电子拉力试验机的工作原理与系统结构

电子拉力试验机的工作原理与系统结构

电子式拉力试验机俗称万能材料试验机，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。

电子式拉力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、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/(R1R2)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-ε2ε3-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、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、控制系统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