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技術(shù)文章

拉力試驗機(jī) 】淺談電子拉力試驗機(jī)的工作原理
電子式拉力試驗機(jī)是現(xiàn)代電子技術(shù)與機(jī)械傳動技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是充分發(fā)揮了機(jī)電各自特長而構(gòu)成的大型精密測試儀器，可對各種材料進(jìn)行拉伸、壓縮、彎曲等多項性能試驗，且有測量范圍寬、精度高、響應(yīng)快等特點。工作可靠，效率高，可對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行實時顯示記錄、打印。電子式拉力試驗機(jī)是由測量系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、及電腦等結(jié)構(gòu)組成。

一． 測量系統(tǒng)

1． 力值的測量

通過測力傳感器、放大器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)來實現(xiàn)測量，*常用的測力傳感器是應(yīng)變片式傳感器。所謂應(yīng)變片式傳感器，就是由應(yīng)變片、彈性元件和某些附件（補(bǔ)償元件、防護(hù)罩、接線插座、加載件組成），能將某種機(jī)械量變成電量輸出的器件。應(yīng)變片式的拉、壓力傳感器國內(nèi)外種類繁多，主要有筒狀力傳感器、輪輻式力傳感器、S雙連孔型傳感器、十字梁式傳感器等類型。從材料力學(xué)上得知，在小變形條件下，一個彈性元件某一點的應(yīng)變ε與彈性元件所受的力成正比，也與彈性的變形成正比。以S型傳感器為例，當(dāng)傳感器受到拉力P的作用時，由于彈性元件表面粘貼有應(yīng)變片，因為彈性元件的應(yīng)變與外力P的大小成正比例，故此將應(yīng)變片接入測量電路中，即可通過測出其輸出電壓，從而測出力的大小。對于傳感器，一般采用差動全橋測量，即將所粘貼的應(yīng)變片組成橋路，R1、R2、R3、R4，實際為阻值相等的4片（或8片）應(yīng)變片，即R1=R2=R3=R4，當(dāng)傳感器受到外力（拉力或壓力）作用時，傳感器彈性元件產(chǎn)生應(yīng)變而使各電阻值發(fā)生變化，其變化值分別為△R1△、R2、△R3、△R4，結(jié)果原來平衡的電橋，現(xiàn)在不平衡了，橋路就有電壓輸出，設(shè)△E則△E=[R1R2/（R1+R2）2]△R1/R1-△R2/R2+△R3/R3-△R4/R4）U式中U為外電源供給橋路的電壓進(jìn)一步筒化有△E=[R2/4R2]（△R1/R-△R2/R+△R3/R-△R4/R）U將△Ri/Ri=Kεi代上上式則有△E=[UK/4]（ε1-ε2+ε3-ε4）

簡單來說，外力P引起傳感器內(nèi)應(yīng)變片的變形，導(dǎo)致電橋的不平衡，從而引起傳感器輸出電壓的變化，我們通過測量輸出電壓的變化就可以知道力的大小了。

一般來說，傳感器的輸出信號都是非常微弱的，通常只有幾個mV，如果我們直接對此信號進(jìn)行測量，是非常困難的，并且不能滿足高精度測量要求。因此必須通過放大器將此微弱信號放大，放大后的信號電壓可達(dá)10V，此時的信號為模擬信號，這個模擬信號經(jīng)過多路開關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，至此，力的測量告一段落。

2． 變形的測量

通過變形測量裝置來測量，它是用來測量試樣在試驗過程中產(chǎn)生的形變。該裝置上有兩個夾頭，經(jīng)過一系列傳動機(jī)構(gòu)與裝在測量裝置頂部的光電編碼器連在一起，當(dāng)兩夾頭間的距離發(fā)生變化時，帶動光電編碼器的軸旋轉(zhuǎn)，光電編碼器就會有脈沖信號輸出。再由單片機(jī)對此信號進(jìn)行處理，就可以得出試樣的變形量。

3橫粱位移的測量

其原理同變形測量大致相同，都是通過測量光電編碼器的輸出脈沖數(shù)來獲得橫梁的位移量。

二． 驅(qū)動系統(tǒng)

主要是用于試驗機(jī)的橫梁移動，其工作原理是由伺服系統(tǒng)控制電機(jī)，電機(jī)經(jīng)過減速箱等一系列傳動機(jī)構(gòu)帶動絲桿轉(zhuǎn)動，從而達(dá)到控制橫梁移動的目的。通過改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以改變橫梁的移動速度。

三． 控制系統(tǒng)

顧名思義，就是控制試驗機(jī)運作的系統(tǒng)，人們通過操作臺可以控制試驗機(jī)的運作，通過顯示屏可以獲知試驗機(jī)的狀態(tài)及各項試驗參數(shù)，若該機(jī)帶有電腦的話，也可以由電腦實現(xiàn)各項功能并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析、試驗結(jié)果打印。試驗機(jī)同電腦之間的通信一般都是使用RS232串行通信方式，它通過計算機(jī)背后的串口（COM號）進(jìn)行通信，此技術(shù)比較成熟、可靠，使用方便。

四． 電腦

用來采集和分析數(shù)據(jù)，進(jìn)入試驗界面后，電腦會不斷采集各樣試驗數(shù)據(jù)，實時畫出試驗曲線，自動求出各試驗參數(shù)及輸出報表。
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