电子引伸计应变测量误差来源分析

电子引伸计应变测量误差来源分析

郝利栋

广东省河源市质量计量监督检测所  广东河源  517000

摘要：本文探讨了在应变测量中可能引起误差的不同来源，包括安装误差、温度效应、材料性质的变化、引伸计刀口钝化、试样安装位置不正确、机械振动和冲击、噪声干扰以及跨轴敏感性。我们详细讨论了这些误差来源对测量的影响，并提出了降低误差的策略和措施。通过了解这些误差来源，采取适当的对策，可以确保应变测量结果的准确性和可靠性，从而为工程、科学和材料测试领域提供有用的指导。

关键词：电子引伸计；测量误差；来源；对策

引言

应变测量是科学、工程和材料测试领域中的一项关键技术，它使我们能够了解材料和结构如何响应外部加载、温度变化和其他环境条件的影响。应变测量的准确性对于确保工程设计的可靠性、材料性能的准确评估以及科学实验的成功至关重要。电子引伸计是一种用于测量材料应变的先进传感器设备。它广泛应用于材料测试、材料性能评估、结构工程和实验研究等领域，以监测材料的变形和应变。相较于传统的机械式引伸计，电子引伸计具有更高的精度、可重复性和自动化能力[1]。然而，电子引伸计应变测量并非总是一项容易的任务，因为存在多种因素可能导致误差。这些误差可能源自多个方面，包括安装、温度变化、材料性质、机械振动、噪声干扰等。本文旨在探讨这些可能引起误差的因素，深入了解它们对应变测量的影响，并提出有效的策略和措施，以减小这些误差，确保可靠的应变测量结果。通过仔细研究和理解这些误差源，我们可以更好地应对挑战，获得准确的数据，并推动科学和工程领域的进步。

1安装误差

1.1安装角度和位置对测量的影响

电子引伸计的准确性与其安装角度和位置密切相关。错误的安装角度或位置可能会引入严重的误差。安装角度是指电子引伸计相对于被测材料的安装方向。如果安装角度不正确，将导致引伸计受到不必要的力，影响应变测量的准确性。偏离垂直或水平方向的安装会引入正弦误差，其中应变测量值随着角度的变化而变化。安装位置是指电子引伸计在被测物体上的具体位置。不同位置的应变可能不同，导致不准确的测量结果。安装位置可能会处于应变场的非均匀区域，或者可能受到外部力和温度变化的影响，从而产生误差。

在安装电子引伸计时，应特别关注间隙这一关键问题。所谓间隙，指的是电子引伸计应变片与被测材料之间的空隙或缝隙，它可能源自不完全的接触或不当的安装操作。这个微小的空隙可能看似不值一提，但实际上却是一项极为重要的考虑因素。首先，间隙对于应变片与被测材料之间的紧密接触至关重要。如果存在间隙，那么应变片未能完全贴合在被测材料表面，这将直接影响应变的传递。结果，测量误差将会显著增加，因为应变片未能准确感知被测材料的微小变形，这对于材料性能的评估至关重要。其次，间隙还可能引入外部环境因素，如湿气、杂质等。这些外部因素可能会渗入间隙内部，导致电子引伸计的性能不稳定。湿气可能引起腐蚀，杂质可能影响应变片的精确性，这些都会影响测量的可靠性。

1.2正确安装方法

在电子引伸计的安装和标定过程中，确保准确的测量结果至关重要。第一，安装方向的一致性，引伸计的安装方向在标定时和日常测试时必须一致。不同的安装方向会引入应变测量误差，因此必须保持一致性，以避免不必要的误差。第二，操作要点的一致性，安装引伸计时，应尽量按照标定时的操作要点来进行。这包括引伸计的位置、角度、固定方式等，一致性的操作有助于降低安装误差[2]。第三，原始标距的准确性，原始标距是应变测量的重要参考点，必须确保其准确性。任何对原始标距的不准确度都将导致测量误差。第四，标距长度定位销的操作，如果引伸计带有标距长度定位销，一定要确保在拔出时没有阻力。感受到阻力可能会损坏引伸计或导致不准确的应变测量。谨慎操作是关键。第五，适宜的夹持力，在将引伸计安装到试样上时，夹持力必须适宜。夹持力过大会导致引伸计悬臂梁承受扭矩，从而影响测量准确度。夹持力过小则可能导致试验时刀口滑动，也会引入误差。第六，校准和验证，定期进行校准和验证引伸计的性能非常重要。这可以帮助发现和纠正潜在的误差源，并确保测量结果的可靠性。

2温度效应导致的误差

2.1温度对电子引伸计性能的影响

电子引伸计在测量应变时受到温度变化的影响，因此了解温度效应对准确性至关重要。温度的升高或降低会导致电子引伸计材料的线性特性发生变化。杨氏模量（Young's Modulus）和热膨胀系数（Coefficient of Thermal Expansion）是材料性质，它们受温度变化的影响，进而影响了电子引伸计的应变测量。

杨氏模量变化：

杨氏模量是描述材料刚度和弹性的参数。它通常以弹性模量（E）表示。杨氏模量的温度变化可以用以下公式表示：

ΔE = αEΔT

其中，ΔE是杨氏模量的变化，α是杨氏模量的热膨胀系数，ΔT是温度变化。例如，对于钢材料，典型的杨氏模量（E）在室温下约为200 GPa（2 x 10

11 N/m²），而它的热膨胀系数（α）大约为12 x 10-6 /°C。如果温度升高了100°C，那么杨氏模量的变化将为：ΔE = (12 x 10-6 /°C) * (200 x 109 N/m²) * 100°C = 0.24 GPa。这种杨氏模量的变化将直接影响电子引伸计的应变测量，因为应变是与材料的弹性模量有关的[3]。

热膨胀系数变化：

热膨胀系数描述了材料随温度变化而发生的尺寸变化。它通常以α表示。热膨胀系数的温度变化可以用以下公式表示：

Δα = βΔT

其中，Δα是热膨胀系数的变化，β是材料的热膨胀系数，ΔT是温度变化。例如，对于铝材料，典型的线膨胀系数（α）在室温下大约为23 x 10-6 /°C。如果温度升高了100°C，那么线膨胀系数的变化将为：Δα = (23 x 10-6 /°C) * 100°C = 0.0023 /°C这种热膨胀系数的变化将导致电子引伸计与被测材料之间的相对运动，从而影响应变测量的准确性。

另外，温度变化会引起电子引伸计应变片电阻值的变化，从而改变电阻测量值。这可能会导致误差，特别是在高温或低温环境下。温度变化还可能导致电子引伸计的输出信号发生漂移，这种漂移可能是暂时性的，也可能是永久性的，对测量结果造成不稳定性。

2.2温度补偿方法

为了减小温度效应对电子引伸计测量的影响，可以采取以下温度补偿方法。第一，在标定电子引伸计前，将其置于标定温度下，以建立一个基准。这有助于校准引伸计的温度效应，以在实际测试时进行修正。第二，选择具有较小温度系数的电子引伸计材料，如铂铑（Pt-Rh）等。这些材料的温度效应相对较小。第三，在电子引伸计附近安装温度传感器，以监测被测材料的温度变化。这允许实时监控和修正温度引起的误差。第四，使用专门的温度补偿电路，可根据温度变化对引伸计输出信号进行自动修正。这些电路可以帮助在不同温度下获得准确的测量结果[4]。第五，在实验室或测试现场中，维持稳定的温度环境可以降低温度引起的误差。使用温度控制设备来确保测试环境的稳定性。

3引伸计刀口的钝化导致的误差

3.1误差产生原因

引伸计刀口的钝化是导致测试误差的一个重要因素，特别在高强度拉伸试验中，它可能引起试验数据异常。如果夹持力不足以保持引伸计在试样上的稳固位置，刀口可能会滑动，导致误差。另外，引伸计刀口的刃口失去了锐利的边缘，或者刀口的边缘卷曲，这会影响引伸计的正确定位，也导致误差。引伸计刀口钝化会导致滑动，滑动时的拉伸曲线如图1所示。

图1 滑动拉伸曲线

3.2误差消除方法

选择硬度比被测材料硬度更高的刀口材料，以避免刀口的早期磨损和钝化。例如，T 12钢制作的刀口，通过热处理可以达到60 HRC以上的硬度，通常适用于大多数材料测试。引伸计刀口需要定期检查，确保刃口保持锐利，如果刃口钝化或卷刃，需要及时修复或更换，刀口的良好维护可以减小误差的发生。确保夹持力足够，可以通过调整夹持力来提高引伸计的稳定性，充分的夹持力可以减少刀口滑动的可能性。

每次更换或调整刀口后，都需要进行重新标定以确保测试的准确性，重新标定有助于修正由于刀口问题引起的误差。如果引伸计刀口钝化导致轻微的刀口滑动，可以对曲线进行分析和修正，以计算出准确的材料性能参数。然而，在刀口滑动严重的情况下，手工取点可能会导致不准确的结果，此时需要重新测试。

4 试样安装位置不正确导致的误差

4.1误差产生的原因

试样安装位置不正确可能会引起测试误差，特别是在屈服强度测试中，正确的试样安装是确保准确测量的关键。

如果试样的中心线与加载线不对齐，可能会引入弯矩，试验过程中会出现不均匀的塑性变形，从而影响屈服强度的准确测量。如果试样在夹具内或者安装过程中偏心或倾斜，试验中可能会产生弯矩，从而使试样受到额外的力和变形，导致测量误差[5]，以某金属样品为例，不同位置的总延伸强度结果如表1所示。

表1 不同夹具位置对总延伸强度的影响

4.2消除误差的方法

首先，在安装试样时，尽量使用对中器或夹具，确保试样的中心线与加载线对齐。这有助于减少试样的偏心或倾斜，降低引入误差的可能性。第二，确保试样在夹具内的位置正确，避免试样倾斜或偏离加载轴线。适当的试样装夹方式和夹具的选择对于减小误差非常重要。第三，在试样安装过程中，仔细目测试样的位置，确保它位于正确的位置。如果发现试样偏心或倾斜，要进行必要的调整以确保准确的测试。第四，在某些情况下，可以使用机械校正设备来调整试样的位置，以确保其与加载轴线对齐。第五，严格按照相关测试标准和操作规程来安装试样，确保每次测试都以相同的方式进行。标准化操作可以减小人为误差。最后，如果怀疑试样的安装位置不正确，可以进行多次测试以验证结果的一致性。多次测试有助于识别和减小误差。

5 机械振动和冲击导致的误差

5.1机械振动和冲击可能导致的误差

机械振动和冲击是引起测量误差的常见因素，特别是在实验室和工业环境中。以下是机械振动和冲击可能导致的误差。

（1）应变偏移：机械振动和冲击可能导致额外的应变，称为“附加应变”（εadditional），这是超出加载引起的应变的部分。附加应变可以通过以下公式表示

Εadditional=a/g

其中，a是振动或冲击的加速度（以m/s2为单位），g是重力加速度（约9.81m/s2）。这个公式表明，振动或冲击的加速度越大，产生的附加应变就越大，从而引入更大的误差。

（2）噪音引入：机械振动和冲击会在测量信号中引入噪音，这可能导致测量数据的不稳定性。噪音水平通常以信噪比（SNR）来表示，公式如下：

SNR=10·log10

式中，Psignal代表信号的功率，Pnoise代表噪音的功率。较低的SNR值表示更高的噪音水平，从而降低了测量的准确性。

总之，机械振动和冲击在应变测量中可能引起多种误差，包括应变偏移、噪音、设备损坏和加载不均匀。这些问题需要在实验设计和数据分析中得到充分考虑，以确保准确的应变测量。

5.2机械保护和减震措施

为了减小机械振动和冲击引起的误差，可以采取以下机械保护和减震措施：第一，在实验室或测试现场中，可以使用隔离系统来减小外部振动和冲击对测试设备的影响。隔离系统通常包括减震台、减震器或其他机械隔离装置，以将外部振动传导到测试设备。第二，使用振动和冲击传感器来监测外部振动和冲击的强度和频率。这些传感器可以帮助识别何时存在潜在问题并采取适当的措施。第三，确保测试设备和引伸计等测量设备牢固地安装，以减小机械振动和冲击对其影响。牢固的机械固定可以减少误差的产生。第四，维持稳定的试验室环境，包括温度、湿度和振动，以降低外部振动和冲击的影响。第五，在进行测试时，选择适当的试验条件，以尽量减小机械振动和冲击的影响。这可能包括调整加载速度或其他试验参数。第六，定期检查和维护测试设备，确保它们处于最佳工作状态，以减小振动和冲击可能引起的损坏[6]。

6 噪声干扰导致的误差

6.1周围环境中的干扰源对信号的影响

噪声干扰是在测量和测试过程中常常遇到的问题，周围环境中的干扰源可以对信号产生负面影响，导致测量误差。以下是一些常见的噪声干扰源和它们对信号的影响：第一，电磁干扰（EMI），来自电子设备、电缆和其他电磁辐射源的干扰可能会引入电压或电流干扰，影响测量仪器的性能。第二，振动和机械噪声，机械振动和冲击源，如机器运行、交通噪声或风，可以引入机械噪声，干扰对物理性能参数的测量。第三，声音干扰，来自声音源的噪声可以在声学测量中引入误差，例如在声音信号处理和音频测量中。

6.2干扰减小措施

为了减小噪声干扰对测量和测试的影响，可以采取以下干扰减小措施：第一，屏蔽和过滤，对抗电磁干扰，可以使用电磁屏蔽和滤波器来降低外部电磁辐射的影响，这有助于维持电子仪器的信号完整性。第二，机械隔离，使用机械隔离装置来减小振动和机械噪声对测量的干扰。这可以包括减震装置和隔离平台。第三，声学隔离，在声学测量中，使用声学隔离材料和隔离间隙可以减小外部声音对测量的影响。第四，使用环境监测设备来跟踪并记录周围环境条件的变化，以帮助分析和修正由噪声干扰引起的误差。

7 跨轴敏感性导致的额误差

7.1应变方向不对称性对测量的影响

跨轴敏感性是指在应变测量中，引伸计或传感器对于应变方向的不对称性。这种不对称性会对测量结果产生负面影响，因为应变不仅会在引伸计的主要测量轴上产生，还可能在垂直或侧向轴上引起应变，导致误差。以下是应变方向不对称性可能对测量的影响：第一，应变方向不对称性可能导致在主要测量轴以外的方向上产生应变，从而引入测量误差。第二， 引伸计或传感器可能对多个应变方向敏感，导致跨轴敏感性，这意味着在测量中需要区分和校正不同方向上的应变。第三，跨轴敏感性会导致测量结果的准确性降低，因为无法准确测量主要方向上的应变。

7.2应对跨轴敏感性的策略

为了降低跨轴敏感性引起的测量误差，可以采取以下策略：第一，使用校准程序来确定引伸计或传感器的跨轴敏感性，并制定校正方案以减小误差。校准时需要考虑应变方向的不对称性。第二，在实验设计和数据分析中，要考虑应变方向的不对称性。这包括确定应变方向对于测量结果的影响，以及如何适当地处理和解释数据。第三，选择对于特定应用中应变方向不对称性敏感性较低的传感器或引伸计。有些传感器具有更好的方向特性，可以减小跨轴敏感性。第四，使用多通道数据采集系统，可以同时测量主要和交叉敏感方向上的应变，以便校正误差和获得更准确的数据。第五，在设计实验设备或结构时，考虑应变方向的不对称性，尽量减小这种不对称性对应变的影响。

总结：

在工程和科学领域，准确的应变测量对于材料性能评估、结构分析和创新研究至关重要。本文概括了可能导致应变测量误差的各种来源，并提出了一系列减小误差的策略和措施。通过正确的安装、温度补偿、噪声控制、机械保护、定期维护以及合适的传感器选择，可以提高应变测量的准确性。我们鼓励工程师、科学家和研究人员在进行应变测量时，认真考虑这些因素，以获得可信赖的数据，推动科学和技术的进步。

参考文献：

[1]张银祥,陈玉.铝合金薄板n值和r值测试的影响因素分析[J].铝加工,2023,12(04):18-22.

[2]王继荣.引伸计在静态载荷下小尺寸钢桥面板模型的损伤或变化检测[J].运输经理世界,2022,14(36):110-112.

[3]张阳,刘琳.铝合金材料6101B应变切换点的确定[J].铁道技术监督,2022,50(09):43-46.

[4]王树人,叶景深,吴金辉等.管线钢专用引伸计的设计与应用[J].钢管,2019,48(04):77-80.

[5]杨延华.引伸计的应用现状及发展趋势[J].理化检验(物理分册),2018,54(11):805-810.

[6]谢倩,巫小斌,段春.高精度引伸计检定系统的研制[J].计量与测试技术,2018,45(07):20-22+25.