万能材料试验机的工作原理
点击次数：290 发布时间：2009-11-6 14:49:46
万能材料试验机的工作原理
万能材料试验是现代电子技术与机械传动技术相结合的产物，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，且有测量范围宽、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。
万能材料试验机是由测量系统、驱动系统、控制系统及电脑（电脑系统型拉力试验机）等结构组成。 
一.万能材料试验机的测量系统
1.力值的测量
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式传感
器。
所谓应变片式传感器，就是由【应变片】、弹性元件和某些附件（补偿元件、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，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组成桥路，
R1、R2、R3、R4，实际为阻值相等的4片（或8片）应变片，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
则△E=[R1R2/（R1+R2）2]△R1/R1-△R2/R2+△R3/R3-△R4/R4）U
式中U为外电源供给桥路的电压
进一步简化有
△E=[R2/4R2]（△R1/R-△R2/R+△R3/R-△R4/R）U
将△Ri/Ri=Kεi代上上式
则有 △E=[UK/4]（ε1-ε2+ε3-ε4）
简单来说，外力P引起传感器内应变片的变形，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。
一般来说，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转换芯片转变为数字信号，然后进行数据处理，至此，力的测量告一段落。
2.形变的测量
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。
该装置上有两个夹头，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。
3.横梁位移的测量
其原理同变形测量大致相同，都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。
二.万能材料试验机的驱动系统
主要是用于试验机的横梁移动，其工作原理是由伺服系统控制电机，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，可以改变横梁的移动速度。
三.万能材料试验机的控制系统
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，通过显示屏可以获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。试验机同电脑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。
电子万能试验机与液压万能试验机的区别
电子万能试验机与液压万能试验机均属于材料力学检测仪器，但在结构设计、使用性能、应用范围等方面具有各自的特点，用户可根据所在行业具体使用环境来决定选用电子万能试验机还是液压万能试验机。电子万能试验机与液压万能试验机的区别如下：
一、在结构特点上
电子万能试验机主要采用伺服电机作为动力源，丝杠、丝母作为执行部件，实现试验机移动横梁的速度控制。在传动控制上，目前主要有两种形式，同步带和减速机；在测力上电子万能试验机均采用负荷传感器。
液压万能试验机主要采用高压液压源为动力源，采用手动阀、伺服阀或比例阀作为控制元件进行控制。普通液压万能试验机只能进行人工手动实现加载，属于开环控制系统，受价格因素的影响，测力传感器一般采用液压压力传感器。而电液伺服类万能试验机则是采用伺服阀或比例阀作为控制元件进行控制，国内有些厂家亦已经采用高精度负荷传感器来进行测力。
二、在使用性能上
电子万能试验机，不用油源，所以更清洁，使用维护更方便；它的试验速度范围可进行调整，试验速度可达0.001mm/min～1000mm/min，速比可达100万倍之多，试验行程可按需要而定，更灵活；测力精度高，有些甚至能达到0.2%；体积小、重量轻、空间大、方便加
配相应装置来做各项材料力学试验，真正做到了一机多用。目前国内的主流试验机厂家生产的电子万能试验机，均可以做到载荷控制、应变控制、位移控制所谓的三闭环控制。
液压万能试验机，受油源流量的限制，试验速度较低。手动液压万能试验机，操作较为简易，价格便宜，但控制精度较低；电液伺服万能试验机，则性能与电子万能试验机相比，除速度低外，控制精度也不逊；采用负荷传感器的微机控制电液伺服万能试验机，力值精度也可以达到0.5%左右，且在做大吨位的材料力学试验时，更更可靠、更稳定、性价比更高。
三、在应用范围上
电子万能试验机，广泛应用于各种金属、非金属及复合材料，如木材、塑料型材、电线电缆、纸张、薄膜、橡胶、医药、食品包装材料、织物等进行拉伸性能指标的测试。同时可根据用户提供的国内、国际标准定做各种试验数据处理软件和试验辅具。数字显示电子万能试验机适合于只求力值、抗拉强度、抗压强度等相关数据的用户，如需求取较为复杂参数，微机控制电子万能试验机是更好的选择。
从性价比来说，30T以下的电子万能试验机更有优势。液压万能试验机主要用于金属、非金属材料和零件、部件、构件的拉伸、压缩、弯曲等力学性能试验。液压万能试验机是工矿企业、建筑建材、质检中心、水利水电、桥梁工程、科研院所、大专院校力学试验室的理想的试验设备。手动控制的液压万能试验机，价格便宜，适合工矿企业的成品检验、单一材料指标测试；而电液伺服万能试验机，则适合要求较高的钢铁、建材检测类的试验室。30T以上电液伺服万能试验机与电子万能试验机相比，更有价格优势。
拉力试验机的精度级别
拉力试验机按照测量力的量值、变形量值及其他参数所具有的准确度、以及拉力试验机性能能够达到的多项技术指标，可将其划分为0.5级和1级两个精度等级。拉力试验机的精度级别的技术指标见表1～表5。
表1：测力系统允许误差
汽车漂移原理
精度级别
最大允许值%
示值相对误差
q
示值重复性相对误差
b
示值进回程相对误差
v
零点相对误差
F0
相对分辨力
a
0.5
±0.5
0.5
±0.75
±0.25
0.25
1
±1.0
1.0
±1.5
±0.5
0.5
表2：同轴度最大允许值
精度级别
同轴度最大允许值%
0.5
12
1
15
表3：横梁移动速度相对误差
精度级别
0.5
1
横梁移动速度相对误差%
±0.5
±1
表4：测力系统漂移允许值
精度级别
0.5
1
零点漂移%
±0.5
±1
表5：引伸计级别和引伸计各项允许误差
引伸计
精度级别
最大允许值
标距相对误差
qle
%
分辨力a
示值误差a
示值进回程相对误差
μ
%
相对
re/li
%
绝对
re
µm
相对误差
qe
%
绝对误差
li-lt
µm
0.5
±0.5
0.25
0.5
±0.5
±1.5
±0.75
1
±1.0
0.50
1.0
±1.0
±3.0
±1.5
   既然精度级别代表拉力试验机的各项性能，那么通过精度级别就能准确快速了解拉力试验机的整体性能表现。
拉力试验机的分类
拉力试验机通常也称为材料试验机、万能试验机，是采用机械加力来对材料进行拉伸、压缩、弯曲、剪切、剥离等力学性能试验的精密检测仪器，其使用行业范围广泛，是材料开发、物性试验、教学研究、质量控制、进料检验、生产线随机检验等不可缺少的检测设备。拉力试验机的分类方法如下：
一、按照自动化程度高低可分为
1.指针式拉力试验机：这种传统型的拉力试验机由于测试精度低，性价比低，现在已经基本上被数显式拉力试验机淘汰。但是在小力量范围内，就是我们常见的拉力计，常被工厂用于小制品的简单力量测试，因其价格低廉，还是颇受欢迎。
2.数显式拉力试验机也称为微电脑型拉力试验机：测试数据直接显示在液晶屏上，测试项目比较固定，常用于工厂的质量控制。
3.电脑系统拉力试验机：是最通用的拉力试验机，由于测试数据通过电脑采集，再经过软件程序的计算处理得出用户想要的最终数据，而且可以通过报表的方式打印出来。常用于科研单位、检测机构、新产品开发等。
二、按照控制系统可分为
1.变频系统拉力试验机：采用变频马达控制系统，拉伸、压缩速度通过变频调速器控制。
2.伺服系统拉力试验机：采用伺服马达控制系统，拉伸、压缩速度及位移控制更准确。伺服马达系统为伺服控制系统，采用智能反馈型运算，可以定速测试、循环测试、编程测试等。
3.其他驱动方式拉力试验机：通过直流马达控制，该驱动方式的拉力试验机由于性价比低，现已逐步被淘汰。
三、按照行业及功能特点可分为
1.金属拉力试验机：金属材料拉伸强度大，延伸率小，需要配置金属标点引伸计。
2.橡胶拉力试验机：橡胶或弹性体延伸率比较大，需附带大标点伸长装置，同时夹具设计要考虑适合橡胶的特性、不能打滑。可增配O型圈夹具、轮胎行业装用夹具等。
3.塑料拉力试验机：塑料的拉伸强度比橡胶大，延伸率有大有小，且常常要测试三点抗弯试验。
4.纺织拉力试验机：纺织行业需要测试织物面料剥离、穿刺、撕裂，单纱拉伸等测试，夹具及软件比较特殊。
5.纸张拉力试验机：纸张需要测试拉伸强度、环压强度、竖压、平压、边压、剥离强度等，夹具较多。
6.皮革拉力试验机：皮革需要测试拉伸强度、撕裂强度等，测试项目比较简单。
电子拉力试验机的工作原理
    电子拉力试验机是拉力试验机技术与机械传动技术、传感器技术、自动化控制技术相结合的产物，是一台大型精密力学检测仪器，也是试验室中最常用的力学检测仪器，主要用
于金属、非金属材料的拉伸、压缩、弯曲、剥离、剪切等多项力学性能测试，具有测量范围宽、精度高、响应快等特点，并可对试验数据进行实时显示记录、存储、打印输出。因此，电子拉力试验机被广泛应用于质量监督、教学科研、航空航天、钢铁冶金、汽车、建工建材等领域。