CN110470195B - 测量拉伸试样断裂后标距的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测量拉伸试样断裂后标距的装置及方法。该装置是由试样支座、被测试样、编码丝杆测量机构和数据采集‑分析‑处理单元组成的测量系统。编码丝杆测量机构由定位支架、传动丝杆、游标、编码盘和转轮组成。编码盘由齿盘、四个悬臂梁传感器和传感器支架组成，用于测定齿盘的旋转角度和旋转方向。编码盘与定位支架、传动丝杆配合，测定游标的位移量。测量时，将被测试样固定在试样支座上，用转轮调整游标的位置，使之先后对准被测试样上左、右两侧的标距线，编码盘实时输出表示齿盘旋转角和旋转方向的度信号，数据采集‑分析‑处理单元给出被测试样断裂后标距。

Description

测量拉伸试样断裂后标距的装置及方法
技术领域
本设计提供一种用于测量拉伸试样断裂后标距的装置及方法，属力学试验技术、传感器技术及机械测量技术领域。
背景技术
在金属材料拉伸力学性能试验中，为了得到拉伸试样的断后伸长率，需要测量试样断裂后的标距，目前普遍使用游标卡尺进行测量，而缺乏适用的量具或测量仪器。用游标卡尺测量试样断裂后的标距，存在以下问题：一、被测试样的标距线不能用游标卡尺夹持。因此，用游标卡尺测量两条标距线的间距，是不合理的测量方法。二、由于游标卡尺不能夹持标距线，因此容易引入较大的人工操作误差。三、普通游标卡尺不能配接数据采集仪，不适合数字化测量。
发明内容
本设计的目的，是为材料拉伸力学性能试验中试样断裂后标距测量提供一种以编码丝杆测量机构为核心组件的游标照准式测量方法及装置。
本设计的测量拉伸试样断裂后标距的装置，是由试样支座、编码丝杆测量机构、被测试样和数据采集-分析-处理单元四部分组成的测量系统。
试样支座由底板、竖直固定在底板上方的两个带V形槽支座、两块压板和四枚锁紧螺钉组成。两个支座的上部各加工有一个第一V形槽，两个第一V形槽处于同轴位置。
编码丝杆测量机构由定位支架、传动丝杆、游标、编码盘和带摇柄的转轮组成。定位支架的结构包括顶板和固定在顶板下方的左定位支板和右定位支板。在顶板的下表面沿顶板的长度方向加工有一条U形导向限位槽。左定位支板中部加工有左轴承孔，右侧定位支板中部加工有右轴承孔，左轴承孔与右轴承孔处于同轴位置。左定位支板下部和右定位支板下部分别加工有第二V形槽，这两个第二V形槽处于同轴位置。U形导向限位槽的轴线、左轴承孔和右轴承孔的轴线以及第二V形槽的轴线均位于同一纵向平面内且相互平行。传动丝杆的结构从左到右分为五段，即左光轴、左轴肩、螺纹轴、右轴肩、右光轴；传动丝杆通过左光轴与左轴承孔的配合和右光轴与右轴承孔的配合安装在定位支架上，并且左轴肩的左端面与左定位支板的右侧面接触，右轴肩的右端面与右定位支板的左侧面接触，使传动丝杆不能作轴向串动。传动丝杆位于定位支架上U形导向限位槽的正下方，且与U形导向限位槽平行。游标由传动螺母、指针和导向限位销组成，传动螺母与传动丝杆的螺纹轴配合。指针固定在传动螺母的底部，其针尖垂直向下。导向限位销固定在传动螺母的顶部，其上端与U形导向限位槽间隙配合，使游标保持在垂直位置，并且可以在U形导向限位槽内沿槽的轴线方向滑动。
编码盘由传感器支撑框架、齿盘和第一悬臂梁传感器、第二悬臂梁传感器、第三悬臂梁传感器、第四悬臂梁传感器组成。传感器支撑框架为矩形结构，固定在定位支架右定位支板的右侧。在传感器支撑框架的四条边上靠近一端各加工有一个矩形通孔和一个垂直于矩形通孔且与之贯通的螺纹孔。齿盘为周边带有若干圆弧齿的圆盘，共轴固定在传动丝杆的右光轴上，同时处于传感器支撑框架内的中央位置。第一悬臂梁传感器、第二悬臂梁传感器、第三悬臂梁传感器、第四悬臂梁传感器的结构和尺寸相同，分别由第一弹性梁和单轴电阻应变计[R1,R2]、第二弹性梁和单轴电阻应变计[R3,R4]、第三弹性梁和单轴电阻应变计[R5,R6]、第四弹性体梁和单轴电阻应变计[R7,R8]组成。四个弹性梁采用矩形等截面结构或矩形变截面结构，四个弹性梁的根部分别与传感器支撑框架上的四个矩形通孔配合，并利用紧定螺钉分别固定于传感器支撑框架的上侧内壁、下侧内壁、右侧内壁和左侧内壁。单轴电阻应变计[R1,R2]、[R3,R4]、[R5,R6]和[R7,R8]分别粘贴在第一弹性梁、第二弹性梁、第三弹性梁、第四弹性梁靠近根部的位置，各电阻应变计的轴线分别与所在弹性梁的轴线平行。第一、二、三、四弹性梁在靠近自由端处朝向齿盘一侧分别加工有第一三角形突棱、第二三角形突棱、第三三角形突棱、第四三角形突棱，装配好的四个弹性梁均有一定量的预变形，预变形产生的弹性压力使各三角形突棱的棱顶分别与齿盘周边的圆弧齿保持接触，接触点的具体位置如下：
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中心。
b.此时，第一三角形突棱位于齿盘的水平对称线上，并且与最左端圆弧齿的顶点接触。第三三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。第二三角形突棱和第四三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。第一三角形突棱到齿盘纵向对称线的距离用hmax表示，第三三角形突棱到齿盘纵向对称线的距离用hmin表示，第二三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以及第四三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与hmin和hmax之间存在式(1)表示的关系：
Figure BDA0002196482080000021
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。
转轮固定在传动丝杆上右光轴的右端。旋动摇柄使传动丝杆转动时，传动丝杆与传动螺母的配合和导向限位销与U形导向限位槽的配合带动游标沿传动丝杆的轴线向左或向右移动。传动螺母与传动丝杆配合副采取消间隙措施，理论上认为该配合副的空回量为零，传动丝杆改变旋转方向时，能够带动游标无滞后地改变移动方向。
编码丝杆测量机构按以下方式工作：
1)编码盘量电路连接：将电阻应变计[R1,R2]、[R3,R4]、[R5,R6]、和[R7,R8]分别以半桥方式接入数据采集-分析-处理单元，用
Figure BDA0002196482080000022
分别表示数据采集-分析-处理单元测得的这四个半桥电路的应变读数。
2)编码盘测量电路零位调整：旋动摇柄转动齿盘，应变读数
Figure BDA0002196482080000023
Figure BDA0002196482080000024
均发生连续周期性变化，变化周期用T表示，T同时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 BDA0002196482080000032
各自完成一次循环。观察
Figure BDA0002196482080000033
的变化，当
Figure BDA0002196482080000034
刚好为最小值εrmin时，停止转动齿盘，调节数据采集-分析-处理单元上电阻应变计[R1,R2]所在电桥的平衡电路，使之达到平衡状态，即
Figure BDA0002196482080000035
重复前述动作，依次在
Figure BDA0002196482080000036
取得最小值εrmin时，调节电阻应变计[R3,R4]、[R5,R6]和[R7,R8]所在电桥的平衡电路，使
Figure BDA0002196482080000037
Figure BDA0002196482080000039
按以上方法完成四个半桥测量电路零位调整后，再转动齿盘，则四个应变读数
Figure BDA0002196482080000038
均在最小值0和一个最大值εrmax之间循环变化，最小值0对应于第一三角形突棱或第二三角形突棱或第三三角形突棱或第四三角形突棱处在正对相邻两圆弧齿之间的谷底位置，即对应最于小特征高度hmin。最大值εrmax对应于第一三角形突棱或第二三角形突棱或第三三角形突棱或第四三角形突棱处在与圆弧齿顶点接触的位置，即对应于最大特征高度hmax。以上调整编码盘测量电路零位的方法，称为零位四步调整法。
3)确定应变读数与齿盘旋转状态的关系：完成编码盘测量电路零位调整后，规定用数字1、0和1/2分别表示应变读数
Figure BDA00021964820800000310
的最大值εrmax、最小值0和平均值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、零值和中值共同定义为应变读数的三态编码值，简称三态值。齿盘旋转时，三态值0、1/2、1按周期T循环变化。三态值的循环变化，用于确定齿盘的旋转状态，即旋转方向和旋转角度。三态值总共有四个不同的组合，如表1所示：
表1应变读数
Figure BDA00021964820800000311
三态值的组合
Figure BDA0002196482080000031
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，选择三态值组合1，则齿盘沿顺时针方向每转过一个齿，三态值如表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 BDA00021964820800000312
Figure BDA0002196482080000044
的三态值0、1/2、1分别发生不同的升降变化。表2和表3中，编号①至⑧的八行数据，两两互异，并且均具有唯一性，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至第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至第0.25T。
表2齿盘(21)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 BDA0002196482080000041
表中“↑”表示三态值增大，“↓”表示三态值减小
表3齿盘(21)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 BDA0002196482080000042
表中“↑”表示三态值增大，“↓”表示三态值减小
4)测定游标的位移量：转动齿盘，调整游标至某一指定位置或任意位置，将该位置作为游标的位移原点，同时将齿盘的当前位置记作齿盘零位。从齿盘零位开始，转动齿盘，使游标从位移原点起向左或向右移动。用S表示游标沿传动丝杆相对于位移原点的位移量，用公式(2)计算S：
Figure BDA0002196482080000043
式(2)中，t表示传动丝杆的导程，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表示齿盘自齿盘零位起单向连续转过的齿数，定义为等效转动齿数；nz和S是代数量，齿盘顺时针转动时，游标向右移动，nz和S的符号均为“-”；齿盘(29)逆时针转动时，游标向左移动，nz和S的符号均为“+”。
被测试样为刻划有标距线(bx)的圆截面拉伸断裂试样。对于矩形截面、弧形截面等其它形状的拉伸断裂试样，需要设计形状和尺寸适配的试样定位支座。
数据采集-分析-处理单元包括应变信号采集-调理电路和装有测量软件的微计算机系统。式(1)、(2)和表1、表2、表3，是设计测量软件的基本算法依据。
本设计的测量方法，包括以下操作步骤：
1)被测试样安装定位：将由拉伸试验得到的被测试样在试样断口处密合对接，同时将被测试样两端的夹持段放入试样支座上的第一V形槽，被测试样的标距线朝上；旋紧锁紧螺钉，使压板压住被测试样两端的夹持段，将被测试样固定在试样支座上。
2)测量系统接线与初始状态调整：按照前述编码丝杆测量机构的电阻应变计接线方法和零位四步调整法，依次完成编码盘的测量电路连接和测量电路零位调整。
3)测量机构安装定位：用编码丝杆测量机构上的第二V形槽与被测试样两端的夹持段配合，将编码丝杆测量机构放置在被测试样的正上方。
4)测量试样断裂后的标距：旋动转轮，用游标上的指针对准被测试样上右侧第一条标距线，并将游标的当前位置记作其位移原点，同时将齿盘的当前位置记作齿盘零位。再次旋动转轮，使游标上的指针对准被测试样上左侧第一条标距线。按公式(2)计算游标相对于位移原点的位移量S，S即为被测试样断裂后的标距。
本设计具有以下特点：
1、采用编码丝杆测量机构为基本测量部件。本设计的测量原理是以编码丝杆测量机构为基础，实现拉伸试样断裂后标距的测量。在测量过程中，编码丝杆测量机构由编码盘跟踪游标的运动，实时输出对应于游标位移和位置坐标的四路应变信号。数据采集-分析-处理单元对读取到的四路应变信号进行量化处理，得到三态值，由三态值按公式(2)计算游标相对于位移原点的位移量，而位移原点可以在游标的移程内任意设定。因此，编码丝杆测量机构能够保障试样断裂后标距测量的可靠性，并且使测量方法简单易行。
2、数字测量与模拟测量相结合。编码丝杆测量机构的主要功能部件编码盘输出的应变信号是模拟量，经过数据采集-分析-处理单元三级量化处理，得到数字量三态编码值0、1/2、1。可见，这一测量系统兼具模拟测量与数字测量双重属性。在测量过程中，数据采集-分析-处理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：一是编码盘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；二是数字量三态值的升降变化，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，能够保证编码丝杆测量机构在位移测量过程中对位移方向判别的正确性和对位移量测定的准确性(误差不超过齿盘上一个齿对应的位移量)。
3、易于操作，数据重复性较高。本设计是一种数字化半自动测量方法，在测量过程中，操作者只须使游标先后对准被测试样上的两条标距线，而不需要直接读数，测量结果(断裂后标距)由数据采集-分析-处理单元自动给出。这种测量方式有助于减少人工操作误差，提高测量数据的重复性。
4、属于非接触式测量方法，仪器设计具有较大的灵活性。编码丝杆测量机构的游标在测量过程中不与被测试样接触。设计编码丝杆测量机构时，可以通过改变传动丝杆的导程和齿盘的齿数来获得适当的位移分辨力。还可以在游标上安装汇聚光源，或者用带有分划板的目镜替代指针，从而提高对标距线的照准精度，以获得更高的测量准确度。
5、编码丝杆测量机构可以用于其它长度测量仪器的设计。以编码丝杆测量机构的测量原理为基础，可以根据其它一些类型两点间距测量或长度测量的不同要求，设计测量仪器。特别是对于某些需要非接触式测量的对象，可以用观测目镜、望远系统、汇聚照明光源、激光照准光源等光学、光电器件替代编码丝杆测量机构游标上的指针，在一定的工作距离上对目标进行测量。
附图说明
图1是实现测量方法的测量装置的构造、原理简图；
图2是编码盘的构造、原理简图；
图3是编码盘测量电路示意图，其中(a)电阻应变计[R1,R2]半桥图，(b)电阻应变计[R3,R4]半桥图，(c)电阻应变计[R5,R6]半桥图，(d)电阻应变计[R7,R8]半桥图。
图1和图2中：1.底板，2.带V形槽支座，3.拉伸试件，4.压板，5.锁紧螺钉，6.左轴承孔，7.左光轴，8.左定位支板，9.顶板，10.第二V形槽，11.螺纹轴，12.传动螺母，13.指针，14.右定位支板，15.右轴承孔，16.右光轴，17.左轴肩，18.U形导向限位槽，19.导向限位销，20.右轴肩，21.传感器支撑框架，22.紧定螺钉，23.转轮，24.摇柄，25.试件断口，26.第一V形槽，27.螺纹孔，28.第二弹性梁，29.齿盘，30.圆弧齿，31.第四弹性梁，32.第三弹性梁，33.第一弹性梁，34.第一三角形突棱，35.第二三角形突棱，36.传感器固定用螺纹孔，37.传感器紧定螺钉，38.矩形通孔，39.第三三角形突棱，40.第四三角形突棱，SZ.试件支座，BS.编码丝杆测量机构，bx.标距线，cs.传动丝杆，dz.定位支架，bp.编码盘。
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3，本设计为一种测量拉伸试样断裂后标距的方法及装置，该方法及装置由试样支座SZ、编码丝杆测量机构BS、被测试样3和数据采集-分析-处理单元四部分组成测量系统。
试样支座SZ由底板1、竖直固定在底板1上方的两个带V形槽支座2、两块带有螺钉孔的压板4和四枚锁紧螺钉5组成。两个带V形槽支座2的上部加工有第一V形槽26，两个第一V形槽26处于同轴位置。对于板试样及其它类型的非圆截面被测试样，应根据试样横截面形状和尺寸设计定位槽，替代第一V形槽26。
编码丝杆测量机构BS由定位支架dz、传动丝杆cs、游标yb、编码盘bp和带摇柄24的转轮23组成。定位支架dz的结构包括顶板9、固定在顶板9下方的左定位支板8和右定位支板14。在顶板9的下表面沿顶板9的长度方向加工有一条U形导向限位槽18。左定位支板8中部加工有左轴承孔6，右侧定位支板14中部加工有右轴承孔15，左轴承孔6与右轴承孔15处于同轴位置。左定位支板8下部和右侧定位支板14下部分别加工有一个第二V形槽10，这两个第二V形槽10处于同轴位置。U形导向限位槽18的轴线、左轴承孔6与右轴承孔15的轴线、第二V形槽10的轴线均位于同一纵向平面内且相互平行。传动丝杆cs的结构从左到右分为五段，即左光轴7、左轴肩17、螺纹轴11、右轴肩20、右光轴16。传动丝杆cs通过左光轴7与左轴承孔6的配合和右光轴16与右轴承孔15的配合安装在定位支架dz上，并且左轴肩17的左端面与左定位支板8的右侧面接触，右轴肩20的右端面与右定位支板14的左侧面接触，使传动丝杆cs不能轴向串动。传动丝杆cs位于定位支架dz上U形导向限位槽18的正下方，且与U形导向限位槽18平行。游标yb由传动螺母12、指针13和导向限位销19组成，传动螺母12与传动丝杆cs的螺纹轴11配合。指针13固定在传动螺母12的底部，其针尖垂直向下。导向限位销19固定在传动螺母12的顶部，其上端与U形导向限位槽18间隙配合，这一配合结构使游标yb保持在垂直位置，并且可以在U形导向限位槽18内沿槽的轴线方向滑动。
编码盘bp由传感器支撑框架21、齿盘29和第一悬臂梁传感器S1、第二悬臂梁传感器S2、第三悬臂梁传感器S3、第四悬臂梁传感器S4组成。传感器支撑框架21一般采用矩形结构。传感器支撑框架21通过紧定螺钉22与右定位支板14上的螺纹孔27配合固定在定位支架dz上。在传感器支撑框架21的四条边上靠近一端各加工有一个矩形通孔38和一个垂直于矩形通孔38且与之贯通的传感器固定用螺纹孔36。齿盘29为周边带有若干圆弧齿30的圆盘。圆弧齿可以采用多种工艺制造，例如用在圆盘周边镶嵌钢球的方法制成圆弧齿。齿盘29共轴固定在传动丝杆cs的右光轴16上，同时处于传感器支撑框架21内的中央位置。齿盘29上的齿也可以采用正三角形和其它形状。第一悬臂梁传感器S1、第二悬臂梁传感器S2、第三悬臂梁传感器S3、第四悬臂梁传感器S4的结构、尺寸相同，分别由第一弹性梁33和单轴电阻应变计[R1,R2]、第二弹性梁28和单轴电阻应变计[R5,R6]、第三弹性梁32和单轴电阻应变计[R3,R4]、第四弹性体梁31和单轴电阻应变计[R7,R8]组成。四个弹性梁一般采用矩形等截面结构，也可以采用矩形变截面结构。四个弹性梁的根部分别与传感器支撑框架21上的四个矩形通孔38配合，并利用紧定螺钉41分别固定于传感器支撑框架21的上侧内壁、下侧内壁、右侧内壁和左侧内壁。单轴电阻应变计[R1,R2]、[R5,R6]、[R3,R4]和[R7,R8]分别粘贴在第一弹性梁33、第二弹性梁28、第三弹性梁32、第四弹性梁31靠近根部的位置，各电阻应变计的轴线分别与所在弹性梁的轴线平行。第一、二、三、四弹性梁33、28、32、31在靠近自由端处朝向齿盘29一侧分别加工有第一三角形突棱34、第二三角形突棱35、第三三角形突棱39、第四三角形突棱40。装配好的四个弹性梁均必须有一定量的预变形，预变形产生的弹性压力使各三角形突棱的棱顶分别与齿盘29周边的圆弧齿30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29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29的水平对称线刚好通过最左端圆弧齿和最右端圆弧齿的中心。
b.此时，第一三角形突棱34位于齿盘29的水平对称线上，并且与最左端圆弧齿的顶点接触；第三三角形突棱39位于齿盘29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30之间的谷底；第二三角形突棱35和第四三角形突棱40均位于齿盘29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。第一三角形突棱34到齿盘29纵向对称线的距离用hmax表示，第三三角形突棱39到齿盘29纵向对称线的距离用hmin表示，第二三角形突棱35与正上方圆弧齿接触点到齿盘29水平对称线的距离以及第四三角形突棱40与正下方圆弧齿接触点到齿盘29水平对称线的距离均用hmid表示。hmid与hmin和hmax之间存在式(1)表示的关系：
Figure BDA0002196482080000071
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。
转轮23固定在传动丝杆cs上右光轴16的右端，转轮23上装有摇柄。旋动摇柄24使传动丝杆cs转动时，传动丝杆cs与传动螺母12的配合和导向限位销19与U形导向限位槽18的配合带动游标yb沿传动丝杆cs的轴线向左或向右移动。传动螺母12与传动丝杆cs配合副须采取消间隙措施，理论上认为该配合副的空回量为零，因此传动丝杆cs改变旋转方向时，能够带动游标yb无滞后地改变移动方向。
编码丝杆测量机构BS按以下方式工作：
1)编码盘bp测量电路连接：将电阻应变计[R1,R2]、[R3,R4]、[R5,R6]和[R7,R8]分别以半桥方式接入数据采集-分析-处理单元，用
Figure BDA0002196482080000081
分别表示数据采集-分析-处理单元测得的这四个半桥电路的应变读数。
2)编码盘bp测量电路零位调整：旋动摇柄24转动齿盘29，应变读数
Figure BDA0002196482080000084
Figure BDA0002196482080000082
和
Figure BDA0002196482080000083
均发生连续周期性变化，变化周期用T表示，T也表示齿盘29上相邻两个圆弧齿30的齿顶间距。齿盘29每转过一个齿，即一个周期T，应变读数
Figure BDA0002196482080000087
Figure BDA0002196482080000088
和
Figure BDA0002196482080000089
各自完成一次循环。观察
Figure BDA0002196482080000085
的变化，当
Figure BDA0002196482080000086
刚好为最小值εrmin时，停止转动齿盘29，调节数据采集-分析-处理单元上电阻应变计[R1,R2]所在电桥的平衡电路，使之达到平衡状态，即
Figure BDA00021964820800000810
重复前述动作，依次在
Figure BDA00021964820800000811
取得最小值εrmin时，调节电阻应变计[R3,R4]、[R5,R6]和[R7,R8]所在电桥的平衡电路，使
Figure BDA00021964820800000812
按以上方法完成四个半桥测量电路零位调整后，再转动齿盘29，则应变读数
Figure BDA00021964820800000813
均在最小值0和一个最大值εrmax之间循环变化，最小值0对应于第一三角形突棱34或第二三角形突棱35或第三三角形突棱39或第四三角形突棱40处在正对相邻两圆弧齿30之间的谷底位置，即对应最于小特征高度hmin。最大值εrmax对应于第一三角形突棱34或第二三角形突棱35或第三三角形突棱39或第四三角形突棱40处在与圆弧齿30顶点接触的位置，即对应于最大特征高度hmax。以上调整编码盘bp测量电路零位的方法，称为零位四步调整法。
3)确定应变读数
Figure BDA00021964820800000814
与齿盘29旋转状态的关系：完成编码盘bp测量电路零位调整后，规定用数字1、0和1/2分别表示应变读数
Figure BDA00021964820800000815
Figure BDA00021964820800000816
的最大值εrmax、最小值0和平均值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、零值和中值共同定义为应变读数的三态编码值，简称三态值。齿盘29旋转时，三态值0、1/2、1按周期T循环变化。三态值的循环变化，用于确定齿盘29的旋转状态，即旋转方向和旋转角度。三态值总共有四个不同的组合，如表1所示：
表1应变读数
Figure BDA0002196482080000094
三态值的组合
Figure BDA0002196482080000091
从表1中任选一个三态值组合，做为确定齿盘29旋转状态的起始点。为明确起见，选择三态值组合1，则齿盘29沿顺时针方向每转过一个齿，三态值如表2所示完成一个周期T的循环，齿盘29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 BDA0002196482080000095
的三态值0、1/2、1分别发生不同的升降变化。在表2和表3中，编号①至⑧的八行数据，两两互异，并且均具有唯一性，其中每一行数据都唯一地表示齿盘29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29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29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。在三态值0、1/2、1循环升降变化的同时，实际应变读数
Figure BDA0002196482080000096
分别在最小值0、平均值0.5εrmax和最大值εrmax之间连续循环变化。连续变化的应变读数与三态值配合，监测齿盘29的旋转状态。
表2齿盘(21)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 BDA0002196482080000092
表中“↑”表示三态值增大，“↓”表示三态值减小
表3齿盘(21)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 BDA0002196482080000093
Figure BDA0002196482080000101
表中“↑”表示三态值增大，“↓”表示三态值减小
4)测定游标yb的位移量：转动齿盘29，调整游标yb至某一指定位置或任意位置，将该位置作为游标yb的位移原点，同时将齿盘29的当前位置记作齿盘零位。从齿盘零位开始，转动齿盘29，使游标yb从位移原点起向左或向右移动。用S表示游标yb沿传动丝杆cs相对于位移原点的位移量，用公式(2)计算S：
Figure BDA0002196482080000102
式(2)中，t表示传动丝杆cs的导程，Nc表示齿盘29的齿数，nz,s表示齿盘29自齿盘零位起顺时针累计转过的齿数，nz,n表示齿盘29自零位起逆时针累计转过的齿数，nz,s和nz,n恒取正值，nz表示齿盘29自齿盘零位起单向连续转过的齿数，定义为等效转动齿数。nz和S是代数量，齿盘29顺时针转动时，游标yb向右移动，nz和S的符号均为“-”；齿盘29逆时针转动时，游标yb向左移动，nz和S的符号均为“+”。
被测试样3为刻划有标距线bx的圆截面拉伸断裂试样，也可以是矩形截面、弧形截面等其它形状的拉伸断裂试样。
数据采集-分析-处理单元包括应变信号采集-调理电路和装有测量软件的微计算机系统，可以采用普通虚拟测量仪，也可以利用材料试验机的测试系统。不论虚拟测量仪，还是材料试验机的测试系统，测试软件中位移分析程序的设计都要以式(1)、(2)和表1、表2、表3作为基本算法依据。
本设计的测量方法，包括以下操作步骤：
1)被测试样安装定位：将被测试样3在试样断口25处密合对接，同时将其两端的夹持段放入试样支座SZ上的第一V形槽26，被测试样3的标距线bx朝上；旋紧锁紧螺钉5，使压板4压住被测试样3两端的夹持段，将被测试样3固定在试样支座SZ上。
2)测量系统接线与初始状态调整：按照前述编码丝杆测量机构BS的电阻应变计接线方法和零位四步调整法，依次完成编码盘bp的测量电路连接和测量电路零位调整。
3)测量机构安装定位：用编码丝杆测量机构BS上的第二V形槽10与被测试样3两端的夹持段配合，将编码丝杆测量机构BS放置在被测试样3的正上方。
4)测量试样断裂后的标距：旋动转轮23，用游标yb上的指针13对准被测试样3上右侧第一条标距线bx，并将游标yb的当前位置记作其位移原点，同时由数据采集-分析-处理单元将齿盘29的当前位置记作齿盘零位；再次旋动转轮23，使游标yb上的指针13对准被测试样3上左侧第一条标距线bx；按公式(2)计算游标yb相对于位移原点的位移量S，S即为被测试样3断裂后的标距。

Claims (1)

1.测量拉伸试样断裂后标距的装置，其特征是，该装置是由试样支座(SZ)、编码丝杆测量机构(BS)、被测试样(3)和数据采集-分析-处理单元四部分组成的测量系统；试样支座(SZ)由底板(1)、竖直固定在底板(1)上的两个带V形槽支座(2)、两块带有螺钉孔的压板(4)和四枚锁紧螺钉(5)组成；两个带V形槽支座(2)的上部均加工有第一V形槽(26)，两个第一V形槽(26)处于同轴位置；编码丝杆测量机构(BS)由定位支架(dz)、传动丝杆(cs)、游标(yb)、编码盘(bp)和带摇柄(24)的转轮(23)组成；定位支架(dz)包括顶板(9)和固定在顶板(9)下方的左定位支板(8)和右定位支板(14)；在顶板(9)的下表面沿顶板(9)的长度方向加工有一条U形导向限位槽(18)；左定位支板(8)中部加工有左轴承孔(6)，右定位支板(14)中部加工有右轴承孔(15)，左轴承孔(6)与右轴承孔(15)处于同轴位置；左定位支板(8)下部和右侧定位支板(14)下部均加工有第二V形槽(10)，两个第二V形槽(10)处于同轴位置；U形导向限位槽(18)的轴线、左轴承孔(6)和右轴承孔(15)的轴线以及第二V形槽(10)的轴线均位于同一纵向平面内且相互平行；传动丝杆(cs)从左到右分为五段，即左光轴(7)、左轴肩(17)、螺纹轴(11)、右轴肩(20)、右光轴(16)；传动丝杆(cs)通过左光轴(7)与左轴承孔(6)的配合和右光轴(16)与右轴承孔(15)的配合安装在定位支架(dz)上，并且左轴肩(17)的左端面与左定位支板(8)的右侧面接触，右轴肩(20)的右端面与右定位支板(14)的左侧面接触，使传动丝杆(cs)不能轴向串动；传动丝杆(cs)位于U形导向限位槽(18)的正下方，且与U形导向限位槽(18)平行；游标(yb)由传动螺母(12)、指针(13)和导向限位销(19)组成，传动螺母(12)与传动丝杆(cs)的螺纹轴(11)配合；指针(13)固定在传动螺母(12)的底部，其针尖垂直向下；导向限位销(19)固定在传动螺母(12)的顶部，其上端与U形导向限位槽(18)间隙配合，使游标(yb)保持在垂直位置，并且可以在U形导向限位槽(18)内作轴向滑动；
编码盘(bp)由传感器支撑框架(21)、齿盘(29)和第一悬臂梁传感器(S1)、第二悬臂梁传感器(S2)、第三悬臂梁传感器(S3)、第四悬臂梁传感器(S4)组成；传感器支撑框架(21)为矩形结构，固定在定位支架(dz)右侧定位支板(14)的右侧面；在传感器支撑框架(21)的四条边上靠近一端处各加工有一个矩形通孔(38)和一个与矩形通孔(38)垂直贯通的螺纹孔(36)；齿盘(29)为周边带有若干圆弧齿(30)的圆盘，共轴固定在传动丝杆(cs)的右光轴(16)上，同时处于传感器支撑框架(21)内的中央位置；第一悬臂梁传感器(S1)、第二悬臂梁传感器(S2)、第三悬臂梁传感器(S3)、第四悬臂梁传感器(S4)的结构和尺寸相同，分别由第一弹性梁(33)和单轴电阻应变计[R1,R2]、第二弹性梁(28)和单轴电阻应变计[R5,R6]、第三弹性梁(32)和单轴电阻应变计[R3,R4]、第四弹性体梁(31)和单轴电阻应变计[R7,R8]组成；四个弹性梁采用矩形等截面结构或矩形变截面结构，四个弹性梁的根部分别与传感器支撑框架(21)上的四个矩形通孔(38)配合，并通过紧定螺钉(41)与螺纹孔(36)的配合分别固定于传感器支撑框架(21)的上侧内壁、下侧内壁、右侧内壁和左侧内壁；单轴电阻应变计[R1,R2]、[R5,R6]、[R3,R4]和[R7,R8]分别粘贴在第一弹性梁(33)、第二弹性梁(28)、第三弹性梁(32)、第四弹性梁(31)靠近根部的位置，各电阻应变计的轴线分别与所在弹性梁的轴线平行；第一、二、三、四弹性梁(33、28、32、31)在靠近自由端处朝向齿盘(29)一侧分别加工有第一三角形突棱(34)、第二三角形突棱(35)、第三三角形突棱(39)、第四三角形突棱(40)，装配好的弹性梁均有一定量的预变形，预变形产生的弹性压力使各三角形突棱的棱顶均与齿盘(29)周边的圆弧齿(30)保持接触，接触点的具体位置如下：
a.设齿盘(29)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(29)的水平对称线刚好通过最左端圆弧齿和最右端圆弧齿的中心；
b.此时，第一三角形突棱(34)位于齿盘(29)的水平对称线上，并且与最左端圆弧齿的顶点接触；第三三角形突棱(39)位于齿盘(29)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(30)之间的谷底；第二三角形突棱(35)和第四三角形突棱(40)均位于齿盘(29)纵向对称线的右侧，且分别与正上方圆弧齿的右侧和正下方圆弧齿的右侧接触；第一三角形突棱(34)到齿盘(29)纵向对称线的距离用hmax表示，第三三角形突棱(39)到齿盘(29)纵向对称线的距离用hmin表示，第二三角形突棱(35)与正上方圆弧齿接触点到齿盘(29)水平对称线的距离以及第四三角形突棱(40)与正下方圆弧齿接触点到齿盘(29)水平对称线的距离均用hmid表示；hmid与hmin和hmax三者之间存在式(1)表示的关系；
Figure FDA0002662398360000021
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；
转轮(23)固定在传动丝杆(cs)上右光轴(16)的右端；旋动摇柄(24)使传动丝杆(cs)转动时，通过传动丝杆(cs)与传动螺母(12)的配合以及导向限位销(19)与U形导向限位槽(18)的配合带动游标(yb)沿传动丝杆(cs)的轴线向左或向右移动；传动螺母(12)与传动丝杆(cs)配合副采取消间隙措施，理论上认为该配合副的空回量为零，传动丝杆(cs)改变旋转方向时，能够带动游标(yb)无滞后地改变移动方向；
编码丝杆测量机构(BS)按以下方式工作：
1)编码盘(bp)测量电路连接：将电阻应变计[R1,R2]、[R3,R4]、[R5,R6]和[R7,R8]分别以半桥方式接入数据采集-分析-处理单元，用
Figure FDA0002662398360000022
分别表示数据采集-分析-处理单元测得的这四个半桥电路的应变读数；
2)编码盘(bp)测量电路零位调整：旋动摇柄(24)转动齿盘(29)，应变读数
Figure FDA0002662398360000023
Figure FDA0002662398360000024
均发生连续周期性变化，变化周期用T表示，T也表示齿盘(29)上相邻两个圆弧齿(30)的齿顶间距；齿盘(29)每转过一个齿，即一个周期T，应变读数
Figure FDA0002662398360000025
Figure FDA0002662398360000026
各自完成一次循环；观察
Figure FDA0002662398360000027
的变化，当
Figure FDA0002662398360000028
刚好为最小值εrmin时，停止转动齿盘(29)，调节数据采集-分析-处理单元上电阻应变计[R1,R2]所在电桥的平衡电路，使之达到平衡状态，即
Figure FDA0002662398360000029
重复前述动作，依次在
Figure FDA00026623983600000210
Figure FDA0002662398360000031
取得最小值εrmin时，调节电阻应变计[R3,R4]、[R5,R6]和[R7,R8]所在电桥的平衡电路，使
Figure FDA0002662398360000032
按以上方法完成四个半桥测量电路零位调整后，再转动齿盘(29)，则应变读数
Figure FDA0002662398360000033
均在最小值0和一个最大值εrmax之间循环变化，最小值0对应于第一三角形突棱(34)或第二三角形突棱(35)或第三三角形突棱(39)或第四三角形突棱(40)处在正对相邻两圆弧齿(30)之间的谷底位置，即对应最于小特征高度hmin；最大值εrmax对应于第一三角形突棱(34)或第二三角形突棱(35)或第三三角形突棱(39)或第四三角形突棱(40)处在与圆弧齿(30)顶点接触的位置，即对应于最大特征高度hmax；以上调整编码盘(bp)测量电路零位的方法，称为零位四步调整法；
3)确定应变读数
Figure FDA0002662398360000034
与齿盘(29)旋转状态的关系：完成编码盘(bp)测量电路零位调整后，规定用数字1、0和1/2分别表示应变读数
Figure FDA0002662398360000035
Figure FDA0002662398360000036
的最大值εrmax、最小值0和平均值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、零值和中值共同定义为应变读数的三态编码值，简称三态值；齿盘(29)旋转时，三态值0、1/2、1按周期T循环变化；三态值的循环变化，用于确定齿盘(29)的旋转状态，即旋转方向和旋转角度；
4)测定游标(yb)的位移量：转动齿盘(29)，调整游标(yb)至某一指定位置或任意位置，将该位置作为游标(yb)的位移原点，同时将齿盘(29)的当前位置记作齿盘零位；从齿盘零位开始，转动齿盘(29)，使游标(yb)从位移原点起向左或向右移动；用S表示游标(yb)沿传动丝杆(cs)相对于位移原点的位移量，用公式(2)计算S：
Figure FDA0002662398360000037
式(2)中，t表示传动丝杆(cs)的导程，Nc表示齿盘(29)的齿数，nz,s表示齿盘(29)自齿盘零位起顺时针累计转过的齿数，nz,n表示齿盘(29)自零位起逆时针累计转过的齿数，nz,s和nz,n恒取正值，nz表示齿盘(29)自齿盘零位起单向连续转过的齿数，定义为等效转动齿数；nz和S是代数量，齿盘(29)顺时针转动时，游标(yb)向右移动，nz和S的符号均为“-”；齿盘(29)逆时针转动时，游标(yb)向左移动，nz和S的符号均为“+”；
被测试样(3)为刻划有标距线(bx)的圆截面拉伸断裂试样；
数据采集-分析-处理单元包括应变信号采集-调理电路和装有测量软件的微计算机系统；测试软件根据式(1)、(2)获得位移量S；
采用上述装置进行测量的方法，包括以下操作步骤：
1)被测试样安装定位：将由拉伸试验得到的被测试样(3)在试样断口(25)处密合对接，同时将被测试样(3)两端的夹持段放入试样支座(SZ)上的第一V形槽(26)，被测试样(3)的标距线(bx)朝上；旋紧锁紧螺钉(5)，使压板(4)压住被测试样(3)两端的夹持段，将被测试样(3)固定在试样支座(SZ)上；
2)测量系统接线与初始状态调整：按照前述编码丝杆测量机构(BS)的电阻应变计接线方法和零位四步调整法，依次完成编码盘(bp)的测量电路连接和测量电路零位调整；
3)测量机构安装定位：用编码丝杆测量机构(BS)上的第二V形槽(10)与被测试样(3)两端的夹持段配合，将编码丝杆测量机构(BS)放置在被测试样(3)的正上方；
4)测量试样断裂后的标距：旋动转轮(23)，用游标(yb)上的指针(13)对准被测试样(3)上右侧第一条标距线(bx)，并将游标(yb)的当前位置记作位移原点，同时将齿盘(29)的当前位置记作齿盘零位；再次旋动转轮(23)，使指针(13)对准被测试样(3)上左侧第一条标距线(bx)；按公式(2)计算游标(yb)相对于位移原点的位移量S，S即为被测试样(3)断裂后的标距。
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