变信号用εrf表示；
编码丝杆由加载测微丝杆(20)和三态编码器(31)组成；加载测微丝杆(20)的结构由上到下分为六段：上部光轴(15)，上部螺纹轴(13)，限位突台(12)，下部螺纹轴(11)，定位突台(5)，下部光轴(27)；上部螺纹轴(13)的螺纹为左旋，下部螺纹轴(11)的螺纹为右旋；加载测微丝杆(20)通过上部光轴(15)与轴承孔(21)的配合、定位突台(5)的下端面与滑动轴承(4)的上端面的旋转滑动配合、下部光轴(27)与滑动轴承(4)的配合、挡盘(3)与下部光轴(27)的孔-轴过盈配合以及挡盘(3)的上端面与滑动轴承(4)的下端面的旋转滑动配合，安装在基座(1)上；三态编码器(31)由齿盘(34)、传感器支架(2)和左上悬臂梁传感器(35)、右上悬臂梁传感器(38)、左下悬臂梁传感器(45)、右下悬臂梁传感器(33)组成；齿盘(34)为一圆盘，周边带有若干圆弧齿(42)，齿数取4的整数倍；齿盘(34)位于挡盘(3)之下，共轴固定在加载测微丝杆(20)的下部光轴(27)上；传感器支架(2)为一矩形框架，框架的四条边均在中间位置加工有一个垂直于框架平面的光孔(30)，在靠近一侧边角的位置加工有一个轴线平行于框架平面且垂直于所在边的矩形通孔(41)和一个与矩形通孔(41)垂直联通的第二螺纹孔(39)；传感器支架(2)利用紧定螺栓(32)和隔离套筒(29)与光孔(30)和第一螺纹孔(28)的配合，固定在基座(1)顶板的下方，并且将齿盘(34)围在中间；左上悬臂梁传感器(35)、右上悬臂梁传感器(38)、左下悬臂梁传感器(45)、右下悬臂梁传感器(33)采用等截面弹性梁或变截面弹性梁，四个弹性梁分别通过其根部与矩形通孔(41)的配合和紧定螺钉(40)的压紧作用固定于传感器支架(2)的上侧内壁、下侧内壁、右侧内壁和左侧内壁；四个弹性梁在靠近根部处的上下表面或左右表面分别沿梁轴线方向贴有单轴电阻应变计[R5,R6]、[R7,R8]、[R9,R10]和[R11,R12]；四个弹性梁在靠近自由端处朝向齿盘(34)一侧分别加工有左三角形突棱(46)、上三角形突棱(37)、下三角形突棱(44)、右三角形突棱(43)；装配好的左上悬臂梁传感器(35)、右上悬臂梁传感器(38)、左下悬臂梁传感器(45)、右下悬臂梁传感器(33)的弹性梁均有一定量的预变形，预变形产生的弹性压力使左三角形突棱(46)、上三角形突棱(37)、下三角形突棱(44)、右三角形突棱(43)的棱顶分别与齿盘(34)周边的圆弧齿(42)保持接触，四个接触点的具体位置按以下条件确定：
a.设齿盘(34)的纵向对称线刚好通过正上方圆弧齿(42)和正下方圆弧齿(42)的中心，同时齿盘(34)的水平对称线刚好通过最左端圆弧齿(42)和最右端圆弧齿(42)的中心；
b.此时右三角形突棱(43)位于齿盘(34)水平对称线和最右端圆弧齿(42)的上侧，并且刚好对准相邻两圆弧齿(42)之间的谷底；左三角形突棱(46)位于齿盘(34)的水平对称线上，刚好与最左端圆弧齿(42)的顶点接触；上三角形突棱(37)和下三角形突棱(44)均位于齿盘(34)纵向对称线的右侧，分别与正上方圆弧齿(42)的右侧和正下方圆弧齿(42)的右侧接触；右三角形突棱(43)到齿盘(34)纵向对称线的距离用hmin表示，左三角形突棱(46)到齿盘(34)纵向对称线的距离用hmax表示，上三角形突棱(37)与正上方圆弧齿(42)接触点到齿盘(34)水平对称线的距离和与之相等的下三角形突棱(44)与正下方圆弧齿(42)接触点到齿盘(34)水平对称线的距离均用hmid表示；hmid、hmin和hmax三者之间存在式(1)表示的关系：
Figure FDA0002486107240000041
hmin、hmid和hmax统称特征高度，其中hmin称为最小特征高度，hmid称为平均特征高度，hmax称为最大特征高度；驱动装置(36)为电动机带动的蜗轮-蜗杆机构或齿轮-齿带机构，与加载测微丝杆(20)上的下部光轴(27)配合，驱动加载测微丝杆(20)正、反向转动；编码丝杆按以下方式工作：
1)三态编码器(31)测量电路连接：将电阻应变计[R5,R6]、[R7,R8]、[R9,R10]、[R11,R12]分别以半桥方式接入数控器，用
Figure FDA0002486107240000042
Figure FDA0002486107240000043
分别表示数控器测得的四个半桥测量电路的应变读数；
2)三态编码器(31)测量电路初始化调整：用数控器控制加载测微丝杆(20)和齿盘(34)转动，应变读数
Figure FDA0002486107240000044
随之发生连续周期性变化，变化周期用T表示，T也表示齿盘(34)上相邻两个圆弧齿(42)的齿顶间距；齿盘(34)每转过一个齿，即一个周期T，应变读数
Figure FDA0002486107240000045
分别完成一次循环；观察
Figure FDA0002486107240000046
的变化，当
Figure FDA0002486107240000047
刚好达到最小值εrmin时，停止齿盘(34)的转动，调节数控器上电阻应变计[R5,R6]所在电桥的平衡电路，使之达到平衡状态，即εr(R5,R6)＝0；重复前述动作，依次在
Figure FDA0002486107240000051
取得最小值εrmin时，调节电阻应变计[R7,R8]、[R9,R10]、[R11,R12]所在电桥的平衡电路，使
Figure FDA0002486107240000052
Figure FDA0002486107240000053
按以上方法完成四个半桥测量电路的调整后，再驱动齿盘(34)，则
Figure FDA0002486107240000054
均在最小值0和一个最大值εrmax之间循环变化，最小值0对应于四个三角形突棱之一处在正对相邻两圆弧齿之间的谷底位置，即对应于最小特征高度hmin，最大值εrmax对应于四个三角形突棱之一处在与圆弧齿顶点接触的位置，即对应于最大特征高度hmax；以上调整三态编码器(31)测量电路的方法，称为初始化四步调整法；
3)确定应变读数
Figure FDA0002486107240000055
与齿盘(34)旋转状态的关系：完成测量电路初始化调整后，规定用数字1、0和1/2分别表示应变读数
Figure FDA0002486107240000056
的最大值εrmax、最小值0和平均值εrmid＝0.5εrmax；数字1与最大特征高度hmax对应，定义为满值；数字0与最小特征高度hmin对应，定义为零值；数字1/2与平均特征高度hmid对应，定义为中值；满值1、零值0和中值1/2统称三态编码器的三态编码值，简称三态值；齿盘(34)旋转时，三态值0、1/2和1按周期T循环变化；三态值0、1/2和1的循环变化，用于确定齿盘(34)的旋转状态，即旋转方向和旋转角度；
4)确定下加载传感臂(7)与上加载传感臂(18)的相对位移量：转动加载测微丝杆(20)，使下加载传感臂(7)和上加载传感臂(18)相向移动，直至二者同时抵靠限位突台(12)，以下加载传感臂(7)和上加载传感臂(18)的当前位置分别作为二者的位移原点，并将齿盘(34)的当前位置记作齿盘零位；或者将下加载传感臂(7)和上加载传感臂(18)调整到移动范围内的某一指定位置或任意位置，以下加载传感臂(7)的当前位置和上加载传感臂(18)的当前位置分别作为二者的位移原点，同时将齿盘(34)的当前位置记作齿盘零位；从齿盘零位开始，转动加载测微丝杆(20)，使下加载传感臂(7)和上加载传感臂(18)从位移原点起作反向移动或相向移动；用S表示下加载传感臂(7)和上加载传感臂(18)的相对位移量，用公式(2)计算S：
Figure FDA0002486107240000061
式(2)中，t表示加载测微丝杆(20)的导程，Nc表示齿盘(34)的齿数，nz,s表示齿盘(34)自齿盘零位起顺时针累计转过的齿数，nz,n表示齿盘(34)自齿盘零位起逆时针累计转过的齿数，nz,s和nz,n恒取正值，nz表示nz,s与nz,n之差，定义为有效转动齿数；nz,s、nz,n和nz也称为齿盘转动参数；nz和S是代数量，齿盘(34)顺时针转动时，下加载传感臂(7)和上加载传感臂(18)作反向移动，nz和S的符号均为“+”；齿盘(34)逆时针转动时，下加载传感臂(7)和上加载传感臂(18)作相向移动，nz和S的符号均为“-”；
标准器(0)为一组标准圆柱，数量用n表示，2≤n≤10；标准圆柱的直径值称为标准直径，依次用d1，d2…，dn表示，按d1＜d2,…,＜dn的顺序排列；最小标准直径d1大于加载臂最小间距lmin；在标准圆柱中，任选一个做为基准圆柱，将其直径值定义为基准直径，用d0表示；d1，d2，…，dn的算术平均值用
Figure FDA0002486107240000062
表示；d1，d2，…，dn也表示相应的标准圆柱；
数控器为带有应变信号采集-调理电路的微计算机控制系统；
双动臂材料拉伸试验方法及其试验机的试验过程，包括试验机测力系统标定、测变形系统标定和拉伸试验，操作步骤如下：
1)试验机初始状态准备
将电阻应变计R1、R2、R3、R4组成的全桥测量电路接入数控器，将该电路调整到平衡状态，即设定其输出信号εrd＝0；将电阻应变计[R5,R6]、[R7,R8]、[R9,R10]、[R11,R12]组成的四个半桥测量电路分别接入数控器，对三态编码器(31)测量电路进行初始化调整；
2)测力系统标定
采用标准测力环或标准负荷传感器标定方法，由数控器控制加载测微丝杆(20)转动，调整加载臂间距l，利用下加载传感臂(7)的下部钳口和上加载传感臂(18)的上部钳口夹持测力环或安装标准负荷传感器；对两加载传感臂施加一组标准力F1，F2，…，FN，各标准力的大小关系为F1<F2<，…，<FN，标准力的作用线与下指示线(6)和上指示线(17)对齐；由数控器记下与标准力F1，F2，…，FN对应的应变读数
Figure FDA0002486107240000071
以
Figure FDA0002486107240000072
Figure FDA0002486107240000073
为标定数，用按照线性拟合方法得出的力F与数控器应变读数εrf的函数关系，即式(3)，做为载荷计算公式：
Figure FDA0002486107240000074
式(3)中，A1和B1是常数，分别用公式(4)和(5)计算：
Figure FDA0002486107240000075
Figure FDA0002486107240000076
式(4)和(5)中，N表示标准力的序数，Fi表示不同序数标准力的力值，
Figure FDA0002486107240000077
表示与力Fi对应的应变读数，即标定数
Figure FDA0002486107240000078
3)测变形系统标定
用数控器控制下加载传感臂(7)和上加载传感臂(18)作相向移动，直至二者同时抵靠限位突台(12)，加载臂间距达到最小值lmin；此时下加载传感臂(7)和上加载传感臂(18)的位置定义为加载臂位移零位，简称位移零位；加载传感臂调整到位移零位后，将齿盘(34)的当前位置记作齿盘零位；将标准圆柱d1，d2，…，dn依次水平放入下加载传感臂(7)和上加载传感臂(18)之间，并使各标准圆柱的轴线与下指示线(6)和上指示线(17)对齐，两加载传感臂随之发生挠曲变形，同时电阻应变计R1、R2、R3、R4组成的全桥电路产生应变信号输出；标准圆柱就位后，两加载传感臂在下指示线(6)和上指示线(17)位置的加载臂间距称为加载臂形变间距，简称形变间距，用符号vd表示；由数控器记下位移-变形传感电路输出的与标准圆柱d1，d2，…，dn对应的应变读数εrd1，εrd2，…，εrdn；以εrd1，εrd2，…，εrdn为标定数，用形变间距vd与应变读数εrd的函数关系，即式(6)，计算vd：
Figure FDA0002486107240000081
式(6)中，A2和B2是常数，分别用公式(7)和(8)计算：
Figure FDA0002486107240000082
Figure FDA0002486107240000083
式(7)和式(8)中，n表示标准器(0)所含标准圆柱的个数，di表示不同直径标准圆柱的直径值，εrdi表示与di对应的应变读数，即标定数εrd1，εrd2，…，εrdn；
4)拉伸试验
a.安装试件：根据被测试件(9)的长度调整加载臂间距l，将被测试件(9)放入下加载传感臂(7)上的下部钳口和上部加载传感臂(18)的上部钳口，并使其轴线与下指示线(6)和上指示线(17)对齐，旋紧下锁紧螺钉(8)和上锁紧螺钉(16)，使下部钳口和上部钳口同时将被测试件(9)夹紧；安装好的被测试件(9)，其位于下部钳口和上部钳口之间的区段称为试验段，试验段的长度等于加载臂间距，也用符号l表示；
b.确定被测试件原始长度：用数控器调整两加载传感臂作相对运动，使应变信号εrf＝0，此时被测试件(9)受到的载荷为零，即试验力F＝0，同时有εrd＝0；F＝0时，被测试件(9)试验段的长度定义为原始长度，用l0表示；l0按公式(9)计算：
l0＝lmin+S0 (9)
式(9)中，S0表示F＝0时，下加载传感臂(7)与上加载传感臂(18)的相对位移量，S0按式(2)计算；被测试件(9)受到载荷作用时，试验段长度l连续变化，变化的l值用式(10)计算：
Figure FDA0002486107240000091
式(10)中，S是下加载传感臂(7)与上加载传感臂(18)的相对于位移，按式(2)计算；
c.加载试验：由数控器控制下加载传感臂(7)与上加载传感臂(18)运动，对被测试件(9)施加载荷，同时跟踪记录被测试件(9)所受载荷F的变化和试验段长度l的变化，由式(3)实时给出被测试件(9)受到的力F，由式(10)实时给出被测试件(9)的试验段长度l；用F和l的实时数据绘制F-l关系曲线，即被测试件(9)的试验曲线。
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