电子万能试验机知识概论
发布时间：2018-11-23 来源：济南恒思盛大仪器有限公司 浏览：
屈服点在材料力学性能试验中是非常重要的，在许多的时候，它的重要性甚至大于材料的极限强度值 ( 极限强度是所有材料力学性能必需求取的指标之一 ) ，然而非常准确的求取它，在许多的时候又是一件不太容易的事。它受到许多因素的制约，归纳起来有：
一、夹具的影响； 二、 试验机测控环节的影响； 三、 结果处理软件的影响； 四、 试验人员理论水平的影响等。
一、夹具的影响； 二、 试验机测控环节的影响； 三、 结果处理软件的影响； 四、 试验人员理论水平的影响等。
一、 夹具的影响
这类影响在 试验中发生的机率较高，主要表现为试样夹持部分打滑或试验机某些力值传递环节间存在较大的间隙等因素，它在旧机器上出现的概率较大。由于机器在使用一段时间后，各相对运动部件间会产生磨损现象，使得摩擦系数明显降低，直观的表现为夹块的鳞状尖峰被磨平，摩擦力大幅度的减小。当试样受力逐渐增大达到静摩擦力时，试样就会打滑，从而产生虚假屈服现象。
这类影响在 试验中发生的机率较高，主要表现为试样夹持部分打滑或试验机某些力值传递环节间存在较大的间隙等因素，它在旧机器上出现的概率较大。由于机器在使用一段时间后，各相对运动部件间会产生磨损现象，使得摩擦系数明显降低，直观的表现为夹块的鳞状尖峰被磨平，摩擦力大幅度的减小。当试样受力逐渐增大达到静摩擦力时，试样就会打滑，从而产生虚假屈服现象。
二、 试验机测控环节的影响
试验机测控环节是整个试验机的核心，随着技术的发展，目前这一环节基本上采用了各种电子电路实现自动测控。由于自动测控知识的深奥，结构的复杂，原理的不透明，一旦在产品的设计中考虑不周，就会对结果产生严重的影响，并且难以分析其原因。针对材料屈服点的求取主要的有下列几点：
1 、传感器放大器频带太窄 由于目前试验机上所采用的力值检测元件基本上为载荷传感器或压力传感器，而这两类传感器都为模拟小信号输出类型，在使用中必须进行信号放大。众所周知，在我们的环境中，存在着各种各样的电磁干扰信号，这种干扰信号会通过许多不同的渠道偶合到测量信号中一起被放大，结果使得有用信号被干扰信号淹没。为了从干扰信号中提取出有用信号，针对材料试验机的特点，一般在放大器中设置有低通滤波器。合理的设置低通滤波器的截止频率，将放大器的频带限制在一个适当的范围，就能使试验机的测量控制性能得到极大的提高。然而在现实中，人们往往将数据的稳定显示看的非常重要，而忽略了数据的真实性，将滤波器的截止频率设置的非常低。这样在充分滤掉干扰信号的同时，往往把有用信号也一起滤掉了。就万能材料试验机而言，笔者认为这一频带小也应大于 10HZ ，达到 30HZ 。在实际中，有时放大器的频带虽然达到了这一范围，但人们往往忽略了 A/D 转换器的频带宽度，以至于造成了实际的频带宽度小于设置频宽。以众多的试验机数据采集系统选用的 AD7705 、 AD7703 、 AD7701 等为例。 2 、数据采集速率太低 目前模拟信号的数据采集是通过 A/D 转换器来实现的。 A/D 转换器的种类很多，但在试验机上采用多的是∑－△型 A/D 转换器。这类转换器使用灵活，转换速率可动态调整，既可实现高速低精度的转换，又可实现低速高精度的转换。在试验机上由于对数据的采集速率要求不是太高，一般达每秒几十次到几百次就可满足需求，因而一般多采用较低的转换速率，以实现较高的测量精度。 3 、控制方法使用不当 针对材料发生屈服时应力与应变的关系 ( 发生屈服时，应力不变或产生上下波动，而应变则继续增大 ) 国标推荐的控制模式为恒应变控制，而在屈服发生前的弹性阶段控制模式为恒应力控制，这在绝大多数试验机及某次试验中是很难完成的。对于使用恒位移控制 ( 速度控制 ) 的试验机，由于材料在弹性阶段的应力速率与应变速率成正比关系，只要选择合适的试验速度，全程采用速度控制就可兼容两个阶段的控制特性要求。但对于只有力控制一种模式的试验机，如果试验机的响应特别快 ( 这是自动控制努力想要达到的目的 ) ，则屈服发生的过程时间就会非常短，如果数据采集的速度不够高，则就会丢失屈服值，优异的控制性能反而变成了产生误差的原因。所以在选择试验机及控制方法时不要选择单一的载荷控制模式。
三、 结果处理软件的影响
目前生产的试验机绝大部分都配备了不同类型的计算机 ( 如 PC 机，单片机等 )) ，以完成标准或用户定义的各类数据测试。与过去广泛采用的图解法相比有了非常大的进步。然而由于标准的滞后，原有的部分定义，就显得不够明确。如屈服点的定义，只有定性的解释，而没有定量的说明，很不适应计算机自动处理的需求。这就造成了：
判断条件的各自设定 就屈服点而言 ( 以金属拉伸 GB/T 228-2002 为例 ) 标准是这样定义的：“屈服强度：当金属材料呈现屈服现象时，在试验期间达到塑性变形发生而力不增加的应力点，应区分上屈服强度和下屈服强度。上屈服强度：试样发生屈服而力首次下降前的应力。 下屈服强度 ：在屈服期间，不计初始瞬时效应时的应力。 " 屈服强度的疑问 ：如何理解“塑性变形发生而力不增加 ( 保持恒定 )" ？由于各种干扰源的存在，即使材料在屈服阶段真的力值保持恒定 ( 这是不可能的 ) ，计算机所采集的数据也不会保持恒定，这就需要给出一个允许的数据波动范围，由于国标未作定义，所以各个试验机生产厂家只好自行定义。由于条件的不统一，所求结果自然也就有所差异。 上下屈服强度的疑问 ：若材料出现上下屈服点，则必然出现力值的上下波动，但这个波动的幅度是多少呢？国标未作解释，若取的太小，可能将干扰误求为上下屈服点，若取得太大，则可能将部分上下屈服点丢失。目前为了解决这一难题，各厂家都想了许多的办法，如按材料进行分类定义“误差带 " 及“波动幅度 " ，这可以解决大部分的使用问题。但对不常见的材料及新材料的研究依然不能解决问题。为此部分厂家将“误差带 " 及“波动幅度 " 设计为用户自定义参数，这从理论上解决了问题，但对使用者却提出了极高的要求。对下屈服点定义中“不计初始瞬时效应 " 的误解什么叫“初始瞬时效应 " ？它是如何产生，是否所有的试验都存在？这些问题国标都未作解释。所以在求取下屈服强度时绝大多数的情况都是丢掉了个“下峰点 " 的。既然不是所有的试验机都存在初始瞬时的效应，所以在求取结果时就不能一律丢掉个下峰点。但事实上，大部分的厂家的试验机处理程序都是丢掉了个下峰点的。
四、 试验人员的影响
在试验设备已确定的情况下，试验结果的优劣就完全取决于试验人员的综合素质。目前我国材料试验机的操作人员综合素质普遍不高，专业知识与理论水平普遍较为欠缺，再加上新概念、新名词的不断出现，使他们很难适应材料试验的需求。
试验机测控环节是整个试验机的核心，随着技术的发展，目前这一环节基本上采用了各种电子电路实现自动测控。由于自动测控知识的深奥，结构的复杂，原理的不透明，一旦在产品的设计中考虑不周，就会对结果产生严重的影响，并且难以分析其原因。针对材料屈服点的求取主要的有下列几点：
1 、传感器放大器频带太窄 由于目前试验机上所采用的力值检测元件基本上为载荷传感器或压力传感器，而这两类传感器都为模拟小信号输出类型，在使用中必须进行信号放大。众所周知，在我们的环境中，存在着各种各样的电磁干扰信号，这种干扰信号会通过许多不同的渠道偶合到测量信号中一起被放大，结果使得有用信号被干扰信号淹没。为了从干扰信号中提取出有用信号，针对材料试验机的特点，一般在放大器中设置有低通滤波器。合理的设置低通滤波器的截止频率，将放大器的频带限制在一个适当的范围，就能使试验机的测量控制性能得到极大的提高。然而在现实中，人们往往将数据的稳定显示看的非常重要，而忽略了数据的真实性，将滤波器的截止频率设置的非常低。这样在充分滤掉干扰信号的同时，往往把有用信号也一起滤掉了。就万能材料试验机而言，笔者认为这一频带小也应大于 10HZ ，达到 30HZ 。在实际中，有时放大器的频带虽然达到了这一范围，但人们往往忽略了 A/D 转换器的频带宽度，以至于造成了实际的频带宽度小于设置频宽。以众多的试验机数据采集系统选用的 AD7705 、 AD7703 、 AD7701 等为例。 2 、数据采集速率太低 目前模拟信号的数据采集是通过 A/D 转换器来实现的。 A/D 转换器的种类很多，但在试验机上采用多的是∑－△型 A/D 转换器。这类转换器使用灵活，转换速率可动态调整，既可实现高速低精度的转换，又可实现低速高精度的转换。在试验机上由于对数据的采集速率要求不是太高，一般达每秒几十次到几百次就可满足需求，因而一般多采用较低的转换速率，以实现较高的测量精度。 3 、控制方法使用不当 针对材料发生屈服时应力与应变的关系 ( 发生屈服时，应力不变或产生上下波动，而应变则继续增大 ) 国标推荐的控制模式为恒应变控制，而在屈服发生前的弹性阶段控制模式为恒应力控制，这在绝大多数试验机及某次试验中是很难完成的。对于使用恒位移控制 ( 速度控制 ) 的试验机，由于材料在弹性阶段的应力速率与应变速率成正比关系，只要选择合适的试验速度，全程采用速度控制就可兼容两个阶段的控制特性要求。但对于只有力控制一种模式的试验机，如果试验机的响应特别快 ( 这是自动控制努力想要达到的目的 ) ，则屈服发生的过程时间就会非常短，如果数据采集的速度不够高，则就会丢失屈服值，优异的控制性能反而变成了产生误差的原因。所以在选择试验机及控制方法时不要选择单一的载荷控制模式。
三、 结果处理软件的影响
目前生产的试验机绝大部分都配备了不同类型的计算机 ( 如 PC 机，单片机等 )) ，以完成标准或用户定义的各类数据测试。与过去广泛采用的图解法相比有了非常大的进步。然而由于标准的滞后，原有的部分定义，就显得不够明确。如屈服点的定义，只有定性的解释，而没有定量的说明，很不适应计算机自动处理的需求。这就造成了：
判断条件的各自设定 就屈服点而言 ( 以金属拉伸 GB/T 228-2002 为例 ) 标准是这样定义的：“屈服强度：当金属材料呈现屈服现象时，在试验期间达到塑性变形发生而力不增加的应力点，应区分上屈服强度和下屈服强度。上屈服强度：试样发生屈服而力首次下降前的应力。 下屈服强度 ：在屈服期间，不计初始瞬时效应时的应力。 " 屈服强度的疑问 ：如何理解“塑性变形发生而力不增加 ( 保持恒定 )" ？由于各种干扰源的存在，即使材料在屈服阶段真的力值保持恒定 ( 这是不可能的 ) ，计算机所采集的数据也不会保持恒定，这就需要给出一个允许的数据波动范围，由于国标未作定义，所以各个试验机生产厂家只好自行定义。由于条件的不统一，所求结果自然也就有所差异。 上下屈服强度的疑问 ：若材料出现上下屈服点，则必然出现力值的上下波动，但这个波动的幅度是多少呢？国标未作解释，若取的太小，可能将干扰误求为上下屈服点，若取得太大，则可能将部分上下屈服点丢失。目前为了解决这一难题，各厂家都想了许多的办法，如按材料进行分类定义“误差带 " 及“波动幅度 " ，这可以解决大部分的使用问题。但对不常见的材料及新材料的研究依然不能解决问题。为此部分厂家将“误差带 " 及“波动幅度 " 设计为用户自定义参数，这从理论上解决了问题，但对使用者却提出了极高的要求。对下屈服点定义中“不计初始瞬时效应 " 的误解什么叫“初始瞬时效应 " ？它是如何产生，是否所有的试验都存在？这些问题国标都未作解释。所以在求取下屈服强度时绝大多数的情况都是丢掉了个“下峰点 " 的。既然不是所有的试验机都存在初始瞬时的效应，所以在求取结果时就不能一律丢掉个下峰点。但事实上，大部分的厂家的试验机处理程序都是丢掉了个下峰点的。
四、 试验人员的影响
在试验设备已确定的情况下，试验结果的优劣就完全取决于试验人员的综合素质。目前我国材料试验机的操作人员综合素质普遍不高，专业知识与理论水平普遍较为欠缺，再加上新概念、新名词的不断出现，使他们很难适应材料试验的需求。
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