電子萬能試驗機知識概論
發(fā)布時間：2018-11-23 來源：濟南恒思盛大儀器有限公司 瀏覽：
屈服點在材料力學性能試驗中是非常重要的，在許多的時候，它的重要性甚至大于材料的極限強度值 ( 極限強度是所有材料力學性能必需求取的指標之一 ) ，然而非常準確的求取它，在許多的時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、 試驗機測控環(huán)節(jié)的影響； 三、 結果處理軟件的影響； 四、 試驗人員理論水平的影響等。
一、夾具的影響； 二、 試驗機測控環(huán)節(jié)的影響； 三、 結果處理軟件的影響； 四、 試驗人員理論水平的影響等。
一、 夾具的影響
這類影響在 試驗中發(fā)生的機率較高，主要表現(xiàn)為試樣夾持部分打滑或試驗機某些力值傳遞環(huán)節(jié)間存在較大的間隙等因素，它在舊機器上出現(xiàn)的概率較大。由于機器在使用一段時間后，各相對運動部件間會產生磨損現(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。當試樣受力逐漸增大達到靜摩擦力時，試樣就會打滑，從而產生虛假屈服現(xiàn)象。
這類影響在 試驗中發(fā)生的機率較高，主要表現(xiàn)為試樣夾持部分打滑或試驗機某些力值傳遞環(huán)節(jié)間存在較大的間隙等因素，它在舊機器上出現(xiàn)的概率較大。由于機器在使用一段時間后，各相對運動部件間會產生磨損現(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。當試樣受力逐漸增大達到靜摩擦力時，試樣就會打滑，從而產生虛假屈服現(xiàn)象。
二、 試驗機測控環(huán)節(jié)的影響
試驗機測控環(huán)節(jié)是整個試驗機的核心，隨著技術的發(fā)展，目前這一環(huán)節(jié)基本上采用了各種電子電路實現(xiàn)自動測控。由于自動測控知識的深奧，結構的復雜，原理的不透明，一旦在產品的設計中考慮不周，就會對結果產生嚴重的影響，并且難以分析其原因。針對材料屈服點的求取主要的有下列幾點：
1 、傳感器放大器頻帶太窄 由于目前試驗機上所采用的力值檢測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輸出類型，在使用中必須進行信號放大。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，這種干擾信號會通過許多不同的渠道偶合到測量信號中一起被放大，結果使得有用信號被干擾信號淹沒。為了從干擾信號中提取出有用信號，針對材料試驗機的特點，一般在放大器中設置有低通濾波器。合理的設置低通濾波器的截止頻率，將放大器的頻帶限制在一個適當?shù)姆秶湍苁乖囼灆C的測量控制性能得到極大的提高。然而在現(xiàn)實中，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)的真實性，將濾波器的截止頻率設置的非常低。這樣在充分濾掉干擾信號的同時，往往把有用信號也一起濾掉了。就萬能材料試驗機而言，筆者認為這一頻帶小也應大于 10HZ ，達到 30HZ 。在實際中，有時放大器的頻帶雖然達到了這一范圍，但人們往往忽略了 A/D 轉換器的頻帶寬度，以至于造成了實際的頻帶寬度小于設置頻寬。以眾多的試驗機數(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 目前模擬信號的數(shù)據(jù)采集是通過 A/D 轉換器來實現(xiàn)的。 A/D 轉換器的種類很多，但在試驗機上采用多的是∑－△型 A/D 轉換器。這類轉換器使用靈活，轉換速率可動態(tài)調整，既可實現(xiàn)高速低精度的轉換，又可實現(xiàn)低速高精度的轉換。在試驗機上由于對數(shù)據(jù)的采集速率要求不是太高，一般達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換速率，以實現(xiàn)較高的測量精度。 3 、控制方法使用不當 針對材料發(fā)生屈服時應力與應變的關系 ( 發(fā)生屈服時，應力不變或產生上下波動，而應變則繼續(xù)增大 ) 國標推薦的控制模式為恒應變控制，而在屈服發(fā)生前的彈性階段控制模式為恒應力控制，這在絕大多數(shù)試驗機及某次試驗中是很難完成的。對于使用恒位移控制 ( 速度控制 ) 的試驗機，由于材料在彈性階段的應力速率與應變速率成正比關系，只要選擇合適的試驗速度，全程采用速度控制就可兼容兩個階段的控制特性要求。但對于只有力控制一種模式的試驗機，如果試驗機的響應特別快 ( 這是自動控制努力想要達到的目的 ) ，則屈服發(fā)生的過程時間就會非常短，如果數(shù)據(jù)采集的速度不夠高，則就會丟失屈服值，優(yōu)異的控制性能反而變成了產生誤差的原因。所以在選擇試驗機及控制方法時不要選擇單一的載荷控制模式。
三、 結果處理軟件的影響
目前生產的試驗機絕大部分都配備了不同類型的計算機 ( 如 PC 機，單片機等 )) ，以完成標準或用戶定義的各類數(shù)據(jù)測試。與過去廣泛采用的圖解法相比有了非常大的進步。然而由于標準的滯后，原有的部分定義，就顯得不夠明確。如屈服點的定義，只有定性的解釋，而沒有定量的說明，很不適應計算機自動處理的需求。這就造成了：
判斷條件的各自設定 就屈服點而言 ( 以金屬拉伸 GB/T 228-2002 為例 ) 標準是這樣定義的：“屈服強度：當金屬材料呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象時，在試驗期間達到塑性變形發(fā)生而力不增加的應力點，應區(qū)分上屈服強度和下屈服強度。上屈服強度：試樣發(fā)生屈服而力首次下降前的應力。 下屈服強度 ：在屈服期間，不計初始瞬時效應時的應力。 " 屈服強度的疑問 ：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 ) ，計算機所采集的數(shù)據(jù)也不會保持恒定，這就需要給出一個允許的數(shù)據(jù)波動范圍，由于國標未作定義，所以各個試驗機生產廠家只好自行定義。由于條件的不統(tǒng)一，所求結果自然也就有所差異。 上下屈服強度的疑問 ：若材料出現(xiàn)上下屈服點，則必然出現(xiàn)力值的上下波動，但這個波動的幅度是多少呢？國標未作解釋，若取的太小，可能將干擾誤求為上下屈服點，若取得太大，則可能將部分上下屈服點丟失。目前為了解決這一難題，各廠家都想了許多的辦法，如按材料進行分類定義“誤差帶 " 及“波動幅度 " ，這可以解決大部分的使用問題。但對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“波動幅度 " 設計為用戶自定義參數(shù)，這從理論上解決了問題，但對使用者卻提出了極高的要求。對下屈服點定義中“不計初始瞬時效應 " 的誤解什么叫“初始瞬時效應 " ？它是如何產生，是否所有的試驗都存在？這些問題國標都未作解釋。所以在求取下屈服強度時絕大多數(shù)的情況都是丟掉了個“下峰點 " 的。既然不是所有的試驗機都存在初始瞬時的效應，所以在求取結果時就不能一律丟掉個下峰點。但事實上，大部分的廠家的試驗機處理程序都是丟掉了個下峰點的。
四、 試驗人員的影響
在試驗設備已確定的情況下，試驗結果的優(yōu)劣就完全取決于試驗人員的綜合素質。目前我國材料試驗機的操作人員綜合素質普遍不高，專業(yè)知識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)，使他們很難適應材料試驗的需求。
試驗機測控環(huán)節(jié)是整個試驗機的核心，隨著技術的發(fā)展，目前這一環(huán)節(jié)基本上采用了各種電子電路實現(xiàn)自動測控。由于自動測控知識的深奧，結構的復雜，原理的不透明，一旦在產品的設計中考慮不周，就會對結果產生嚴重的影響，并且難以分析其原因。針對材料屈服點的求取主要的有下列幾點：
1 、傳感器放大器頻帶太窄 由于目前試驗機上所采用的力值檢測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輸出類型，在使用中必須進行信號放大。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，這種干擾信號會通過許多不同的渠道偶合到測量信號中一起被放大，結果使得有用信號被干擾信號淹沒。為了從干擾信號中提取出有用信號，針對材料試驗機的特點，一般在放大器中設置有低通濾波器。合理的設置低通濾波器的截止頻率，將放大器的頻帶限制在一個適當?shù)姆秶湍苁乖囼灆C的測量控制性能得到極大的提高。然而在現(xiàn)實中，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)的真實性，將濾波器的截止頻率設置的非常低。這樣在充分濾掉干擾信號的同時，往往把有用信號也一起濾掉了。就萬能材料試驗機而言，筆者認為這一頻帶小也應大于 10HZ ，達到 30HZ 。在實際中，有時放大器的頻帶雖然達到了這一范圍，但人們往往忽略了 A/D 轉換器的頻帶寬度，以至于造成了實際的頻帶寬度小于設置頻寬。以眾多的試驗機數(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 目前模擬信號的數(shù)據(jù)采集是通過 A/D 轉換器來實現(xiàn)的。 A/D 轉換器的種類很多，但在試驗機上采用多的是∑－△型 A/D 轉換器。這類轉換器使用靈活，轉換速率可動態(tài)調整，既可實現(xiàn)高速低精度的轉換，又可實現(xiàn)低速高精度的轉換。在試驗機上由于對數(shù)據(jù)的采集速率要求不是太高，一般達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換速率，以實現(xiàn)較高的測量精度。 3 、控制方法使用不當 針對材料發(fā)生屈服時應力與應變的關系 ( 發(fā)生屈服時，應力不變或產生上下波動，而應變則繼續(xù)增大 ) 國標推薦的控制模式為恒應變控制，而在屈服發(fā)生前的彈性階段控制模式為恒應力控制，這在絕大多數(shù)試驗機及某次試驗中是很難完成的。對于使用恒位移控制 ( 速度控制 ) 的試驗機，由于材料在彈性階段的應力速率與應變速率成正比關系，只要選擇合適的試驗速度，全程采用速度控制就可兼容兩個階段的控制特性要求。但對于只有力控制一種模式的試驗機，如果試驗機的響應特別快 ( 這是自動控制努力想要達到的目的 ) ，則屈服發(fā)生的過程時間就會非常短，如果數(shù)據(jù)采集的速度不夠高，則就會丟失屈服值，優(yōu)異的控制性能反而變成了產生誤差的原因。所以在選擇試驗機及控制方法時不要選擇單一的載荷控制模式。
三、 結果處理軟件的影響
目前生產的試驗機絕大部分都配備了不同類型的計算機 ( 如 PC 機，單片機等 )) ，以完成標準或用戶定義的各類數(shù)據(jù)測試。與過去廣泛采用的圖解法相比有了非常大的進步。然而由于標準的滯后，原有的部分定義，就顯得不夠明確。如屈服點的定義，只有定性的解釋，而沒有定量的說明，很不適應計算機自動處理的需求。這就造成了：
判斷條件的各自設定 就屈服點而言 ( 以金屬拉伸 GB/T 228-2002 為例 ) 標準是這樣定義的：“屈服強度：當金屬材料呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象時，在試驗期間達到塑性變形發(fā)生而力不增加的應力點，應區(qū)分上屈服強度和下屈服強度。上屈服強度：試樣發(fā)生屈服而力首次下降前的應力。 下屈服強度 ：在屈服期間，不計初始瞬時效應時的應力。 " 屈服強度的疑問 ：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 ) ，計算機所采集的數(shù)據(jù)也不會保持恒定，這就需要給出一個允許的數(shù)據(jù)波動范圍，由于國標未作定義，所以各個試驗機生產廠家只好自行定義。由于條件的不統(tǒng)一，所求結果自然也就有所差異。 上下屈服強度的疑問 ：若材料出現(xiàn)上下屈服點，則必然出現(xiàn)力值的上下波動，但這個波動的幅度是多少呢？國標未作解釋，若取的太小，可能將干擾誤求為上下屈服點，若取得太大，則可能將部分上下屈服點丟失。目前為了解決這一難題，各廠家都想了許多的辦法，如按材料進行分類定義“誤差帶 " 及“波動幅度 " ，這可以解決大部分的使用問題。但對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“波動幅度 " 設計為用戶自定義參數(shù)，這從理論上解決了問題，但對使用者卻提出了極高的要求。對下屈服點定義中“不計初始瞬時效應 " 的誤解什么叫“初始瞬時效應 " ？它是如何產生，是否所有的試驗都存在？這些問題國標都未作解釋。所以在求取下屈服強度時絕大多數(shù)的情況都是丟掉了個“下峰點 " 的。既然不是所有的試驗機都存在初始瞬時的效應，所以在求取結果時就不能一律丟掉個下峰點。但事實上，大部分的廠家的試驗機處理程序都是丟掉了個下峰點的。
四、 試驗人員的影響
在試驗設備已確定的情況下，試驗結果的優(yōu)劣就完全取決于試驗人員的綜合素質。目前我國材料試驗機的操作人員綜合素質普遍不高，專業(yè)知識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)，使他們很難適應材料試驗的需求。
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