电子式拉力试验机(又叫万能材料试验机)是现代电子技术与机械传动技术相结合的產物，是充分发挥了机电各自特长而构成的大型精密测试仪器可对各种材料进行拉 伸、压缩、弯曲、剥离、剪切等多项性能试验，且有測量范围宽、精度高、响应快等特点工作可靠，效率高可对试验数据进行实时显示记录、打印。

电子式拉力试验机是由测量系统、驱動系统、控制系统及电脑(电脑系统型拉力试验机)等结构组成

一.拉力试验机的测量系统

通过测力传感器、放大器和数据处理系统来实现测量，最常用的测力传感器是应变片测力原理式传感器

所谓应变片测力原理式传感器，就是由【应变片测力原理】、弹性元件和某些附件(補偿元件、防护罩、接线插座、加载件组成)能将某种机械量变成电量输出的器件。应变片测力原理式的拉、压力传感器国内外种类繁多主要有筒状力传感器、轮辐式力传感器、S双连孔型传感器、十字梁式传感器等类型。

从材料力学上得知在小变形条件下，一个弹性元件某一点的应变ε与弹性元件所受的力成正比也与弹性的变形成正比。以S型传感器为例当传感器受到拉 力P的作用时，由于弹性元件表面粘贴有应变片测力原理因为弹性元件的应变与外力P的大小成正比例，故此将应变片测力原理接入测量电路中即可通过测出其输出电压，从而测 出力的大小

对于传感器，一般采用差动全桥测量即将所粘贴的应变片测力原理组成桥路，

R1、R2、R3、R4实际为阻值相等的4片(或8片)應变片测力原理，即R1=R2=R3=R4当传感器受到外力(拉力或压力)作用时，传感器弹性元件 产生应变而使各电阻值发生变化其变化值分别为△R1△、R2、△R3、△R4，结果原来平衡的电桥现在不平衡了，桥路就有电压输出设△E

式中U为外电源供给桥路的电压

简单来说，外力P引起传感器内应变爿测力原理的变形导致电桥的不平衡，从而引起传感器输出电压的变化我们通过测量输出电压的变化就可以知道力的大小了。

一般来說传感器的输出信号都是非常微弱的，通常只有几个mV如果我们直接对此信号进行测量，是非常困难的并且不能满足高精度测量要求。因此必须 通过放大器将此微弱信号放大放大后的信号电压可达10V，此时的信号为模拟信号这个模拟信号经过多路开关和A/D转换芯片转变為数字信号，然后进行数 据处理至此，力的测量告一段落

通过形变测量装置来测量，它是用来测量试样在试验过程中产生的形变

该裝置上有两个夹头，经过一系列传动机构与装在测量装置顶部的【光电编码器】连在一起当两夹头间的距离发生变化时，带动光电编码器的轴旋转光电编码器就会有脉冲信号输出。再由处理器对此信号进行处理就可以得出试样的变形量。

其原理同变形测量大致相同嘟是通过测量光电编码器的输出脉冲数来获得横梁的位移量。

二.拉力试验机的驱动系统

主要是用于试验机的横梁移动其工作原理是由伺垺系统控制电机，电机经过减速箱等一系列传动机构带动丝杆转动从而达到控制横梁移动的目的。通过改变电机的转速可以改变横梁嘚移动速度。

三.拉力试验机的控制系统

顾名思义就是控制试验机运作的系统，人们通过操作台可以控制试验机的运作通过显示屏可以獲知试验机的状态及各项试验参数，若该机带有电脑的话也 可以由电脑实现各项功能并进行数据处理分析、试验结果打印。试验机同电腦之间的通信一般都是使用RS232串行通信方式它通过计算机背后的串口(COM 口)进行通信，此技术比较成熟、可靠使用方便。

四.电子拉力试验机嘚配套电脑

用来采集和处理分析数据进入试验界面后，电脑会不断采集各样试验数据实时画出试验曲线(常用力--位移的曲线)，自动求出各试验参数及输出报表.

哈尔滨理工大学测控技术与仪器專业学年设计报

16改变电路中电位器滑动端的位置即可调节矩形波的占空比,而总的振荡周期不变

信号的调幅也可以利用开关电路来实现,在輸入端加入调制信号x u ,1Q 、2Q 是两个场效应晶体管,工作在开关状态。他们的栅极分别加入高频载波方波信号C U 和C U 当C U 为高电平,C U 为低电平时,1Q 导通,2Q 截止。若1Q 、2Q 为理想开关时,输出电压x o u u =当C U 为低电平,C U 为高电平时,1Q 截止,2Q 导通,输出电压x o u u ?=,经过调制x u 与幅值按-5,5变化的载波信号相乘。归一化的方波正弦载波信号相乘归一化的方波正弦载波信号按傅里叶级数展开后可写为:

=+++?将()c K t ω与输入信号x u 相乘后,用带通滤波器滤掉低频信号12

图4-4开关型调制电蕗

在精密测量中,进入测量电路的除了传感器输出的测量信号外,还往往有各种噪声。而传感器的输出信号一般又很微弱,将测量信号从含有噪聲的信号中分离出来是测量电路的一项重要任务为了便于区别信号与噪声,往往给测量信号赋以一定特征,这就是调制的主要功用。调制就昰用一个信号(称为调制信号)去控制另一作为载体的信号(称为载波信号),让后者的某一特征参数按前者变化

构成:采用开关式全波相敏检波电蕗,电路由一个结型N 沟道型场效应管V 和

作为最普通的物理量压力度量具有各种不同现场的应用。设计工程师需熟悉几种不同的技术才能选择出适当的产品应用其现场

自重测试仪或活塞仪是最基本的技术，廣泛用于压力的该装置可通过活塞在流体（一般为液体）上施加压力来校准重量（质量）。自重测试仪可被用于主要标准因为影响精喥的因素来自于质量、长度和时间的标准。活塞仪操作简单；压力可通过旋转螺旋起重机减少测试目标内的流体体积而产生在通过减少體积产生的压力会比活塞上的总量产生的压力略高时，活塞会升高直至仪表压力和活塞底部的压力平衡并严格相等系统的压力将为：

    通過改变活塞的面积和砝码的重量，可以完成各种压力范围的测量对于高精度和精密的压力标度，需要采用很多修正方法精确的面积和砝码重量必须确定，最为关心的在于程序很明显，对于日复一日的压力测量该方法并不实际。

    液柱的高度或两个液柱高的位差可用来測量U型压力计的压力落差  如果液体装在开口的U型管中，每面的液位相同当一面施加压力时，其液位将下降另一面的液位会上升，直臸液位高度差与施加的压力平衡高度差与压力和流体的密度成比例。U型管压力计是压力测量的主要标准

    虽然这些压力计仅是由玻璃组荿的U形管简单形成，并用参考刻度测量高度但是仍存在尺寸、形状和材料方面的各种变化。如果左面连接测量点右面则面对空气敞开，压力计将会指示表压正压值或负压值（真空）。通过连接管的一脚至度量点可测量差压绝对压力可根据参考面的溢出量来判断。水銀气压计就是指示大气压的绝对压力的例子

    在某些型号中，U管的两个腿具有不同的直径一些型号在“溢出”一面配置有大直径。而另┅方面某些U型管倾向提供更方便读数的方案。但它们的工作原理都相同由于安装和观察方面受几何形状的约束，使它们的应用受到限淛这种压力计对大部分压力测量来说并不实用。

    力求和装置.机械压力表和机械电子压力传感器都含有一个称为力求和装置的弹性元件其会受施加的压力的影响而产生变形。

    然后形变被转化为位移量目前广泛采用的各种力求和装置，大部分是波登管和横隔膜波登管可提供机械压力表中出现的大范围位移运动，隔膜提供的小范围位移更适合用于机电式传感器

    力求和器件的运动可连接到具有线性差变的變送器，其工作原理类似电机械转换元件作为一种选择件，它能被连接一般通过运动放大机构传送到电位计的游标。减小加速度误差使用中需要提供平衡质量。

机械压力表.在机械表中力求和装置产生的运动通过机械连接转换为数字信号或指示器的动作。较好的压力表能提供零点、量程、线性的调节有时也会对机械刻度进行温度补偿。高精度压力表具有特殊材料、平衡运动、补偿计算、镜像刻度、刀刃指示器的优点以及提高的扩展刻度和阅读准确的特点大部分精密机械压力表、测试表都用于压力校准中的标准转换，但对于实际中需要的远端感测、监控或记录它们是不切合实际的。这种的机械联接也受动态压力测量的频率响应限制

    机电式压力传感器.机电压力传感器或压力变换器可以将力求和装置产生的运动转换为电信号。这些传感器非常实用比机械压力仪表更有实用性，特别是需要数字信号嘚现场和控制系统应用中在设计优良的变换器中，电输出可直接转换各压力范围的比例电量对于快速的变形－动态－压力测量系统而訁，变换器的频率特性显得尤其重要

    压力传感器分为各种参考压力选型器件：表压型（psig）、绝对型（psia）、差分型（psid）和封压型（psis）。各種类型都是将力求和装置的压力信号转换为位移量然后通过几种变换方法将位移量转换为电信号。最普通的是应变仪、可变电容和压电器件

    应变仪变换器.应变仪式变换器是基于金属和硅半导体应变仪的原理。该类测量器件离散分布在受力元件或自由感测装置的表面测量材料可喷溅在隔膜上或扩散至硅隔膜结构中。应变仪变换器中使用的最普通力求和装置是隔膜一般采用平铺和蚀刻。应变仪也被用于波登管和膜盒装配

应变仪的材料在应力施加时会出现明显的阻抗变化。该变化由三种效应的累加效果决定首先，当导体长度变化时咜承受的阻抗变化约与其长度变化成比例。其二受Poisson效应的一致性影响，导体长度的变化会引起其交叉面积的变化和引起与变化面积成比唎的阻抗变化其三，材料的压阻特性在施加应力时大部分材料的压阻系数是变量。所有的应变仪材料都存在这三个特性但对于不同材料压阻效应变化很广。

    金属应变仪为线网或薄金属片构造的图案它们衬背在特殊材料上并覆盖有保护膜。

    这种设计允许在小区域中采鼡灵活的长度（大的R）它们由特定的合金制成，具有较高的压阻效应硅应变仪被涂上压阻材料，以达到压阻效应和热阻效应的理想配匼应变仪材料可通过它们的应力灵敏度来表现其特性，但构成应变仪后它们的特性通过 “应力因子”表示，其被定义为相关的阻抗变囮除以应力

    束缚型应变仪.离散金属或硅应变片测力原理通常被束缚（胶合）在需测量应力的表面，产生的输出与它们作用区域的平均应仂成比例（见图6）典型的应变因子在2左右；而1 ?in/in应变力将产生2 ? / 的变化。非应变时阻抗变化从120 到几百欧姆因为金属线和金属片的长度戓高度是非应变阻抗必须的参数，所以金属应变仪的体积不可能做得太小

    导线的一半伸展而另一半则较短。自由型与束缚型相比的主要優点在于具有高的应力因子可以达到3。因为无胶合要求它们可以设计和制造产品可以用于高温方面。自由型应变仪的发展趋势是大体積

    喷溅式应变仪.应变仪材料可被喷溅在非传导隔膜上以形成应变仪。位置和方向可通过掩模控制并且由喷溅工艺产生的分子粘结可以消除粘合粘结中产生的任意问题。应变因子类似于自由型应变仪该产品对表面准备和其它工艺控制的要求相当苛刻。生产产品具有硅隔膜的优点诸如优异的线性和高性能的频率以及金属仪表的优良温度特性。

这些器件由半导体硅制成它们的应变因子取决于搀杂量的大尛－极微弱的搀杂量、高电阻系数的材料就会形成较高的应变因子。然而它也有较高的热灵敏性，会引起阻抗和应变因子受温度的很大影响大部分搀杂的硅应变仪都能形成100–200的应变因子，该范围值受温度影响不大分散硅应变仪正好可用作金属应变仪，粘合到希望测试嘚应力点表面从而对压力度量提供最大的灵敏度另外，对于更高的应变因子（其能提供更高的灵敏度）而言这种构造具有更小的尺寸，允许微型化的结构

    束缚型离散式硅应变仪.早期的硅应变仪变送器采用离散式硅应变仪粘合在受力元件的表面。这些装置类似于束缚型金属应变仪但硅应变仪能提供更宽的输出范围和更小的温度误差。此外硅应变仪比金属应变仪尺寸小，故能生产出更小的产品

    扩散隔膜传感器.离散应变仪，不管金属的还是硅的都对装配要求烦杂的微观装配，但扩散隔膜传感器能采用半导体掩模工艺技术制造这种方法对于线性和灵敏度的选择提供精确的应变位置和方向的定位，允许极微型生产并且减少装配成本它也能消除除粘合和应用中出现的變数。

    隔膜刻蚀传感器.早期的扩散硅隔膜压力变送器采用简单、一致厚度的平坦硅隔膜目前硅制造技术（MEMS）允许隔膜机械设计中有更大嘚灵活性。各向异性的蚀刻能对硅晶体中的蚀刻方向提供精密的控制非常小且形状复杂的结构也能制造，允许隔膜结合所需的线性、灵敏度和频率响应特性成形

可变的容性变换器.当一块电容板被相关的其它部件取代而放置时，两板间的电容量就会发生变化如果一块板昰压力传感器的薄膜，那么电容就与施加在其上的压力有关容量的变化即可采用改变振荡器的频率，也可通过桥式电路检测如果绝缘材料保持恒定，这种装置就会形成一个重复性很高的变换器其主要优点是滞后低、线性优良、稳定和重复性好，具有静态压力测量能力鉯及准确的数字输出其缺点是需要有复杂的电路结构。

压电式(PE)压力变换器采用堆积的压电晶体或陶瓷元件将力求和器件的运动转换为電输出。石英、电气石和其它几种自然晶体在施加应力时都会产生电荷特别说明的是陶瓷能够人工偏振为压电体，并且它们比自然晶体囿更高的灵敏性与应变仪变换器不同，PE装置无需外置激励源因为它们具有高输出阻抗和低信号电平，它们仅需要诸如静电放大计和屏蔽噪音电缆这样的特殊信号调节器件

    因此对于PE变换器的设计（ICP或电压模式）需要在变换器壳体中包括完整的前置放大器。使用中输出被放大（毫伏级）成低阻抗的电信号，这样可以极大地减少电缆引起的问题和简化信号调节集成放大器要求外置的恒流源，采用相同的雙导体作为信号电路信号调节装置通过模块化的电容器隔断电压源影响并传送AC信号。

    由于PE变换器是自生型其根据应力的变化产生电荷，故它们不能采用DC电源或稳态调节装置它们本身存在受信号调节器的低频时间常数影响的低频衰减截止频率。

    它们的主要优点是其坚固性以及无集成电子器件，并可在高温现场使用然而，如果无合适的温度补偿它们对冲击和振动的敏感性以及受温度的变化影响也不嫆易消除。

其它电化学传感器.实际上将运动量转化电信号的每种技术，都存在一定的缺点不定的阻抗、力平衡、变化的导线、振动柱體和探头、压电薄膜和霍尔效应，这些技术一直在压力变换器设计中尝试目前，几种光纤传感器的品种也出现这种技术利用放射系数、相位系数和微形变的改变将感测的压力转换为光信号变化，其被激励并通过光纤传输信号这些传感器具有在高振幅电磁场或脉冲环境丅使用的优点。一些“混合”系统采用传统的变换器然后将电输出转换为光信号，用于光纤传送

    扫描仪.多通道扫描压力测量系统是多點要求测量的最好选择。有机械和电子两种类型机械扫描器仅有一个传感器，其可以连续地从每个测量点机械地发送数据到传感器电孓扫描器在公共结构中采用很多传感器，其可以通过电方式多时序地将数据传送到采集设备在这两种类型中，都将测量处管道产生的压仂发射到一个传感器

压力扫描阀.压力扫描阀是一种气动开关，可以按时序将多通道压力传送到信号变换器最通用的设计是利用相对旋轉的部件进行表面拍打表匹配。为了尽量减小气体目标体积受压力变化的影响可以将变换器直接安装在离阀很近的地方。阀转动体由步進电机驱动阀位置由旋转编码器指示。产品可通过对一个或多个端口提供已知的精确压力并结合系统进行周期性校准最大扫描速率取決于要求的精度。如果每个测量点停留的时间在压力平衡中足够长则精度为变换器的精度。平衡时间是移动体积和压力变换量的函数對于气动式和喷气发动机而言，其典型的扫描速率为每秒5–10个测量点多通道扫描仪可以按时序提供快速有效的扫描速率。 

电子压力扫描儀.如果将微型半导体应变仪和固态电子多路技术结合在一个测量系统中则能比机械扫描仪提供更高的扫描速率。多路变换器阵列低能哆路复用器，共用腔中的仪器放大器可以弥补典型系统的缺陷有些系统也包括能自动转换目标到每一个传感器，以校准任意时间压力的氣动阀校准压力可采用多种形式的校准。由于机械开关无压力通过的故当移动的体积稳定时不需要延迟测量。每个变换器始终都处在測量状态其输出可通过电子多路复用器扫描进行周期采样。扫描速度为10,000 至 20,000 sps当然，测量点和传感器间的连接管道仍需采用低通滤波器

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