CN110567807B - 双悬臂梁-编码丝杆复合传感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悬臂梁‑编码丝杆复合传感拉伸试验方法及其试验机，包括主机、标准器、被测试件和微机数控单元。主机由双悬臂梁传感器、编码丝杆和驱动装置组成的力‑变形复合传感机构，双悬臂梁传感器由固定悬臂梁传感器和可动悬臂梁传感器组成，编码丝杆由传动丝杆和三态编码器组成。双悬臂梁传感器与编码丝杆配合，实现试件夹持、力传感和变形传感三项功能，并可测量试件尺寸。系统工作时，力‑变形复合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
技术领域
本设计为一种双悬臂梁-编码丝杆复合传感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，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，即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，这些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，除横梁变形外，试件夹具初始间隔确定(测量)方法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悬臂梁-编码丝杆复合传感拉伸试验方法及其试验机。
本设计的双悬臂梁-编码丝杆复合传感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(数据采集-分析-处理-控制单元)组成测试系统。
主机由基座、支板、力-变形复合传感机构、驱动装置和横截面尺寸测量定位支架组成。
基座为箱形结构，其顶板上表面为平面，在顶板中央位置装配有轴线沿竖直方向的滑动轴承，滑动轴承周围对称分布有四个螺纹孔。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台，该突台上加工有轴承孔，该轴承孔与基座顶板中央位置的滑动轴承共轴。支板的左侧边沿竖直方向加工有一条U形导向槽。
力-变形复合传感机构包括力传感机构和变形传感机构。力传感机构由传动丝杆和双悬臂梁传感器组成，变形传感机构由编码丝杆和双悬臂梁传感器组成。编码丝杆由传动丝杆和三态编码器组成。传动丝杆为力传感机构和变形传感机构所共用，双悬臂梁传感器也为力传感机构和变形传感机构所共用。传动丝杆的结构由上到下分为z1、z2、z3、z4四段，z1段为第一光轴，z2段为螺纹杆，z3段为凸起的台阶，z4段为第二光轴。传动丝杆通过第一光轴与轴承孔的配合、台阶的下端面与轴承的上端面的旋转滑动配合、第二光轴与滑动轴承的配合、挡盘与第二光轴的孔-轴过盈配合和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。双悬臂梁传感器由固定悬臂梁传感器和可动悬臂梁传感器组成。固定悬臂梁传感器包括变截面弹性梁、安装在变截面弹性梁自由端方向朝上的下部钳口、嵌装在下部钳口右侧向上突出的下夹持刃块、分别粘贴在悬臂梁根部附近上下两侧表面的单轴电阻应变计R1和R2以及根部圆孔。可动悬臂梁传感器包括变截面弹性梁、安装在变截面弹性梁自由端方向朝下的上部钳口、嵌装在下部钳口右侧向下突出的上夹持刃块、粘贴在悬臂梁根部附近下侧表面的两枚单轴电阻应变计R3和R5、粘贴在悬臂梁根部附近上侧表面的两枚单轴电阻应变计R4和R6、以过盈配合方式嵌装在悬臂梁根部的带内螺纹的传动螺母和圆柱形限位销钉。电阻应变计R1、R2、R3、R4、R5和R6的栅轴均与所在悬臂梁的轴线平行。固定悬臂梁传感器的根部与支板的左下部固定连结，同时传动丝杆穿过固定悬臂梁传感器根部的圆孔。传动丝杆与固定悬臂梁传感器根部的圆孔之间有一定的间隙，使二者不能相互接触。可动悬臂梁传感器通过嵌装在其根部的传动螺母与传动丝杆上螺纹杆的配合和嵌装在可动悬臂梁传感器根部的限位销钉与支板上U形导向槽的滑动配合安装在传动丝杆上。固定悬臂梁传感器和可动悬臂梁传感器处于对称位置，固定悬臂梁传感器的变截面弹性梁和可动悬臂梁传感器的变截面弹性梁，形状、尺寸和材料均相同。梁的横截面为矩形，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。下部钳口与上部钳口构造相同，位置对称。下部钳口由两个下L形夹持块和两枚下锁紧螺钉组成，上部钳口由两个上L形夹持块和两枚上锁紧螺钉组成。下L形夹持块的上端面与固定悬臂梁传感器的变截面弹性梁的上表面共面，上L形夹持块的下端面与可动悬臂梁传感器的变截面弹性梁的下表面共面。下夹持刃块和上夹持刃块是形状、尺寸相同的刚性圆柱体，二者的轴线与固定悬臂梁传感器和可动悬臂梁传感器的轴线平行。固定悬臂梁传感器的变截面弹性梁的前后两个侧面沿竖直方向刻有第一指示线和第二指示线，第一指示线位于下部钳口的下L形夹持块的中面内，第二指示线位于下夹持刃块的中面内。可动悬臂梁传感器的变截面弹性梁的前后两个侧面沿竖直方向刻有第三指示线和第四指示线，第三指示线位于上部钳口的上L形夹持块的中面内，并与第一指示线共线，第二指示线位于上夹持刃块的中面内，并与第二指示线共线。电阻应变计R1、R2、R3、R4组成一个全桥测量电路，称为位移-变形传感电路，该电路产生的应变信号用εrd表示。电阻应变计R3、R4、R5、R6组成一个全桥测量电路，称为力传感电路，该电路产生的应变信号用εrf表示。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。齿盘带有若干个圆弧齿，位于挡盘之下，共轴固定在传动丝杆的第二光轴上，齿盘的齿数取4的整数倍。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矩形通孔垂直联通的螺纹孔。传感器支架利用紧定螺栓和隔离套筒与光孔和螺纹孔的配合，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传感器支架上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[R7,R8]、[R9,R10]、[R11,R12]和[R13,R14]。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弯曲变形，称为预变形，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。这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中心。
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：
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，与传动丝杆上的第二光轴配合，驱动传动丝杆正、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[R7,R8]、[R9,R10]、[R11,R12]、[R13,R14]分别以半桥方式接入数控器，用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：用数控器控制传动丝杆和齿盘转动，应变读数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，应变读数分别完成一次循环。观察的变化，当刚好达到最小值εrmin时，停止齿盘的转动，调节数控器上电阻应变计[R7,R8]所在电桥的平衡电路，使之达到平衡状态，即重复前述动作，依次在 取得最小值εrmin时，调节电阻应变计[R9,R10]、[R11,R12]、[R13,R14]所在电桥的平衡电路，使按以上方法完成四个半桥测量电路的调整后，再驱动齿盘，则均在最小值0和一个最大值εrmax之间循环变化。最小值0对应于左三角形突棱或上三角形突棱或右三角形突棱或下三角形突棱处在正对相邻两圆弧齿之间的谷底位置，即对应于最小特征高度hmin；最大值εrmax对应于左三角形突棱或上三角形突棱或右三角形突棱或下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。以上调整三态编码器测量电路状态的方法，称为初始化四步调整法。
3)确定应变读数与齿盘旋转状态的关系：完成三态编码器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 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统称为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，即齿盘的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应变读数的三态值组合
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。
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。
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。连续变化的应变读数与三态值0、1/2和1配合，监测齿盘的旋转状态。
4)测定可动悬臂梁传感器的位移量：将可动悬臂梁传感器整到传动丝杆上的某一指定位置或任意位置，将该位置记作为可动悬臂梁传感器的位移原点，同时将齿盘的当前位置记作齿盘零位。使齿盘从零位开始转动，则可动悬臂梁传感器随之从位移原点起沿传动丝杆的轴线方向移动。可动悬臂梁传感器相对于位移原点的位移量S用公式(2)计算：
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nz,s与nz,n之差，定义为齿盘的有效转动齿数，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，可动悬臂梁传感器向下移动，nz和S的符号均取为“-”。齿盘逆时针转动时，可动悬臂梁传感器向上移动，nz和S的符号均取为“+”。
横截面尺寸测量定位支架包括两个带有V形槽的支座、两块压板和四枚锁紧螺栓。两个支座竖直安装在基座的顶板上部，分别位于固定悬臂梁传感器的两侧，且关于固定悬臂梁传感器的中面对称。支座的两个V形槽的槽口向上，二者处于共轴位置，V形槽的纵向对称面与下夹持刃块和上夹持刃块的中央截面重合。每块压板上加工有两个通孔，四枚锁紧螺栓分别穿过这四个通孔与支座顶部V形槽两边的螺纹孔配合。
标准器为一组标准规，数量用n表示，2≤n≤10。标准规的结构为三段台阶轴，台阶轴的中间段为标准圆柱，左段和右段为定位轴。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。d1，d2，…，dn也表示对应的标准规。各标准规左、右两段定位轴的直径d相等。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的算术平均值用表示。将任意一个标准规放入支座上的V形槽，旋紧四枚锁紧螺栓，两块压板产生的压力使该标准规定位在V形槽上。安装好的标准规，其轴线到基座顶板上表面的距离定义为标准规高度，用符号h0表示。h0与标准规、支座以及固定悬臂梁传感器三者的结构尺寸相互协调，满足特定关系：1.任一标准规在支座上的V形槽内定位时，位移-变形传感电路测得的应变值εrd在100με≤εrd≤150με范围内；2.标准规dn在支座上的V形槽内定位时，固定悬臂梁传感器弹性体的最大弯曲正应力不超过弹性体材料的比例极限。
被测试件为金属细丝、高分子材料、织物纤维、动物纤维以及其它纤维材料的拉伸试样，也可以是压缩试样。
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，内置测量软件，测量软件中含有力标定-测量程序、变形标定-测量程序、直径标定-测量程序。
双悬臂梁-编码丝杆复合传感拉伸试验方法及其试验机的试验过程，包括试验机系统标定、试样尺寸测量和拉伸试验，操作步骤如下：
1)试验机位移基准点调整：将电阻应变计R1、R2、R3、R4组成的位移-变形传感电路和电阻应变计[R7,R8]、[R9,R10]、[R11,R12]、[R13,R14]组成的四个半桥测量电路分别接入数控器。将位移-变形传感电路调整到平衡状态，即设定其输出信号εrd＝0。按前述初始化四步调整法对三态编码器进行调整。用数控器控制可动悬臂梁传感器向固定悬臂梁传感器靠近，当上夹持刃块与下夹持刃块发生接触并且由位移-变形传感电路测得的应变值εrd为规定值时，可动悬臂梁传感器停止移动。规定值在0～10με范围内取值，例如取将齿盘的当前位置记作齿盘零位，此时可动悬臂梁传感器的位置定义为位移零点，用P0表示，P0是试验机位移测量的基准点。可动悬臂梁传感器在P0位置时，上部钳口与下部钳口的间距l达到最小，记作lmin，lmin的值用式(3)表示：
lmin＝2u (3)
式(3)中，u表示上夹持刃块突出于可动悬臂梁传感器下表面的高度，也表示下夹持刃块突出于固定悬臂梁传感器上表面的高度。
2)测力系统标定：将电阻应变计R3、R4、R5、R6组成的力传感电路接入数控器。调整可动悬臂梁传感器至适当高度，利用可动悬臂梁传感器上的上部钳口悬挂标准砝码，给可动悬臂梁传感器施加标准力F1，F2，…，FN，或者采用标准负荷传感器，利用可动悬臂梁传感器上的上部钳口和固定给可动悬臂梁传感器上的下部钳口夹持标准负荷传感器，由标准负荷传感器给可动悬臂梁传感器施加标准力F1，F2，…，FN。各标准力的大小关系为F1<F2<，…，<FN，标准力的作用线与第一指示线和第三指示线对齐。由数控器记下与标准力F1，F2，…，FN对应的应变读数 为标定数，用线性拟合方法得出力F与数控器应变读数εrf的函数关系，即载荷计算公式
式(d4)中，A1和B1是常数，分别用公式(5)和(6)计算：
式(5)和(6)中，N表示标准力的序数，Fi表示不同序数标准力的力值，表示与力Fi对应的应变读数，即标定数
3)直径测量系统标定：调整可动悬臂梁传感器至适当高度，将标准规d1安装好，此时位移-变形传感电路测得的应变信号记为使可动悬臂梁传感器向下移动，当上夹持刃块与标准器d1接触并且位移-变形传感电路测得的应变信号时，停止移动可动悬臂梁传感器，将其当前位置定义为直径测量指示位，用符号Pd表示，同时记下齿盘的当前位置，该位置定义为齿盘的直径测量指示点。抬升可动悬臂梁传感器至适当高度，用标准规d2替换标准规d1，再次将可动悬臂梁传感器调整到直径测量指示位Pd，记下位移-变形传感电路当前的应变信号依次用标准规d3…，dn重复完成前述动作，得到应变信号以为标定数，用线性拟合方法给出直径值d与应变读数εrd的函数关系，即直径计算公式
式(7)中，A2和B2是常数，分别用公式(8)和(9)计算：
式(8)和(9)中，n表示标准规dn的个数，di表示不同直径标准圆柱体的直径值，表示与直径值di对应的应变读数，即标定数在标定数 中，与基准圆柱d0对应的标定数定义为基准应变示数，用符号表示。
4)变形测量系统标定：调整可动悬臂梁传感器至适当高度，将标准规d1水平放入可动悬臂梁传感器上的上部钳口和固定悬臂梁传感器上的下部钳口之间，并使标准规d1的轴线与第一指示线和第三标线对齐。控制可动悬臂梁传感器向固定悬臂梁传感器移动，使二者夹持标准规d1，当位移-变形传感电路测得的应变信号或时，停止移动可动悬臂梁传感器，将当前的应变信号εrd记为此时可动悬臂梁传感器的位置定义为变形测量指示位，用符号Pb表示，记下齿盘的当前位置，该位置定义为齿盘的变形测量指示点。抬升可动悬臂梁传感器至适当高度，用标准规d2替换标准规d1，再次将可动悬臂梁传感器调整到变形测量指示位Pb，记下位移-变形传感电路当前的应变信号依次用标准规d3…，dn重复完成前述动作，由位移-变形传感电路得到应变信号可动悬臂梁传感器和固定悬臂梁传感器夹持标准规dn时，可动悬臂梁传感器的上部钳口和固定悬臂梁传感器的下部钳口的间距相对于二者的自然间距发生变化，上部钳口和下部钳口在第一指示线和第三标线位置的间距定义为钳口形变间距，用符号vx表示。以为标定数，用线性拟合方法给出形变间距vx与位移-变形传感电路应变信号εrd的函数关系，即公式(10)：
式(10)中，A3和B3是常数，分别用公式(11)和(12)计算：
式(11)和(12)中，di表示不同直径标准圆柱体的直径，表示与di对应的应变读数，即标定数
5)被测试件直径测量：将可动悬臂梁传感器调整至适当高度，将被测试件水平放入固定悬臂梁传感器和可动悬臂梁传感器之间，并使其轴线与第二指示线和第四指示线对齐。控制可动悬臂梁传感器向固定悬臂梁传感器移动，使上夹持刃块与下夹持刃块夹持被测试件，当位移-变形传感电路测得的应变信号或时，记下可动悬臂梁传感器相对于直径测量指示位Pd的位移量s。用公式(13)计算被测试件(13)的直径：
式(13)中，s是代数量，可动悬臂梁传感器向直径测量指示位Pd的上方移动时，s的符号取为“+”；可动悬臂梁传感器向直径测量指示位的下方移动时，s的符号取为“-”。
6)拉伸试验：
a.安装试件：根据被测试件(13)的长度调整加载臂间距l，将被测试件(13)放入可动悬臂梁传感器(15)的上部钳口和固定悬臂梁传感器(6)上的下部钳口，并使其轴线与第一指示线(45)和第三指示线(47)对齐，旋紧紧定螺钉(14)和(7)，上部钳口和下部钳口同时将被测试件(13)夹紧；安装好的被测试件(13)，其位于上部钳口和下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：用数控器调整可动悬臂梁传感器作微幅升降，使被测试件所受载荷为零，即试验力F＝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(14)计算：
l0＝lmin+S0＝2u+S0 (14)
式(14)中，S0表示F＝0时，可动悬臂梁传感器相对于位移零点P0的位移量，S0按公式(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，变化的l值用公式(15)计算：
式(15)中，S是可动悬臂梁传感器相对于位移零点P0的位移量，按公式(2)计算。
c.加载试验：由数控器设定加载速度，即可动悬臂梁传感器的移动速度，对被测试件施加拉伸载荷。数控器同步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，即由公式(4)实时给出被测试件受到的力F，公式(15)实时给出被测试件(13)的试验段长度l。用F和l的实时数据绘制F-l关系曲线，即被测试件的拉伸试验曲线。
本设计具有以下特点：
1、用双悬臂梁传感器与编码丝杆组成测试系统。在本设计中，试验机主机的核心部分是由双悬臂梁传感器和编码丝杆组成的力-变形复合传感机构，并且力和变形测量共同采用电阻应变计做为敏感元件，这一机构同时具备试件夹持、加载、载荷测量、位移测量和变形测量功能，还可以测量试件的原始截面尺寸。一体化复合传感结构设计，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。
本设计通过编码丝杆调整双悬臂梁传感器的间距测量直径，可测尺寸的上限由可动悬臂梁传感器的移程决定，而理论下限为0，因为可以将上下两个夹持刃块调整到相互接触。因此，将本设计用于尺寸测量，可以获得0至数百毫米的测量范围。适当匹配双悬臂梁传感器和编码丝杆的位移分辨力，可以使本设计测量尺寸的分辨力≤0.2微米。
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，本设计的试验机采用双悬臂梁对试件加载，固定悬臂梁(下加载臂)和可动悬臂梁(上加载臂)均为弹性元件，在加载过程中要发生一定的弯曲变形，因此是一种柔性加载方式。由于悬臂梁加载具有柔性性质，在试验过程中当可动悬臂梁移动速度发生突然改变时，悬臂梁传感器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、测量具有柔性性质。用本设计的测量试件直径，当双悬臂梁传感器的上下两个夹持刃块均与被测试件接触后，数控器即进入有效显示状态。在有效显示状态下，调整可动悬臂梁传感器的位置，使应变读数εrd在基准应变示数附近变化，则可以看到，虽然εrd和可动悬臂梁传感器相对于直径测量指示位Pd的位移量s这两个量都在变化，但是由公式(13)给出的直径值d保持不变。这个现象称为柔性等差输出，是双悬臂梁传感器与编码丝杆组合机构所具有的一个重要性质。
本设计的变形测量同样具有柔性等差输出性质，即在对被测试件进行加载测试的过程中，固定悬臂梁传感器和可动悬臂梁传感器的弯曲变形总是与可动悬臂梁传感器的位移保持协调，使得应变读数εrd、可动悬臂梁传感器位移S和被测试件试验段长度l三者时刻满足式(15)的关系。变形测量的柔性等差输出性质与上述加载柔性性质结合，可以为材料性能测试分析、了解材料的力学行为，创造刚性加载试验机不能提供的实验条件。
4、用标准器标定法保证变形测试精度。双悬臂梁-编码丝杆复合传感的结构形式及所具有的其柔性性质，使整个变形测试系统可以用标准器进行标定，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。由公式和(15)可以看出，被测试件试验段长度l包含可动悬臂梁传感器位移S和钳口形变间距vx两个分量。因此，被测试件试验段长度l的测试误差由S和vx的测试误差共同决定，这说明公式和(15)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双悬臂梁传感器和编码丝杆两个基本测量单元组合而成。编码丝杆的主要功能部件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。本设计的变形测量系统校准(标定)是一个二元基准传递过程，即丝杆副长度基准传递和双悬臂梁传感器长度基准传递。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，就可以保证全量程尺寸测量和变形测量的准确性。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是横截面尺寸测量定位支架构造简图；
图4是标准器构造简图；
图5是双悬臂梁传感器直径测量和变形测量电桥电路示意图；
图6是可动悬臂梁传感器载荷测量电桥电路示意图；
图7是三态编码器的测量电路示意图，其中(a)是电阻应变计[R7,R8]半桥电路图，(b)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，(e)是电阻应变计[R13,R14]半桥电路图；
图8是折梁结构的悬臂梁传感器示意图，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.台阶，6.固定悬臂梁传感器，7.下锁紧螺钉，8.压板，9.支座，10.下夹持刃块，11.根部圆孔，12.上夹持刃块，13.被测试件，14.上锁紧螺钉，15.可动悬臂梁传感器，16.传动丝杆，17.轴承孔，18.支板，19.U形导向槽，20.传动螺母，21.圆柱形限位销钉，22.上L形夹持块，23.下L形夹持块，24.螺纹孔，25.隔离套筒，26.光孔，27.三态编码器，28.紧定螺栓，29.齿盘，30.左上悬臂梁传感器，31.驱动装置，32.左三角形突棱，33.上三角形突棱，34.右上悬臂梁传感器，35.螺纹孔，36.紧定螺钉，37.矩形通孔，38.圆弧齿，39.右下悬臂梁传感器，40.右三角形突棱，41.下三角形突棱，42.左下悬臂梁传感器，43.锁紧螺栓，44.螺纹孔，45.第一指示线，46.第二指示线，47.第三指示线，48.第四指示线，49.第一光轴，50.第二光轴，51.螺纹杆，52.长直梁，53.短直梁，54.转折节，55.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7，双悬臂梁-编码丝杆复合传感拉伸试验方法及其试验机，由主ZJ、标准器0、被测试件13和数控器组成测试系统。
主机ZJ由基座1、支板18、力-变形复合传感机构、驱动装置31和横截面尺寸测量定位支架组成。
基座1为箱形结构，其顶板上表面为平面，在顶板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螺纹孔24。支板18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18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18顶部有一伸向左侧的水平突台，该突台上加工有轴承孔17，轴承孔17的轴线与滑动轴承4的轴线重合。支板18的左侧边沿竖直方向加工有一条U形导向槽19。
力-变形复合传感机构包括力传感机构和变形传感机构，力传感机构由传动丝杆16和双悬臂梁传感器组成，变形传感机构由编码丝杆和双悬臂梁传感器组成，编码丝杆由传动丝杆16和三态编码器27组成。
传动丝杆16为力传感机构和变形传感机构所共用，双悬臂梁传感器也为力传感机构和变形传感机构所共用。传动丝杆16的结构由上到下分为z1、z2、z3、z4四段，z1段为第一光轴49，z2段为螺纹杆51，z3段为凸起的台阶5，z4段为第二光轴50。传动丝杆16通过第一光轴49与轴承孔17的配合、台阶5的下端面与轴承4的上端面的旋转滑动配合、第二光轴50与滑动轴承4的配合、挡盘3与第二光轴50的孔-轴过盈配合和挡盘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。
双悬臂梁传感器由固定悬臂梁传感器6和可动悬臂梁传感器15组成。固定悬臂梁传感器6的结构包括变截面弹性梁、安装在变截面弹性梁自由端方向朝上的下部钳口、嵌装在下部钳口右侧向上突出的下夹持刃块10、分别粘贴在悬臂梁根部附近上下两侧表面的单轴电阻应变计R1和R2以及根部圆孔11。可动悬臂梁传感器15的结构包括变截面弹性梁、安装在变截面弹性梁自由端方向朝下的上部钳口、嵌装在下部钳口右侧向下突出的上夹持刃块12、粘贴在悬臂梁根部附近下侧表面的两枚单轴电阻应变计R3和R5、粘贴在悬臂梁根部附近上侧表面的两枚单轴电阻应变计R4和R6、以过盈配合方式嵌装在悬臂梁根部的带内螺纹的传动螺母20和圆柱形限位销钉21。电阻应变计R1、R2、R3、R4、R5和R6的栅轴均与所在悬臂梁的轴线平行。固定悬臂梁传感器6的根部与支板18的左下部固定连结，同时传动丝杆16穿过固定悬臂梁传感器6根部的圆孔11。传动丝杆16与圆孔11之间有一定的间隙，使二者不能相互接触。可动悬臂梁传感器15通过传动螺母20与螺纹杆51的配合和限位销钉21与支板18上U形导向槽19的滑动配合安装在传动丝杆16上。传动螺母20与螺纹杆51的配合副采取消间隙措施，理论上认为该配合副的配合间隙为零，因此在x-y平面内，可动悬臂梁传感器15的右侧可视为以螺纹杆51为固定支座的固定端。固定悬臂梁传感器6和可动悬臂梁传感器15处于对称位置。固定悬臂梁传感器6的变截面弹性体和可动悬臂梁传感器15的变截面弹性体，形状、尺寸和材料均相同，弹性体的横截面为矩形，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。下部钳口与上部钳口构造相同，位置对称，下部钳口由两个下L形夹持块23和两枚下锁紧螺钉7组成，上部钳口由两个上L形夹持块22和两枚上锁紧螺钉14组成。下L形夹持块23的上端面与固定悬臂梁传感器6的变截面弹性梁的上表面共面，上L形夹持块22的下端面与可动悬臂梁传感器15的变截面弹性梁的下表面共面。下夹持刃块10和上夹持刃块12是形状、尺寸相同的刚性圆柱体，二者的轴线与固定悬臂梁传感器6和可动悬臂梁传感器15的轴线平行。固定悬臂梁传感器6的变截面弹性梁的前后两个侧面沿竖直方向刻有第一指示线45和第二指示线46，第一指示线45位于下部钳口的下L形夹持块23的中面内，第二指示线46位于下夹持刃块10的中面内。可动悬臂梁传感器15的变截面弹性梁的前后两个侧面沿竖直方向刻有第三指示线47和第四指示线48，第三指示线47位于上部钳口的上L形夹持块22的中面内，并与第一指示线45共线，第二指示线48位于上夹持刃块12的中面内，并与第二指示线46共线。
固定悬臂梁传感器6和可动悬臂梁传感器15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，试件偏离轴向受力的理想状态。为了克服这一有害现象，两悬臂梁传感器的弹性体可以采用折梁结构。图8所示是一种鱼钩形折梁，其结构可以分为长直梁52、短直梁53、转折节54和试件夹具55。长直梁52的右端为固定端，相当于图1中固定悬臂梁传感器6右侧(或可动悬臂梁传感器15右侧)在x-y平面内简化成的固定端。转折节54部分的截面尺寸较大，可以视为刚节点。试件夹具55既表示拉伸夹具，也表示压缩夹具(压头)。设长直梁52与短直梁53在x-y平面内的弯曲刚度相等，试验力F的作用线与试件夹具55的竖直对称线t重合，则当长直梁52长度L和短直梁53的长度l满足条件时，折梁在载荷F作用线位置的截面转角θ＝0。θ＝0，表示试验过程中试件夹具55在x-y平面内不会产生偏转。
电阻应变计R1、R2、R3、R4组成一个全桥测量电路，称为位移-变形传感电路，该电路产生的应变信号用εrd表示。电阻应变计R3、R4、R5、R6组成一个全桥测量电路，称为力传感电路，该电路产生的应变信号用εrf表示。
三态编码器27由齿盘29、传感器支架2和左上悬臂梁传感器30、右上悬臂梁传感器34、左下悬臂梁传感器42、右下悬臂梁传感器39组成。齿盘29带有圆弧齿38，位于挡盘下方，共轴固定在传动丝杆16的第二光轴50上，齿盘的齿数取4的整数倍，例如128、180、360、1024。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26，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37和一个与矩形通孔37垂直联通的螺纹孔35。传感器支架2利用紧定螺栓28和隔离套筒25与光孔26和螺纹孔24的配合，固定在基座1顶板下方，并且将齿盘29围在中间。左上悬臂梁传感器30、右上悬臂梁传感器34、左下悬臂梁传感器42、右下悬臂梁传感器39采用等截面弹性梁或变截面弹性体，四个弹性体分别通过其根部与矩形通孔37的配合和紧定螺钉36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。四个弹性体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[R7,R8]、[R9,R10]、[R11,R12]和[R13,R14]。四个弹性体在靠近自由端处朝向齿盘29一侧分别加工有左三角形突棱32、上三角形突棱33、下三角形突棱41、右三角形突棱40。装配好的四个悬臂梁传感器的弹性体均有一定量的弯曲变形，称为预变形，预变形产生的弹性压力使左三角形突棱32、上三角形突棱33、下三角形突棱41、右三角形突棱40的棱顶分别与齿盘29周边的圆弧齿38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38和正下方圆弧齿38的中心，同时齿盘29的水平对称线刚好通过最左端圆弧齿38和最右端圆弧齿38的中心。
b.此时右三角形突棱40位于齿盘29水平对称线和最右端圆弧齿38的上侧，并且刚好对准相邻两圆弧齿38之间的谷底。左三角形突棱32位于齿盘29的水平对称线上，刚好与最左端圆弧齿38的顶点接触。上三角形突棱33和下三角形突棱41均位于齿盘29纵向对称线的右侧，分别与正上方圆弧齿38的右侧和正下方圆弧齿38的右侧接触。右三角形突棱40到齿盘29纵向对称线的距离用hmin表示，左三角形突棱32到齿盘29纵向对称线的距离用hmax表示，上三角形突棱33与正上方圆弧齿38接触点到齿盘29水平对称线的距离和与之相等的下三角形突棱41与正下方圆弧齿38接触点到齿盘29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：
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31为电动机带动的蜗轮-蜗杆机构或齿轮-齿带机构，与传动丝杆16上的第一光轴50配合，驱动传动丝杆16正、反向转动。
编码丝杆按以下方式工作：
1)三态编码器27测量电路连接：将电阻应变计[R7,R8]、[R9,R10]、[R11,R12]、[R13,R14]分别以半桥方式接入数控器，用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27测量电路初始化调整：用数控器控制齿盘29转动，应变读数 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29上相邻两个圆弧齿38的齿顶间距。齿盘29每转过一个齿，即一个周期T，应变读数分别完成一次循环。观察的变化，当刚好达到最小值εrmin时，停止齿盘29的转动，调节数控器上电阻应变计[R7,R8]所在电桥的平衡电路，使之达到平衡状态，即重复前述动作，依次在 取得最小值εrmin时，调节电阻应变计[R9,R10]、[R11,R12]、[R13,R14]所在电桥的平衡电路，使按以上方法完成四个半桥测量电路的调整后，再驱动齿盘29转动，则均在最小值0和一个最大值εrmax之间循环变化，最小值0对应于三角形突棱32或33或40或41处在正对相邻两圆弧齿38之间的谷底位置，即对应于最小特征高度hmin；最大值εrmax对应于三角形突棱32或33或40或41处在与圆弧齿38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27测量电路状态的方法，称为初始化四步调整法。
3)确定应变读数与齿盘29旋转状态的关系：完成三态编码器27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29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29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应变读数的三态值组合
表2齿盘29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。
表中“↑”表示三态值增大，“↓”表示三态值减小
表3齿盘29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。
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29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29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。连续变化的应变读数与三态值0、1/2和1配合，用于监测齿盘29的旋转状态。
4)测定可动悬臂梁传感器15的位移量：将可动悬臂梁传感器15整到传动丝杆16上的某一指定位置或任意位置，将该位置记作为可动悬臂梁传感器15的位移原点，同时将齿盘29的当前位置记作齿盘零位。使齿盘29从齿盘零位开始转动，则可动悬臂梁传感器15随之从位移原点起沿传动丝杆16的轴线移动。可动悬臂梁传感器15相对于位移原点的位移量S用公式(2)计算：
式(2)中，t表示传动丝杆16的导程，Nc表示齿盘29的齿数，nz,s表示齿盘29自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nz,s与nz,n之差，定义为齿盘29的有效转动齿数；nz,s、nz,n和nz也称为齿盘转动参数。nz和S是代数量，齿盘29顺时针转动时，可动悬臂梁传感器15向下移动，nz和S的符号均取为“-”。齿盘29逆时针转动时，可动悬臂梁传感器15向上移动，nz和S的符号均取为“+”。
横截面尺寸测量定位支架包括两个带有V形槽的支座9、两块压板8和四枚锁紧螺栓43。两个支座9竖直安装在基座1的顶板上部，分别位于固定悬臂梁传感器6的两侧，且关于固定悬臂梁传感器6的中面对称。支座9的两个V形槽的槽口向上，二者处于共轴位置，V形槽的纵向对称面与下夹持刃块10和上夹持刃块12的中央截面重合。每块压板8上加工有两个通孔，四枚锁紧螺栓43分别穿过这四个通孔与支座9顶部V形槽两边的螺纹孔44配合。
标准器0为一组标准规，数量用n表示，2≤n≤10。一般取n＝6，或n＝7。标准规的结构为三段台阶轴，台阶轴的中间段为标准圆柱，左段和右段为用于定位的光轴。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。d1，d2，…，dn也表示对应的标准规。各标准规左、右两段光轴的直径d相等。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的算术平均值用表示；将任意一个标准规放入支座9上的V形槽，旋紧四枚锁紧螺栓43，两块压板8产生的压力使该标准规定位在横截面尺寸测量定位支架上。安装好的标准规，其轴线到基座1顶板上表面的距离定义为标准规高度，用符号h0表示。设计横截面尺寸测量定位支架时，应使h0与标准规、支座9以及固定悬臂梁传感器6三者的结构尺寸相互协调以满足关系：1.任一标准规在支座9上的V形槽内定位时，位移-变形传感电路测得的应变值εrd在100με≤εrd≤150με范围内；2.标准规dn在支座9上的V形槽内定位时，固定悬臂梁传感器6弹性体的最大弯曲正应力不超过弹性体材料的比例极限。
被测试件13为圆截面金属细丝或人造纤维、植物纤维、动物纤维、光纤等其它材料，也可以是截面尺寸较大的塑料和橡胶等低模量拉伸试试件。
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，内置测量软件。测量软件中含有力标定-测量程序、变形标定-测量程序、直径标定-测量程序。测量软件中各程序单元的算法设计，按前述表1、表2、表3、公式(1)、公式(2)和以下关于试验方法的说明及公式(3)～公式(15)进行。
双悬臂梁-编码丝杆复合传感拉伸试验方法及其试验机的试验过程，包括试验机系统标定、试样尺寸测量和拉伸试验，操作步骤如下：
1)试验机位移基准点调整：将电阻应变计R1、R2、R3、R4组成的位移-变形传感电路和电阻应变计[R7,R8]、[R9,R10]、[R11,R12]、[R13,R14]组成的四个半桥测量电路分别接入数控器。将位移-变形传感电路调整到平衡状态，即设定其输出信号εrd＝0。按前述初始化四步调整法对三态编码器27进行调整。用数控器控制可动悬臂梁传感器15向固定悬臂梁传感器6靠近，当上夹持刃块12与下夹持刃块10发生接触并且由位移-变形传感电路测得的应变值εrd为规定值时，停止可动悬臂梁传感器15的移动。规定值为一个微小的应变值，一般在0～10με范围内取值，例如取将齿盘29的当前位置记作齿盘零位，此时可动悬臂梁传感器15的位置定义为位移零点，用P0表示，P0是试验机位移测量的基准点。可动悬臂梁传感器15在P0位置时，上部钳口与下部钳口的间距l达到最小，记作lmin，lmin值用式(3)表示：
lmin＝2u (3)
式(3)中，u表示上夹持刃块12突出于可动悬臂梁传感器15下表面的高度，也表示下夹持刃块10突出于固定悬臂梁传感器6上表面的高度。
2)测力系统标定：将电阻应变计R3、R4与电阻应变计R5、R6组成的力传感电路接入数控器。调整可动悬臂梁传感器15至适当高度，利用可动悬臂梁传感器15上的上部钳口悬挂标准砝码，给可动悬臂梁传感器15施加标准力F1，F2，…，FN，或者采用标准负荷传感器，利用可动悬臂梁传感器15上的上部钳口和固定给可动悬臂梁传感器6上的下部钳口夹持标准负荷传感器，由标准负荷传感器给可动悬臂梁传感器15施加标准力F1，F2，…，FN。各标准力的大小关系为F1<F2<，…，<FN，标准力的作用线与第一指示线45和第三指示线47对齐。由数控器记下与标准力F1，F2，…，FN对应的应变读数 以为标定数，用线性拟合方法得出力F与数控器应变读数εrf的函数关系，即载荷计算公式：
式(4)中，A1和B1是常数，分别用公式(5)和(6)计算：
式(5)和(6)中，N表示标准力的序数，Fi表示不同序数标准力的力值，表示与力Fi对应的应变读数，即标定数
3)直径测量系统标定：调整可动悬臂梁传感器15至适当高度，将标准规d1安装在横截面尺寸测量定位支架上，此时位移-变形传感电路测得的应变信号记为使可动悬臂梁传感器15向下移动，当上夹持刃块12与标准器d1接触并且位移-变形传感电路测得的应变信号时，停止可动悬臂梁传感器15的移动，将其当前位置定义为直径测量指示位，用符号Pd表示，同时记下齿盘29的当前位置，该位置定义为齿盘29的直径测量指示点。抬升可动悬臂梁传感器15至适当高度，用标准规d2替换标准规d1，再次将可动悬臂梁传感器15调整到直径测量指示位Pd，记下位移-变形传感电路当前的应变信号依次用标准规d3…，dn重复完成前述动作，得到应变信号 以为标定数，用线性拟合方法给出直径值d与应变读数εrd的函数关系，即直径计算公式：
式(7)中，A2和B2是常数，分别用公式(8)和(9)计算：
式(8)和(9)中，n表示标准规dn的个数，di表示不同直径标准圆柱体的直径值，表示与直径值di对应的应变读数，即标定数在标定数 中，与基准圆柱d0对应的标定数定义为基准应变示数，用符号表示。
4)变形测量系统标定：调整可动悬臂梁传感器15至适当高度，将标准规d1水平放入可动悬臂梁传感器15的上部钳口和固定悬臂梁传感器6上的下部钳口之间，并使标准规d1的轴线与第一指示线45和第三标线47对齐。控制可动悬臂梁传感器15向固定悬臂梁传感器6移动，使二者夹持标准规d1，当位移-变形传感电路测得的应变信号或时，停止可动悬臂梁传感器15的移动，将当前的应变信号εrd记为此时可动悬臂梁传感器15的位置定义为变形测量指示位，用符号Pb表示。记下齿盘29的当前位置，该位置定义为齿盘29的变形测量指示点。抬升可动悬臂梁传感器15至适当高度，用标准规d2替换标准规d1，再次将可动悬臂梁传感器15调整到变形测量指示位Pb，记下位移-变形传感电路当前的应变信号依次用标准规d3…，dn重复完成前述动作，由位移-变形传感电路得到应变信号可动悬臂梁传感器15和固定悬臂梁传感器6夹持标准规dn时，可动悬臂梁传感器15的上部钳口和固定悬臂梁传感器6的下部钳口的间距相对于二者的自然间距发生变化，上部钳口和下部钳口在第一指示线45和第三标线47位置的间距变化定义为钳口形变间距，用符号vx表示。以为标定数，用线性拟合方法给出形变间距vx与位移-变形传感电路应变信号εrd的函数关系，即公式(10)：
式(10)中，A3和B3是常数，分别用公式(11)和(12)计算：
式(11)和(12)中，di表示不同直径标准圆柱体的直径，表示与di对应的应变读数，即标定数
5)试件直径测量：将可动悬臂梁传感器15调整至适当高度，将被测试件13水平放入固定悬臂梁传感器6和可动悬臂梁传感器15之间，并使其轴线与第二指示线46和第四指示线48对齐。控制可动悬臂梁传感器15向固定悬臂梁传感器6移动，让上夹持刃块12与下夹持刃块10夹持被测试件13，当位移-变形传感电路测得的应变信号或时，记下可动悬臂梁传感器15相对于直径测量指示位Pd的位移量s。用公式(13)计算被测试件13的直径：
式(13)中，s是代数量，可动悬臂梁传感器15向直径测量指示位的上方移动时，s的符号取为“+”，可动悬臂梁传感器15向直径测量指示位的下方移动时，s的符号取为“-”。
6)拉伸试验：
a.安装试件：根据被测试件13的长度调整加载臂间距l，将被测试件13放入可动悬臂梁传感器15的上部钳口和固定悬臂梁传感器6的下部钳口，并使其轴线与第一指示线45和第三指示线47对齐，旋紧紧定螺钉14和7，上部钳口和下部钳口同时将被测试件13夹紧。安装好的被测试件13，其位于上部钳口和下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：用数控器调整可动悬臂梁传感器15作微幅升降，使被测试件13所受载荷为零，即试验力F＝0。F＝0时，被测试件13试验段的长度定义为原始长度，用l0表示。l0按公式(14)计算：
l0＝lmin+S0＝2u+S0 (14)
式(14)中，S0表示F＝0时，可动悬臂梁传感器15相对于位移零点P0的位移量，S0按公式2计算；被测试件13受到载荷作用时，试验段长度l连续变化，变化的l值用公式(15)计算：
式(15)中，S是可动悬臂梁传感器15相对于位移零点P0的位移量，按公式(2)计算。
c.加载试验：由数控器设定加载速度，即可动悬臂梁传感器15的移动速度，对被测试件13施加拉伸载荷。数控器同步跟踪记录被测试件13所受载荷F的变化和试验段长度l的变化，即由公式(4)实时给出被测试件13受到的力F，由公式(15)实时给出被测试件13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13的拉伸试验曲线。
Claims (1)
1.双悬臂梁-编码丝杆复合传感拉伸试验机，其特征是：由主机(ZJ)、标准器(0)、被测试件(13)和数控器组成测试系统；
主机(ZJ)由基座(1)、支板(18)、力-变形复合传感机构、驱动装置(31)和横截面尺寸测量定位支架组成；
基座(1)为箱形结构，其顶板上表面为平面，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(24)；支板(18)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(18)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(18)顶部有一伸向左侧的水平突台，该突台上加工有轴承孔(17)，轴承孔(17)的轴线与滑动轴承(4)的轴线重合；支板(18)的左侧边沿竖直方向加工有一条U形导向槽(19)；
力-变形复合传感机构包括力传感机构和变形传感机构，力传感机构由传动丝杆(16)和双悬臂梁传感器组成，变形传感机构由编码丝杆和双悬臂梁传感器组成，编码丝杆由传动丝杆(16)和三态编码器(27)组成；传动丝杆(16)为力传感机构和变形传感机构所共用，双悬臂梁传感器也为力传感机构和变形传感机构所共用；传动丝杆(16)的结构由上到下分为z1、z2、z3、z4四段，z1段为第一光轴(49)，z2段为螺纹杆(51)，z3段为凸起的台阶(5)，z4段为第二光轴(50)；传动丝杆(16)通过第一光轴(49)与轴承孔(17)的配合、台阶(5)的下端面与滑动轴承(4)的上端面的旋转滑动配合、第二光轴(50)与滑动轴承(4)的配合、挡盘(3)与第二光轴(50)的孔-轴过盈配合和挡盘(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；双悬臂梁传感器由固定悬臂梁传感器(6)和可动悬臂梁传感器(15)组成，固定悬臂梁传感器(6)的结构包括变截面弹性梁、安装在变截面弹性梁自由端方向朝上的下部钳口、嵌装在下部钳口右侧向上突出的下夹持刃块(10)、分别粘贴在悬臂梁根部附近上下两侧表面的单轴电阻应变计R1和R2以及根部圆孔(11)；可动悬臂梁传感器(15)的结构包括变截面弹性梁、安装在变截面弹性梁自由端方向朝下的上部钳口、嵌装在下部钳口右侧向下突出的上夹持刃块(12)、粘贴在悬臂梁根部附近下侧表面的两枚单轴电阻应变计R3和R5、粘贴在悬臂梁根部附近上侧表面的两枚单轴电阻应变计R4和R6以过盈配合方式嵌装在悬臂梁根部的带内螺纹的传动螺母(20)和圆柱形限位销钉(21)；电阻应变计R1、R2、R3、R4、R5和R6的栅轴均与所在悬臂梁的轴线平行；固定悬臂梁传感器(6)的根部与支板(18)的左下部固定连结，同时传动丝杆(16)穿过固定悬臂梁传感器(6)根部的圆孔(11)，传动丝杆(16)与圆孔(11)之间有一定的间隙，二者不能相互接触；可动悬臂梁传感器(15)通过传动螺母(20)与螺纹杆(51)的配合和限位销钉(21)与支板(18)上U形导向槽(19)的滑动配合安装在传动丝杆(16)上；固定悬臂梁传感器(6)和可动悬臂梁传感器(15)处于对称位置，固定悬臂梁传感器(6)的变截面弹性梁和可动悬臂梁传感器(15)的变截面弹性梁，形状、尺寸和材料均相同，梁的横截面为矩形，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；下部钳口与上部钳口构造相同，位置对称，下部钳口由两个下L形夹持块(23)和两枚下锁紧螺钉(7)组成，上部钳口由两个上L形夹持块(22)和两枚上锁紧螺钉(14)组成；下L形夹持块(23)的上端面与固定悬臂梁传感器(6)的变截面弹性梁的上表面共面，上L形夹持块(22)的下端面与可动悬臂梁传感器(15)的变截面弹性梁的下表面共面；固定悬臂梁传感器(6)的上表面与可动悬臂梁传感器的下表面之间的距离l，称为加载臂间距；下夹持刃块(10)和上夹持刃块(12)是形状、尺寸相同的刚性圆柱体，二者的轴线与固定悬臂梁传感器(6)和可动悬臂梁传感器(15)的轴线平行；固定悬臂梁传感器(6)的变截面弹性梁的前后两个侧面沿竖直方向刻有第一指示线(45)和第二指示线(46)，第一指示线(45)位于下部钳口的下L形夹持块(23)的中面内，第二指示线(46)位于下夹持刃块(10)的中面内；可动悬臂梁传感器(15)的变截面弹性梁的前后两个侧面沿竖直方向刻有第三指示线(47)和第四指示线(48)，第三指示线(47)位于上部钳口的上L形夹持块(22)的中面内，并与第一指示线(45)共线，第四指示线(48)位于上夹持刃块(12)的中面内，并与第二指示线(46)共线；电阻应变计R1、R2、R3、R4组成一个全桥测量电路，称为位移-变形传感电路，该电路产生的应变信号用εrd表示；电阻应变计R3、R4、R5、R6组成一个全桥测量电路，称为力传感电路，该电路产生的应变信号用εrf表示；三态编码器(27)由齿盘(29)、传感器支架(2)和左上悬臂梁传感器(30)、右上悬臂梁传感器(34)、左下悬臂梁传感器(42)、右下悬臂梁传感器(39)组成；齿盘(29)带有若干圆弧齿(38)，位于挡盘(3)之下，共轴固定在传动丝杆(16)的第二光轴(50)上，齿盘的齿数取4的整数倍；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(26)，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(37)和一个与矩形通孔(37)垂直联通的第二螺纹孔(35)；传感器支架(2)利用紧定螺栓(28)和隔离套筒(25)与光孔(26)和第一螺纹孔(24)的配合，固定在基座(1)顶板的下方，并且将齿盘(29)围在中间；左上悬臂梁传感器(30)、右上悬臂梁传感器(34)、左下悬臂梁传感器(42)、右下悬臂梁传感器(39)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(37)的配合和紧定螺钉(36)的压紧作用固定于传感器支架(2)的上侧内壁、右侧内壁、左侧内壁和下侧内壁；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[R7,R8]、[R9,R10]、[R11,R12]和[R13,R14]；四个弹性梁在靠近自由端处朝向齿盘(29)一侧分别加工有左三角形突棱(32)、上三角形突棱(33)、下三角形突棱(41)、右三角形突棱(40)；装配好的左上悬臂梁传感器(30)、右上悬臂梁传感器(34)、左下悬臂梁传感器(42)、右下悬臂梁传感器(39)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(32)、上三角形突棱(33)、下三角形突棱(41)、右三角形突棱(40)的棱顶分别与齿盘(29)周边的圆弧齿(38)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(38)和正下方圆弧齿(38)的中心，同时齿盘(29)的水平对称线刚好通过最左端圆弧齿(38)和最右端圆弧齿(38)的中心；
b.此时右三角形突棱(40)位于齿盘(29)水平对称线和最右端圆弧齿(38)的上侧，并且刚好对准相邻两圆弧齿(38)之间的谷底；左三角形突棱(32)位于齿盘(29)的水平对称线上，刚好与最左端圆弧齿(38)的顶点接触；上三角形突棱(33)和下三角形突棱(41)均位于齿盘(29)纵向对称线的右侧，分别与正上方圆弧齿(38)的右侧和正下方圆弧齿(38)的右侧接触；右三角形突棱(40)到齿盘(29)纵向对称线的距离用hmin表示，左三角形突棱(32)到齿盘(29)纵向对称线的距离用hmax表示，上三角形突棱(33)与正上方圆弧齿(38)接触点到齿盘(29)水平对称线的距离和与之相等的下三角形突棱(41)与正下方圆弧齿(38)接触点到齿盘(29)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：
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(31)为电动机带动的蜗轮-蜗杆机构或齿轮-齿带机构，与传动丝杆(16)上的第二光轴(50)配合，驱动传动丝杆(16)正、反向转动；编码丝杆按以下方式工作：
1)三态编码器(27)测量电路连接：将电阻应变计[R7,R8]、[R9,R10]、[R11,R12]、[R13,R14]分别以半桥方式接入数控器，用 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(27)测量电路初始化调整：用数控器控制传动丝杆(16)和齿盘(29)转动，应变读数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(29)上相邻两个圆弧齿(38)的齿顶间距；齿盘(29)每转过一个齿，即一个周期T，应变读数 分别完成一次循环；观察的变化，当刚好达到最小值εrmin时，停止齿盘(29)的转动，调节数控器上电阻应变计[R7,R8]所在电桥的平衡电路，使之达到平衡状态，即重复前述动作，依次在取得最小值εrmin时，调节电阻应变计[R9,R10]、[R11,R12]、[R13,R14]所在电桥的平衡电路，使按以上方法完成四个半桥测量电路的调整后，再驱动齿盘(29)，则 均在最小值0和一个最大值εrmax之间循环变化，最小值0对应于左三角形突棱(32)或上三角形突棱(33)或右三角形突棱(40)或下三角形突棱(41)处在正对相邻两圆弧齿(38)之间的谷底位置，即对应于最小特征高度hmin，最大值εrmax对应于左三角形突棱(32)或上三角形突棱(33)或右三角形突棱(40)或下三角形突棱(41)处在与圆弧齿(38)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(27)测量电路状态的方法，称为初始化四步调整法；
3)确定应变读数与齿盘(29)旋转状态的关系：完成三态编码器(27)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(29)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(29)的旋转状态，即旋转方向和旋转角度；
4)测定可动悬臂梁传感器(15)的位移量：将可动悬臂梁传感器(15)调整到传动丝杆(16)上的某一指定位置或任意位置，将该位置记作为可动悬臂梁传感器(15)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(29)零位起转动齿盘，则可动悬臂梁传感器(15)随之从位移原点起沿传动丝杆(16)向上或向下移动；可动悬臂梁传感器(15)相对于位移原点的位移量S用公式(2)计算：
式(2)中，t表示传动丝杆(16)的导程，Nc表示齿盘(29)的齿数，nz,s表示齿盘(29)自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nz,s与nz,n之差，定义为齿盘(29)的有效转动齿数；nz,s、nz,n和nz也称为齿盘转动参数；nz和S是代数量，齿盘(29)顺时针转动时，可动悬臂梁传感器(15)向下移动，nz和S的符号均取为“-”；齿盘(29)逆时针转动时，可动悬臂梁传感器(15)向上移动，nz和S的符号均取为“+”；
横截面尺寸测量定位支架包括两个带有V形槽的支座(9)、两块压板(8)和四枚锁紧螺栓(43)；两个支座(9)竖直安装在基座(1)的顶板上部，分别位于固定悬臂梁传感器(6)的两侧，且关于固定悬臂梁传感器(6)的中面对称；支座(9)的两个V形槽的槽口向上，二者处于共轴位置，V形槽的纵向对称面与下夹持刃块(10)和上夹持刃块(12)的中央截面重合；每块压板(8)上加工有两个通孔，四枚锁紧螺栓(43)分别穿过这四个通孔与支座(9)顶部V形槽两边的第三螺纹孔(44)配合；
标准器(0)为一组标准规，数量用n表示，2≤n≤10；标准规的结构为三段台阶轴，台阶轴的中间段为标准圆柱，左段和右段为定位轴；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；各标准规左、右两段定位轴的直径d相等；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也表示对应的标准规；将任意一个标准规放入支座(9)上的V形槽，旋紧四枚锁紧螺栓(43)，两块压板(8)产生的压力使该标准规定位在V形槽上；安装好的标准规，其轴线到基座(1)顶板上表面的距离定义为标准规高度，用符号h0表示；h0与标准规、支座(9)以及固定悬臂梁传感器(6)三者的结构尺寸相互协调，满足特定关系：1.任一标准规在支座(9)上的V形槽内定位时，位移-变形传感电路测得的应变值εrd在100με≤εrd≤150με范围内；2.标准规dn在支座(9)上的V形槽内定位时，固定悬臂梁传感器(6)弹性体的最大弯曲正应力不超过弹性体材料的比例极限；
被测试件(13)为金属细丝、高分子材料、织物纤维、动物纤维以及其它纤维材料的拉伸试样，或者是压缩试样；
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，内置测量软件，测量软件中含有力标定-测量程序、变形标定-测量程序、直径标定-测量程序；
双悬臂梁-编码丝杆复合传感拉伸试验方法及其试验机的试验过程，包括试验机系统标定、试样尺寸测量和拉伸试验，操作步骤如下：
1)试验机位移基准点调整：将电阻应变计R1、R2、R3、R4组成的位移-变形传感电路和电阻应变计[R7,R8]、[R9,R10]、[R11,R12]、[R13,R14]组成的四个半桥测量电路分别接入数控器；将位移-变形传感电路调整到平衡状态，即设定其输出信号εrd＝0；按前述初始化四步调整法对三态编码器(27)进行调整；用数控器控制可动悬臂梁传感器(15)向固定悬臂梁传感器(6)靠近，当上夹持刃块(12)与下夹持刃块(10)发生接触并且由位移-变形传感电路测得的应变值εrd为规定值时，可动悬臂梁传感器(15)停止移动；规定值取将齿盘(29)的当前位置记作齿盘零位，此时可动悬臂梁传感器(15)的位置定义为位移零点，用P0表示，P0是试验机位移测量的基准点；可动悬臂梁传感器(15)处在P0位置时，加载臂间距l达到最小，记作lmin，lmin的值用式(3)表示：
lmin＝2u (3)
式(3)中，u表示上夹持刃块(12)突出于可动悬臂梁传感器(15)下表面的高度，也表示下夹持刃块(10)突出于固定悬臂梁传感器(6)上表面的高度；
2)测力系统标定：将电阻应变计R3、R4、R5、R6组成的力传感电路接入数控器；调整可动悬臂梁传感器(15)至适当高度，利用可动悬臂梁传感器(15)上的上部钳口悬挂标准砝码，对可动悬臂梁传感器(15)施加一组标准力F1，F2，…，FN，或者采用标准负荷传感器，利用可动悬臂梁传感器(15)上的上部钳口和固定悬臂梁传感器(6)上的下部钳口夹持标准负荷传感器，给可动悬臂梁传感器(15)施加一组标准力F1，F2，…，FN，各标准力的大小关系为F1<F2<，…，<FN，标准力的作用线同时与第一指示线(45)和第三指示线(47)对齐；由数控器记下与标准力F1，F2，…，FN对应的应变读数以为标定数，用线性拟合方法得出力F与数控器应变读数εrf的函数关系，即载荷计算公式：
式(4)中，A1和B1是常数，分别用公式(5)和(6)计算：
式(5)和(6)中，N表示标准力的序数，Fi表示不同序数标准力的力值，表示与力Fi对应的应变读数，即标定数
3)直径测量系统标定：调整可动悬臂梁传感器(15)至适当高度，将标准规d1定位在支座(9)上，此时位移-变形传感电路测得的应变信号记为使可动悬臂梁传感器(15)向下移动，当上夹持刃块(12)与标准器(0)接触并且位移-变形传感电路测得的应变信号时，停止移动可动悬臂梁传感器(15)，将其当前位置定义为直径测量指示位，用符号Pd表示，同时记下齿盘(29)的当前位置，该位置定义为齿盘(29)的直径测量指示点；抬升可动悬臂梁传感器(15)至适当高度，用标准规d2替换标准规d1，再次将可动悬臂梁传感器(15)调整到直径测量指示位Pd，记下位移-变形传感电路当前的应变信号依次用标准规d3，…，dn重复完成前述动作，得到应变信号以为标定数，用线性拟合方法给出直径值d与应变读数εrd的函数关系，即直径计算公式：
式(7)中，A2和B2是常数，分别用公式(8)和(9)计算：
式(8)和(9)中，n表示标准器所含标准规的个数，di表示不同直径标准圆柱体的直径值，表示与直径值di对应的应变读数，即标定数 在标定数中，与基准圆柱d0对应的标定数定义为基准应变示数，用符号表示；
4)测变形系统标定：调整可动悬臂梁传感器(15)至适当高度，将标准规d1水平放入可动悬臂梁传感器(15)上的上部钳口和固定悬臂梁传感器(6)上的下部钳口之间，并使标准规d1的轴线与第一指示线(45)和第三指示线(47)对齐；控制可动悬臂梁传感器(15)向固定悬臂梁传感器(6)移动，使二者夹持标准规d1，当位移-变形传感电路测得的应变信号或时，停止移动可动悬臂梁传感器(15)，将当前的应变信号εrd记为此时可动悬臂梁传感器(15)的位置定义为变形测量指示位，用符号Pb表示，记下齿盘(29)的当前位置，该位置定义为齿盘(29)的变形测量指示点；抬升可动悬臂梁传感器(15)至适当高度，用标准规d2替换标准规d1，再次将可动悬臂梁传感器(15)调整到变形测量指示位Pb，记下位移-变形传感电路当前的应变信号依次用标准规d3，…，dn重复完成前述动作，由位移-变形传感电路得到对应的应变信号可动悬臂梁传感器(15)和固定悬臂梁传感器(6)夹持标准规dn时，可动悬臂梁传感器(15)的上部钳口和固定悬臂梁传感器(6)的下部钳口的间距相对于二者的自然间距发生变化，将上部钳口和下部钳口在第一指示线(45)和第三指示线(47)位置的间距定义为钳口形变间距，用符号vx表示；以为标定数，用线性拟合方法给出vx与εrd的函数关系，即公式(10)：
式(10)中，A3和B3是常数，分别用公式(11)和(12)计算：
式(11)和(12)中，di表示不同直径标准圆柱体的直径，表示与di对应的应变读数，即标定数
5)被测试件直径测量：将可动悬臂梁传感器(15)调整至适当高度，将被测试件(13)水平放入固定悬臂梁传感器(6)和可动悬臂梁传感器(15)之间，并使其轴线与第二指示线(46)和第四指示线(48)对齐；控制可动悬臂梁传感器(15)向固定悬臂梁传感器(6)移动，让上夹持刃块(12)与下夹持刃块(10)夹持被测试件(13)，当位移-变形传感电路测得的应变信号或时，记下可动悬臂梁传感器(15)相对于直径测量指示位Pd的位移量s；用公式(13)计算被测试件(13)的直径：
式(13)中，s是代数量；可动悬臂梁传感器(15)向直径测量指示位的上方移动时，s的符号取为“+”；可动悬臂梁传感器(15)向直径测量指示位的下方移动时，s的符号取为“-”；
6)拉伸试验：
a.安装试件：根据被测试件(13)的长度调整加载臂间距l，将被测试件(13)放入可动悬臂梁传感器(15)的上部钳口和固定悬臂梁传感器(6)上的下部钳口，并使其轴线与第一指示线(45)和第三指示线(47)对齐，旋紧上锁紧螺钉(14)和下锁紧螺钉(7)，上部钳口和下部钳口同时将被测试件(13)夹紧；安装好的被测试件(13)，其位于上部钳口和下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：用数控器调整可动悬臂梁传感器(15)作微幅升降，使被测试件(13)所受载荷为零，即试验力F＝0；F＝0时，被测试件(13)试验段的长度定义为原始长度，用l0表示；l0按公式(14)计算：
l0＝lmin+S0＝2u+S0 (14)
式(14)中，S0表示F＝0时，可动悬臂梁传感器(15)相对于位移零点P0的位移量，S0按公式(2)计算；被测试件(13)受到拉伸载荷作用时，试验段长度l连续变化，变化的l值用公式(15)计算：
式(15)中，S是可动悬臂梁传感器(15)相对于位移零点P0的位移量，按公式(b)计算；
c.加载试验：由数控器设定加载速度，即可动悬臂梁传感器(15)的移动速度，对被测试件(13)施加拉伸载荷；数控器同步跟踪记录被测试件(13)所受载荷F的变化和试验段长度l的变化，由公式(4)实时给出被测试件(13)受到的力F，公式(15)实时给出被测试件(13)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(13)的拉伸试验曲线。
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