引伸计的测量技术、工程用途及检定方法的探讨

郭贵勇，薛金

（福建省计量科学研究院，福建 福州 350003）

0 引言

当今世界上建筑工程的迅猛发展，伴随着高楼大厦的不断崛起，高楼大厦或建筑的设计日益多样化，建筑工程的质量安全和可靠性成为该行业的研究热点，钢筋混凝土的建筑结构成为绝大多数现代建筑的首选，其中的钢筋质量的力学性能成为不可忽视的关键影响因素之一，钢筋的拉伸试验测试采用引伸计对其应变进行测量，其与万能材料试验机配套使用，并逐步取代了传统的机械式引伸计。变形测量是材料物理特性检测中最基本的测量环节之一[1-3]，随着材料科学的发展，新材料不断出现，材料的性能也不断优化[4]。引伸计主要应用于材料的力学性能测试中，测定能表征相关材料在特征应变条件下所对应的应变数据。在材料力学性能测试过程中，应力与应变是相互依存的，任何材料，一旦受到应力，就一定产生应变。在测试过程中，通过精确测试试验所得的“应力—应变”曲线，以获得试验方法标准中所要求的相关应变条件下的强度指标。在金属拉伸试验过程中，规定塑性延伸强度Rp、弹性模量E和伸长率的测定均需要用到引伸计，引伸计准确度高、性能稳定，还能实现量值溯源。本文通过以下几个方面来阐述一下电子引伸计在金属拉伸试验中的应用及所用不同规格电子引伸计的检定方法。

1 组成与工作原理

引伸计是试验机对试样施加轴向力时，测量试样变形的装置，通常由传感器、放大器和记录器三部分组成。传感器直接和被测件接触，被测件上被测两点之间的距离L为标距，标距的变化ΔL（伸长或缩短）为线变形。被测件变形，传感器随着变形，并把这种变形转换为机械、光、电、声等信息，放大器将传感器输出的微小信号放大，记录器（或读数器）将放大后的信号直接显示或自动记录下来[5]。

电子引伸计是机械技术和传感器技术的结合，先采用机械接触式结构对试样进行采集，然后利用变形量传递至电气元件组成的传感器，将传感器的变形量转化为电信号，处理器对电信号进行滤波、模数转换、放大等处理，从而将变形量显示出来，其中的传感器可以是采用电阻式、电容式、电感式等原理[6]。

2 工程用途及检定方法

2.1 工程用途

金属拉伸试验都是依据GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》来进行试验的[7]，根据一些特定试验的要求来选择不同标距、不同量程的引伸计。

（1）引伸计可用以测定淬火钢等无屈服现象脆性金属材料的规定塑性延伸强度Rp0.2强度值：拉伸屈服强度是金属材料的重要力学性能指标，在工程设计与机械设计中将拉伸屈服强度作为力学计算和选材的依据，其重要性甚至超过极限强度，一般结构钢机械性能试验不用引伸计，引伸计大多用于屈服强度台阶不明显的材料，用以测定规定塑性延伸强度Rp0.2，通常在试件拉伸试验过程用电子引伸计配合光电编码器及力传感器绘制“应力-应变”曲线，力传感器测得塑性变形达引伸计标距的0.2%时的应力值，当应变超过引伸计标距的0.2%之后取下电子引伸计，并在曲线图上画出一条与曲线的弹性直线段部分平行的直线，此平行线与曲线的交点即为规定塑性延伸强度的力，以此力除以试件原始横截面积即得到规定塑性延伸强度Rp0.2。该类试验一般选择标距为50mm或100mm，量程为5mm或10mm的电子引伸计。

（2）引伸计可用以测定钢筋机械连接件接头的残余变形：根据国家行业标准JGJ 107-2016《钢筋机械连接技术规程》中规定[8]，通过钢筋与连接件或其他介入材料的机械咬合作用或钢筋端面的承压作用，将一根钢筋中的力传递至另一根钢筋的连接方法称为钢筋机械连接，根据接头的极限抗压强度、残余变形、最大力值下总伸长率以及高应力和大变形条件下反复拉压性能分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级三个接头等级，测定单向拉伸、高应力反复拉压和大变形反复拉压试验时的接头残余变形均需用到引伸计，做单向拉伸和反复拉亚试验时所用变形测量仪应在钢筋两侧对称布置，取钢筋两侧测量仪变形读数的平均值作为残余变形值。此类试验一般选择可变标距为50mm至260mm，量程为5mm的双侧引伸计。

（3）引伸计可用以测定预应力混凝土用钢绞线的伸长率等参数：预应力混凝土结构用的钢绞线是由冷拉光圆钢丝或刻痕钢丝捻制而成的，钢绞线的捻距通常为钢绞线公称直径的整数倍。根据国标GBT 21839-2008《预应力混凝土用钢材试验方法》要求[9]，在做钢绞线拉伸试验中，破断载荷、总伸长率1%时对应的载荷、伸长率和弹性模量的测试都离不开引伸计，对引伸计标距的选择通常为钢绞线捻距的整数倍，这样对变形的测量才不会受到钢绞线结构特性的影响，由于大部分引伸计的刀口是平直的，用橡皮筋固定夹持钢绞线其中的两丝，但各丝变形有一定程度的不均匀性，对测量结果还是有一些影响，因此要使用带有螺纹固定的环形卡式的引伸计。此类试验一般选择标距为500mm，量程为10mm或15mm的电子引伸计。

2.2 检定方法

目前，我国计量检定机构都是依据JJG 762-2007《引伸计检定规程》来对引伸计进行检定[10]，针对引伸计的标距、分辨力与示值误差这三个计量性能要求进行检定，常见的引伸计等级有0.5级与1级，检定温度范围为（23±5）℃，检定时的温度应稳定，温度变化不应超过2℃，检定过程不允许有影响引伸计检定结果的空气对流。其检定步骤为：先观察引伸计的显示装置的分辨力是否达到相应等级要求，在满足规程要求后用数显卡尺测量引伸计的标距三次，取其最大相对误差作为标距的测量结果，接着根据客户测试需求来确定引伸计的检定范围，在所确定的范围内均匀取10个检定点，将引伸计装卡在引伸计标定器上，同时调整好引伸计显示装置与标定器的零点，通过引伸计标定器按照10个检定点逐步给引伸计施加位移，测量各点的示值误差，达到检定范围最大值后返回零点，取下引伸计并重新装卡在标定器上，按此步骤重复三次测量，取三次测量值的最大误差值作为引伸计各检定点的示值误差。

对于检可变标距的引伸计，应对其标距变化范围内均匀取点，分别测量各点的标距是否达到相应等级要求；对于检双侧引伸计，应模拟其试验状态将两根引伸计同时装卡在引伸计标定器上，看两根引伸计的平均示值误差是否能满足相应等级要求；一般常见的引伸计标定器只能检定200mm标距内的引伸计，对于检定标距超过200mm的引伸计应将标定器的装卡装置加长以满足长标距引伸计的检定需求，建议检定长标距引伸计时将标定器水平放置并保证能沿水平方向给引伸计施加位移，使引伸计在检定时处于水平状态避免常规方式施加位移时因引伸计自重或施加位移过程中的晃动对引伸计的测量造成误差。

3 存在的不足

现有引伸计大多数为接触式测量，因其具有原理结构简单、价格较低且技术相对成熟，得到了工程应用范围十分广泛。然而，除了建筑工程以外，现代技术对新兴材料的特性测量的要求越来越高，材料的形式也越来越多样化，这种传统式的接触式引伸计显得不够科学，存在的不足主要包括：量程比较单一和固定，其标距和范围可调整性较差；试验测试若试样断裂时，引伸计需要及时摘除，无法对断裂后伸长率进行直接测量；由于装夹方式为接触式，因此与被检件之间的连接存在额外的相对位移变化导致测量存在误差等。为了解决以上不足，非接触式对测量变形的技术得到科学和工程领域的青睐，光电技术和图像视频技术的兴起，为引伸计的非接触测量技术提供技术支撑，尤其是激光技术在引伸计测量技术上的尝试，都使得引伸计的应用前景将得到了前所未有的快速发展。

4 结论

本文通过描述电子引伸计在金属材料拉伸试验中的应用及常见的型号规格，阐述了电子引伸计的主要检定步骤和各种型号规格引伸计对应的检定方法，分析了电子引伸计虽然在金属拉伸试验中起到很大的作用，但其毕竟属于接触式引伸计，经常会因为拉伸试验过程中试件出现意外崩裂或设备故障或人为操作失误导致引伸计损坏。通过对接触式引伸计的技术分析，指出了非接触式引伸计如激光引伸计和视频引伸计就能避免这些问题。因此，将非接触式引伸计测量技术应用于钢筋拉伸性能检测将会有很大的发展前景，这对于建筑工程的综合发展具有重要意义。