一种简易的径向位移引伸计

　　0　引　言

　　结构的力学行为实验中会用到各种引伸计[1],在测量内压管道循环弯曲管道横截面径向变形时,通常要使用价格昂贵的位移传感器LVDT(linear variable differential trans-former)。实际上,利用对称悬臂梁的变形特点及电阻应变测量技术,可以自行设计一种简易的径向位移引伸计,在一定的测量范围内,保证引伸计具有较高的灵敏度与线性度。

　　1　引伸计结构

　　如图1所示,两片薄钢片由沉头螺钉紧固在支撑板上,引伸计夹持在被测试件上,为了避免预紧夹持力过大,由支持块与支持杆提供引伸计的主要支撑。支持杆与支撑板通过螺纹连接,并调整引伸计的夹持位置,使得夹持点位于薄片的中点,支持杆可在支持块的孔内自由转动及轴向移动,支持块可用706胶或914#AB胶与试件粘在一起。根据不同测试位置的支撑要求,支持块与支持杆可安装一组或两组。不同直径的管子可选用不同的支撑板或将支撑板设计为长度可调节结构。

　　试件变形,沿直径增大的方向,薄钢片被向外撑开;沿直径减小的方向,事先撑开的薄钢片回弹。变形量通过应变计进行检测。根据灵敏度要求,应变计可组成半桥或全桥进行测量。应变计在薄片的正反面关于夹持点对称布置。

　　2　引伸计力学模型

　　引伸计一次敏感元件为薄钢片,力学模型可简化为如图2所示的梁,测试点C(梁的中点)处受集中力F作用,两端由于受支撑板及压块的约束,转角及y方向位移为0,m0为约束反力矩。

　　由材料力学知识易得测试点C的挠度f与载荷F之间的关系为

　　3　引伸计的灵敏度

　　设应变计粘贴在距固定端αl处,一次敏感元件的灵敏度为

　　4　引伸计一次敏感元件设计

　　一次敏感元件应选择弹性好并具有较高强度的薄片,可选择碳素钢带或高强不锈钢弹簧钢带。薄片的长度l、宽度b及厚度h,应使其既能在弹性范围内工作,又具有较大的灵敏度,同时,不能给试件附加太大的伴生载荷F[3]。

　　假定α=0.05,试件变形引起的最大挠度f=4 mm,以碳素弹簧钢带65 Mn为例,讨论一次敏感元件的性能与尺寸的关系进而确定其尺寸。材料的机械性能参数[4]为,屈服极限为785 MPa。

　　图3、图4及图5分别给出b=10 mm时,不同薄片长度及厚度下最大弯曲正应力、一次敏感元件灵敏度及最大伴生载荷。由图可见:相同长度下厚度增加最大弯曲正应力、一次敏感元件灵敏度及伴生载荷均增大;相同厚度下长度减小最大弯曲正应力、一次敏感元件灵敏度及伴生载荷均增大。弯曲正应力不应超过材料的屈服极限1/1.5,同时,最大伴生载荷不应太大,例如:限定最大伴生载荷不超过10 N。据此可整理出薄片设计参数l,h可选尺寸的弹性界限与伴生载荷界限,在上述规定下,薄片可选参数边界应由伴生载荷界限确定。