1 研究目的
工程材料弹性常数的测试,包括弹性模量和泊松比两方面,前者要测定试件的纵向变形。后者要测定试件的横向变形。对于硬质的金属和非金属材料试件,测定横向变形的方法有:
(1)采用各类横向变形引伸计,如机械杠杆式:电阻、电感、电磁、电涡流、差动变压器元件制成的簧片式电测引伸计配合二次仪表可在实验机上自动采集数据。但测定104s以上的长期性能时难免漂移,一般引伸计自重及夹持力大于1N,会引起软质试样的附加变形,所以只适用于硬质试件;
(2)测定材料的体积模量,拉伸模量或剪切模量,再根据线弹性力学弹性常数关系间接算出泊松比;或按弹性波理论,从测定的纵波及横波声速推算出泊松比,但非金属材料(如泡沫塑料和橡胶)的声阻很大,声速测定困难;按弹性振动理论,用共振法或强迫振动法推算复模量及泊松比,但是非金属材料内阻尼大;使震动测试困难,所以较少成功;
(3)光测力学法 如全息法、散斑及电子散斑法、影像云纹法,均以弹性力学中板或梁纯弯曲理论为基础,从干涉图形推算泊松比,要求照相、摄像器材及防振光具台;
(4)在试件上粘贴电阻片或云纹片,其测量变形范围有限,给试件附加了粘贴片刚度,而且成本高,一次性使用;
(5)光电测试法 用CCD器件计量试件变形前后的厚度变化,分辨率为7μm,达不到横向变形测试精度1μm;
(6)光栅尺、光电引伸计和传统的镜式引伸计,传感器装夹重量大,目前只用于测定纵向变形。
以上(2)、(3)两种方法只能限于线弹性小变形条件,而且需研制专用设备,一般工厂试验室不易实现。对于处于粘弹态或橡胶态的软质试件,如固体火箭推进剂、泡沫塑料等,其泊松比往往是随时间变化的(从一个较小的初始值发展到较大的平衡值,所经历的时间谱可以是:从加载时的0.01s到长期贮存老化监测所要求的108s到10年之久)延用上述硬质材料的各种测试方法会有以下困难:
(1)必须消除引伸计自重及簧片夹持力对软质试件变形的附加影响,要求自重及夹持力影响在0.5N以下;
(2)要避免粘贴工艺给软试件带来的附加刚度;
(3)能测定104s以上的长时间变形值,二次仪表要稳定或不用二次仪表;也能自动采集和记录加载瞬间(0.01～10s)的初始材料性能;
(4)最好在同一试件上同时测出模量与泊松比;
(5)方法应不受线弹性小变形的限制,要适合于非金属试件的有限变形;
(6)最好能在工厂试验室的材料拉伸实验机上进行工作,技术上应简单可行;
(7)测试精度要高,易于标定,横向变形分辩率达微米左右,能给出三位泊松比有效数字。
我们对以上几个方面进行了研究,提出了一种在工厂试验室中可行的双激光杠杆/电测两用横向变形引伸计设计方案。
2 引伸计结构与测量机理
示意图见图1。
各部分的作用为:
(1)激光管,镜片M1、M2、M3构成双激光光路,激光准直代替了传统镜式引伸仪中的读数显微镜与标尺,更便于安装调试,M1配可转动和升降的微调支座。
(2)专用台架可放在拉伸试验机台面上,托住双激光杠杆引伸计的重量,使其不使试件发生附加变形,光杠杆架固定在台板上保证光路系统基本在水平面内运动;台面可靠螺旋升降,调节引伸计安装位置,可以配合各种材料试验机的试样高度。
(3)弓形电阻应变式弹簧片由磷青铜或钛合金等弹性材料制成,它一方面能保证光杠杆的基距及量程,使光杠杆两触点始终与试件表面轻微接触,控制最大量程下夹持力小于0.2～0.3N,防止夹持力过大产生附加变形,保证双光杠杆同步随动,消除试件装夹偏心所引起的横向刚体位移及微小弯曲变形;另一方面,在弹簧片上贴粘4个灵敏电阻应变片,形成一个弓形电阻应变位移传感器,配合二次仪表,可以自动采集加载瞬间(0.01～1000s)的位移,克服了光杠杆法难于自动采集短时数据的不足,在100～1000s后,可以从容地记下初始光斑坐标,关闭电测系统,用光测法长期监测试样的位移变化,弥补了电测系统长期漂移的不足;同时光测及电测系统可以互为标定。
(4)双激光杠杆引伸计的光学测试原理与传统的光学引伸计一样,两个触点应作成球面,使得试件横向刚体位移及微弯过程中触点间距不变;同时球面接触可使簧片对试件的夹持力均匀分布,进一步减少夹持力附加变形。初始触点间距在屏上计为A0B0(初始光斑距离);变形后屏幕上两光斑间距为A1B1,则按近似光杠杆公式有:
3 测量试验
我们在试验机上进行测试,测试结果曲线见图3。
使用该光杠杆的各参数的值为:L=6230mm,D=13mm,M=958,屏幕光斑间距测量误差为0.5mm,基距为1 0 mm ,量程为0 . 5 mm时的相对误差δ为0.21%,足以保证3位泊松比有效数字,适当调节L/D值容易使M>1000。用本装置测定固体推进剂粘弹性泊松比的曲线如图4所示,测试时已超过105s,还可更长。
4 本方法的优点
(1)放大倍数高,而且可调,易于误差分析,调整M>1000,可确保三位泊松比有效数字,这是许多电测引伸计,光力学方法难于达到的;
(2)可以采集从0.01s到达105s广谱时间范围内的位移数据,短时灵敏度高,长期稳定性好;
(3)制造成本低,可在工厂试验室试验机上工作,操作简单;
(4)无自重影响,夹持力可降到最低水平,对于软质、硬质试件皆可应用,对于大小变形皆可适用,不受线弹性条件的限制;
(5)如配合其他方法同时监测试样的纵向应变,则可在同一试件上同时测出弹性模量与泊松比,这对于监测非金属材料的老化损伤有重要意义。
5 光测的自动化实现方案
我们采用了计算机自动采集与处理电测数据,因为测量0.01s～10s内的数据,用人工记录是不可能的。而光测部分用不用自动化处理关系不大,作为工程技术研究还是有意义的,在此我们仅提出一种自动化实现方案。
用两个线阵CCD器件接收两反光镜的反射光,将光信号转化为电信号,用计算机采集后,光点位置可通过取光斑的中心位置得到,二者的相对移动就是横向位移。
参考文献
1 Tschoegl.N.W.Research Program on the Effert of Pressure on theMechaNIcal Propercies of Polymers.DE-85-002139,1985.
2 范风忠.光测小变形的理论分析.计量技术,1990;(2):4.
3 郝松林,权铁汉.加载速率对固体推进剂力学性能的影响.推进技术会议,1995.
本文作者：权铁汉 郝松林
