電子萬能試驗(yàn)機(jī)知識(shí)概論
發(fā)布時(shí)間：2018-11-23 來源：濟(jì)南恒思盛大儀器有限公司 瀏覽：
屈服點(diǎn)在材料力學(xué)性能試驗(yàn)中是非常重要的，在許多的時(shí)候，它的重要性甚至大于材料的極限強(qiáng)度值 ( 極限強(qiáng)度是所有材料力學(xué)性能必需求取的指標(biāo)之一 ) ，然而非常準(zhǔn)確的求取它，在許多的時(shí)候又是一件不太容易的事。它受到許多因素的制約，歸納起來有：
一、夾具的影響； 二、 試驗(yàn)機(jī)測(cè)控環(huán)節(jié)的影響； 三、 結(jié)果處理軟件的影響； 四、 試驗(yàn)人員理論水平的影響等。
一、夾具的影響； 二、 試驗(yàn)機(jī)測(cè)控環(huán)節(jié)的影響； 三、 結(jié)果處理軟件的影響； 四、 試驗(yàn)人員理論水平的影響等。
一、 夾具的影響
這類影響在 試驗(yàn)中發(fā)生的機(jī)率較高，主要表現(xiàn)為試樣夾持部分打滑或試驗(yàn)機(jī)某些力值傳遞環(huán)節(jié)間存在較大的間隙等因素，它在舊機(jī)器上出現(xiàn)的概率較大。由于機(jī)器在使用一段時(shí)間后，各相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件間會(huì)產(chǎn)生磨損現(xiàn)象，使得摩擦系數(shù)明顯降低，直觀的表現(xiàn)為夾塊的鱗狀尖峰被磨平，摩擦力大幅度的減小。當(dāng)試樣受力逐漸增大達(dá)到靜摩擦力時(shí)，試樣就會(huì)打滑，從而產(chǎn)生虛假屈服現(xiàn)象。
這類影響在 試驗(yàn)中發(fā)生的機(jī)率較高，主要表現(xiàn)為試樣夾持部分打滑或試驗(yàn)機(jī)某些力值傳遞環(huán)節(jié)間存在較大的間隙等因素，它在舊機(jī)器上出現(xiàn)的概率較大。由于機(jī)器在使用一段時(shí)間后，各相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件間會(huì)產(chǎn)生磨損現(xiàn)象，使得摩擦系數(shù)明顯降低，直觀的表現(xiàn)為夾塊的鱗狀尖峰被磨平，摩擦力大幅度的減小。當(dāng)試樣受力逐漸增大達(dá)到靜摩擦力時(shí)，試樣就會(huì)打滑，從而產(chǎn)生虛假屈服現(xiàn)象。
二、 試驗(yàn)機(jī)測(cè)控環(huán)節(jié)的影響
試驗(yàn)機(jī)測(cè)控環(huán)節(jié)是整個(gè)試驗(yàn)機(jī)的核心，隨著技術(shù)的發(fā)展，目前這一環(huán)節(jié)基本上采用了各種電子電路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)控。由于自動(dòng)測(cè)控知識(shí)的深?yuàn)W，結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，原理的不透明，一旦在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中考慮不周，就會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，并且難以分析其原因。針對(duì)材料屈服點(diǎn)的求取主要的有下列幾點(diǎn)：
1 、傳感器放大器頻帶太窄 由于目前試驗(yàn)機(jī)上所采用的力值檢測(cè)元件基本上為載荷傳感器或壓力傳感器，而這兩類傳感器都為模擬小信號(hào)輸出類型，在使用中必須進(jìn)行信號(hào)放大。眾所周知，在我們的環(huán)境中，存在著各種各樣的電磁干擾信號(hào)，這種干擾信號(hào)會(huì)通過許多不同的渠道偶合到測(cè)量信號(hào)中一起被放大，結(jié)果使得有用信號(hào)被干擾信號(hào)淹沒。為了從干擾信號(hào)中提取出有用信號(hào)，針對(duì)材料試驗(yàn)機(jī)的特點(diǎn)，一般在放大器中設(shè)置有低通濾波器。合理的設(shè)置低通濾波器的截止頻率，將放大器的頻帶限制在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶湍苁乖囼?yàn)機(jī)的測(cè)量控制性能得到極大的提高。然而在現(xiàn)實(shí)中，人們往往將數(shù)據(jù)的穩(wěn)定顯示看的非常重要，而忽略了數(shù)據(jù)的真實(shí)性，將濾波器的截止頻率設(shè)置的非常低。這樣在充分濾掉干擾信號(hào)的同時(shí)，往往把有用信號(hào)也一起濾掉了。就萬能材料試驗(yàn)機(jī)而言，筆者認(rèn)為這一頻帶小也應(yīng)大于 10HZ ，達(dá)到 30HZ 。在實(shí)際中，有時(shí)放大器的頻帶雖然達(dá)到了這一范圍，但人們往往忽略了 A/D 轉(zhuǎn)換器的頻帶寬度，以至于造成了實(shí)際的頻帶寬度小于設(shè)置頻寬。以眾多的試驗(yàn)機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用的 AD7705 、 AD7703 、 AD7701 等為例。 2 、數(shù)據(jù)采集速率太低 目前模擬信號(hào)的數(shù)據(jù)采集是通過 A/D 轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)的。 A/D 轉(zhuǎn)換器的種類很多，但在試驗(yàn)機(jī)上采用多的是∑－△型 A/D 轉(zhuǎn)換器。這類轉(zhuǎn)換器使用靈活，轉(zhuǎn)換速率可動(dòng)態(tài)調(diào)整，既可實(shí)現(xiàn)高速低精度的轉(zhuǎn)換，又可實(shí)現(xiàn)低速高精度的轉(zhuǎn)換。在試驗(yàn)機(jī)上由于對(duì)數(shù)據(jù)的采集速率要求不是太高，一般達(dá)每秒幾十次到幾百次就可滿足需求，因而一般多采用較低的轉(zhuǎn)換速率，以實(shí)現(xiàn)較高的測(cè)量精度。 3 、控制方法使用不當(dāng) 針對(duì)材料發(fā)生屈服時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系 ( 發(fā)生屈服時(shí)，應(yīng)力不變或產(chǎn)生上下波動(dòng)，而應(yīng)變則繼續(xù)增大 ) 國(guó)標(biāo)推薦的控制模式為恒應(yīng)變控制，而在屈服發(fā)生前的彈性階段控制模式為恒應(yīng)力控制，這在絕大多數(shù)試驗(yàn)機(jī)及某次試驗(yàn)中是很難完成的。對(duì)于使用恒位移控制 ( 速度控制 ) 的試驗(yàn)機(jī)，由于材料在彈性階段的應(yīng)力速率與應(yīng)變速率成正比關(guān)系，只要選擇合適的試驗(yàn)速度，全程采用速度控制就可兼容兩個(gè)階段的控制特性要求。但對(duì)于只有力控制一種模式的試驗(yàn)機(jī)，如果試驗(yàn)機(jī)的響應(yīng)特別快 ( 這是自動(dòng)控制努力想要達(dá)到的目的 ) ，則屈服發(fā)生的過程時(shí)間就會(huì)非常短，如果數(shù)據(jù)采集的速度不夠高，則就會(huì)丟失屈服值，優(yōu)異的控制性能反而變成了產(chǎn)生誤差的原因。所以在選擇試驗(yàn)機(jī)及控制方法時(shí)不要選擇單一的載荷控制模式。
三、 結(jié)果處理軟件的影響
目前生產(chǎn)的試驗(yàn)機(jī)絕大部分都配備了不同類型的計(jì)算機(jī) ( 如 PC 機(jī)，單片機(jī)等 )) ，以完成標(biāo)準(zhǔn)或用戶定義的各類數(shù)據(jù)測(cè)試。與過去廣泛采用的圖解法相比有了非常大的進(jìn)步。然而由于標(biāo)準(zhǔn)的滯后，原有的部分定義，就顯得不夠明確。如屈服點(diǎn)的定義，只有定性的解釋，而沒有定量的說明，很不適應(yīng)計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理的需求。這就造成了：
判斷條件的各自設(shè)定 就屈服點(diǎn)而言 ( 以金屬拉伸 GB/T 228-2002 為例 ) 標(biāo)準(zhǔn)是這樣定義的：“屈服強(qiáng)度：當(dāng)金屬材料呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象時(shí)，在試驗(yàn)期間達(dá)到塑性變形發(fā)生而力不增加的應(yīng)力點(diǎn)，應(yīng)區(qū)分上屈服強(qiáng)度和下屈服強(qiáng)度。上屈服強(qiáng)度：試樣發(fā)生屈服而力首次下降前的應(yīng)力。 下屈服強(qiáng)度 ：在屈服期間，不計(jì)初始瞬時(shí)效應(yīng)時(shí)的應(yīng)力。 " 屈服強(qiáng)度的疑問 ：如何理解“塑性變形發(fā)生而力不增加 ( 保持恒定 )" ？由于各種干擾源的存在，即使材料在屈服階段真的力值保持恒定 ( 這是不可能的 ) ，計(jì)算機(jī)所采集的數(shù)據(jù)也不會(huì)保持恒定，這就需要給出一個(gè)允許的數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍，由于國(guó)標(biāo)未作定義，所以各個(gè)試驗(yàn)機(jī)生產(chǎn)廠家只好自行定義。由于條件的不統(tǒng)一，所求結(jié)果自然也就有所差異。 上下屈服強(qiáng)度的疑問 ：若材料出現(xiàn)上下屈服點(diǎn)，則必然出現(xiàn)力值的上下波動(dòng)，但這個(gè)波動(dòng)的幅度是多少呢？國(guó)標(biāo)未作解釋，若取的太小，可能將干擾誤求為上下屈服點(diǎn)，若取得太大，則可能將部分上下屈服點(diǎn)丟失。目前為了解決這一難題，各廠家都想了許多的辦法，如按材料進(jìn)行分類定義“誤差帶 " 及“波動(dòng)幅度 " ，這可以解決大部分的使用問題。但對(duì)不常見的材料及新材料的研究依然不能解決問題。為此部分廠家將“誤差帶 " 及“波動(dòng)幅度 " 設(shè)計(jì)為用戶自定義參數(shù)，這從理論上解決了問題，但對(duì)使用者卻提出了極高的要求。對(duì)下屈服點(diǎn)定義中“不計(jì)初始瞬時(shí)效應(yīng) " 的誤解什么叫“初始瞬時(shí)效應(yīng) " ？它是如何產(chǎn)生，是否所有的試驗(yàn)都存在？這些問題國(guó)標(biāo)都未作解釋。所以在求取下屈服強(qiáng)度時(shí)絕大多數(shù)的情況都是丟掉了個(gè)“下峰點(diǎn) " 的。既然不是所有的試驗(yàn)機(jī)都存在初始瞬時(shí)的效應(yīng)，所以在求取結(jié)果時(shí)就不能一律丟掉個(gè)下峰點(diǎn)。但事實(shí)上，大部分的廠家的試驗(yàn)機(jī)處理程序都是丟掉了個(gè)下峰點(diǎn)的。
四、 試驗(yàn)人員的影響
在試驗(yàn)設(shè)備已確定的情況下，試驗(yàn)結(jié)果的優(yōu)劣就完全取決于試驗(yàn)人員的綜合素質(zhì)。目前我國(guó)材料試驗(yàn)機(jī)的操作人員綜合素質(zhì)普遍不高，專業(yè)知識(shí)與理論水平普遍較為欠缺，再加上新概念、新名詞的不斷出現(xiàn)，使他們很難適應(yīng)材料試驗(yàn)的需求。
試驗(yàn)機(jī)測(cè)控環(huán)節(jié)是整個(gè)試驗(yàn)機(jī)的核心，隨著技術(shù)的發(fā)展，目前這一環(huán)節(jié)基本上采用了各種電子電路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)控。由于自動(dòng)測(cè)控知識(shí)的深?yuàn)W，結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，原理的不透明，一旦在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中考慮不周，就會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，并且難以分析其原因。針對(duì)材料屈服點(diǎn)的求取主要的有下列幾點(diǎn)：
1 、傳感器放大器頻帶太窄 由于目前試驗(yàn)機(jī)上所采用的力值檢測(cè)元件基本上為載荷傳感器或壓力傳感器，而這兩類傳感器都為模擬小信號(hào)輸出類型，在使用中必須進(jìn)行信號(hào)放大。眾所周知，在我們的環(huán)境中，存在著各種各樣的電磁干擾信號(hào)，這種干擾信號(hào)會(huì)通過許多不同的渠道偶合到測(cè)量信號(hào)中一起被放大，結(jié)果使得有用信號(hào)被干擾信號(hào)淹沒。為了從干擾信號(hào)中提取出有用信號(hào)，針對(duì)材料試驗(yàn)機(jī)的特點(diǎn)，一般在放大器中設(shè)置有低通濾波器。合理的設(shè)置低通濾波器的截止頻率，將放大器的頻帶限制在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶湍苁乖囼?yàn)機(jī)的測(cè)量控制性能得到極大的提高。然而在現(xiàn)實(shí)中，人們往往將數(shù)據(jù)的穩(wěn)定顯示看的非常重要，而忽略了數(shù)據(jù)的真實(shí)性，將濾波器的截止頻率設(shè)置的非常低。這樣在充分濾掉干擾信號(hào)的同時(shí)，往往把有用信號(hào)也一起濾掉了。就萬能材料試驗(yàn)機(jī)而言，筆者認(rèn)為這一頻帶小也應(yīng)大于 10HZ ，達(dá)到 30HZ 。在實(shí)際中，有時(shí)放大器的頻帶雖然達(dá)到了這一范圍，但人們往往忽略了 A/D 轉(zhuǎn)換器的頻帶寬度，以至于造成了實(shí)際的頻帶寬度小于設(shè)置頻寬。以眾多的試驗(yàn)機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用的 AD7705 、 AD7703 、 AD7701 等為例。 2 、數(shù)據(jù)采集速率太低 目前模擬信號(hào)的數(shù)據(jù)采集是通過 A/D 轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)的。 A/D 轉(zhuǎn)換器的種類很多，但在試驗(yàn)機(jī)上采用多的是∑－△型 A/D 轉(zhuǎn)換器。這類轉(zhuǎn)換器使用靈活，轉(zhuǎn)換速率可動(dòng)態(tài)調(diào)整，既可實(shí)現(xiàn)高速低精度的轉(zhuǎn)換，又可實(shí)現(xiàn)低速高精度的轉(zhuǎn)換。在試驗(yàn)機(jī)上由于對(duì)數(shù)據(jù)的采集速率要求不是太高，一般達(dá)每秒幾十次到幾百次就可滿足需求，因而一般多采用較低的轉(zhuǎn)換速率，以實(shí)現(xiàn)較高的測(cè)量精度。 3 、控制方法使用不當(dāng) 針對(duì)材料發(fā)生屈服時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系 ( 發(fā)生屈服時(shí)，應(yīng)力不變或產(chǎn)生上下波動(dòng)，而應(yīng)變則繼續(xù)增大 ) 國(guó)標(biāo)推薦的控制模式為恒應(yīng)變控制，而在屈服發(fā)生前的彈性階段控制模式為恒應(yīng)力控制，這在絕大多數(shù)試驗(yàn)機(jī)及某次試驗(yàn)中是很難完成的。對(duì)于使用恒位移控制 ( 速度控制 ) 的試驗(yàn)機(jī)，由于材料在彈性階段的應(yīng)力速率與應(yīng)變速率成正比關(guān)系，只要選擇合適的試驗(yàn)速度，全程采用速度控制就可兼容兩個(gè)階段的控制特性要求。但對(duì)于只有力控制一種模式的試驗(yàn)機(jī)，如果試驗(yàn)機(jī)的響應(yīng)特別快 ( 這是自動(dòng)控制努力想要達(dá)到的目的 ) ，則屈服發(fā)生的過程時(shí)間就會(huì)非常短，如果數(shù)據(jù)采集的速度不夠高，則就會(huì)丟失屈服值，優(yōu)異的控制性能反而變成了產(chǎn)生誤差的原因。所以在選擇試驗(yàn)機(jī)及控制方法時(shí)不要選擇單一的載荷控制模式。
三、 結(jié)果處理軟件的影響
目前生產(chǎn)的試驗(yàn)機(jī)絕大部分都配備了不同類型的計(jì)算機(jī) ( 如 PC 機(jī)，單片機(jī)等 )) ，以完成標(biāo)準(zhǔn)或用戶定義的各類數(shù)據(jù)測(cè)試。與過去廣泛采用的圖解法相比有了非常大的進(jìn)步。然而由于標(biāo)準(zhǔn)的滯后，原有的部分定義，就顯得不夠明確。如屈服點(diǎn)的定義，只有定性的解釋，而沒有定量的說明，很不適應(yīng)計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理的需求。這就造成了：
判斷條件的各自設(shè)定 就屈服點(diǎn)而言 ( 以金屬拉伸 GB/T 228-2002 為例 ) 標(biāo)準(zhǔn)是這樣定義的：“屈服強(qiáng)度：當(dāng)金屬材料呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象時(shí)，在試驗(yàn)期間達(dá)到塑性變形發(fā)生而力不增加的應(yīng)力點(diǎn)，應(yīng)區(qū)分上屈服強(qiáng)度和下屈服強(qiáng)度。上屈服強(qiáng)度：試樣發(fā)生屈服而力首次下降前的應(yīng)力。 下屈服強(qiáng)度 ：在屈服期間，不計(jì)初始瞬時(shí)效應(yīng)時(shí)的應(yīng)力。 " 屈服強(qiáng)度的疑問 ：如何理解“塑性變形發(fā)生而力不增加 ( 保持恒定 )" ？由于各種干擾源的存在，即使材料在屈服階段真的力值保持恒定 ( 這是不可能的 ) ，計(jì)算機(jī)所采集的數(shù)據(jù)也不會(huì)保持恒定，這就需要給出一個(gè)允許的數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍，由于國(guó)標(biāo)未作定義，所以各個(gè)試驗(yàn)機(jī)生產(chǎn)廠家只好自行定義。由于條件的不統(tǒng)一，所求結(jié)果自然也就有所差異。 上下屈服強(qiáng)度的疑問 ：若材料出現(xiàn)上下屈服點(diǎn)，則必然出現(xiàn)力值的上下波動(dòng)，但這個(gè)波動(dòng)的幅度是多少呢？國(guó)標(biāo)未作解釋，若取的太小，可能將干擾誤求為上下屈服點(diǎn)，若取得太大，則可能將部分上下屈服點(diǎn)丟失。目前為了解決這一難題，各廠家都想了許多的辦法，如按材料進(jìn)行分類定義“誤差帶 " 及“波動(dòng)幅度 " ，這可以解決大部分的使用問題。但對(duì)不常見的材料及新材料的研究依然不能解決問題。為此部分廠家將“誤差帶 " 及“波動(dòng)幅度 " 設(shè)計(jì)為用戶自定義參數(shù)，這從理論上解決了問題，但對(duì)使用者卻提出了極高的要求。對(duì)下屈服點(diǎn)定義中“不計(jì)初始瞬時(shí)效應(yīng) " 的誤解什么叫“初始瞬時(shí)效應(yīng) " ？它是如何產(chǎn)生，是否所有的試驗(yàn)都存在？這些問題國(guó)標(biāo)都未作解釋。所以在求取下屈服強(qiáng)度時(shí)絕大多數(shù)的情況都是丟掉了個(gè)“下峰點(diǎn) " 的。既然不是所有的試驗(yàn)機(jī)都存在初始瞬時(shí)的效應(yīng)，所以在求取結(jié)果時(shí)就不能一律丟掉個(gè)下峰點(diǎn)。但事實(shí)上，大部分的廠家的試驗(yàn)機(jī)處理程序都是丟掉了個(gè)下峰點(diǎn)的。
四、 試驗(yàn)人員的影響
在試驗(yàn)設(shè)備已確定的情況下，試驗(yàn)結(jié)果的優(yōu)劣就完全取決于試驗(yàn)人員的綜合素質(zhì)。目前我國(guó)材料試驗(yàn)機(jī)的操作人員綜合素質(zhì)普遍不高，專業(yè)知識(shí)與理論水平普遍較為欠缺，再加上新概念、新名詞的不斷出現(xiàn)，使他們很難適應(yīng)材料試驗(yàn)的需求。
