對電子式拉力試驗機產(chǎn)生影響的因素的分析

    準確求取屈服點在材料力學(xué)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(xué)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：
    ＊ 夾具的影響；
    ＊ 試驗機測控環(huán)節(jié)的影響；
    ＊ 結(jié)果處理軟件的影響；
    ＊ 試驗人員理論水平的影響等。
    這其中的每一種影響都包含了不同的方面。下面逐一進行分析
 
    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(chǎn)生磨損現(xiàn)象，使得摩擦系數(shù)明顯降低，zui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到zui大靜摩擦力時，試樣就會打滑，從而產(chǎn)生虛假屈服現(xiàn)

象。如果以前使用該試驗機所作試驗屈服值正常，而現(xiàn)在所作試驗屈服值明顯偏低，且在某些較硬或者較脆的材料試驗時現(xiàn)象尤為

明顯，則一般應(yīng)首先考慮是這一原因。這時需及時進行設(shè)備的大修，消除間隙，更換夾塊。
 
    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(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現(xiàn)自動測控。由于自動測控

知識的深奧，結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，原理的不透明，一旦在產(chǎn)品的設(shè)計中考慮不周，就會對結(jié)果產(chǎn)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zui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。*，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(jié)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(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適當(dāng)?shù)姆秶湍苁乖囼灆C的測量控

制性能得到*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(shè)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。在日常生活中，我們常見的電子秤，數(shù)據(jù)很穩(wěn)定

，其原因之一就是它的頻帶很窄，干擾信號基本不能通過。這樣設(shè)計的原因是電子秤稱量的是穩(wěn)態(tài)信號，對稱量的過渡過程是不關(guān)

心的，而材料試驗機測量的是動態(tài)信號，它的頻譜是非常寬的，若頻帶太窄，較高頻率的信號就會被衰減或濾除，從而引起失真。

對于屈服表現(xiàn)為力值多次上下波動的情況，這種失真是不允許的。就材料試驗機而言，筆者認為這一頻帶zui小也應(yīng)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(zhuǎn)換器的頻帶寬度，以至于造成了實際的

頻帶寬度小于設(shè)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。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器以“zui高輸出數(shù)據(jù)速率

4KHZ”運行時，它的模擬輸入處理電路達到zui大的頻帶寬度10HZ。當(dāng)以試驗機zui常用的100HZ的輸出數(shù)據(jù)速率工作時，其模擬輸入處

理電路的實際帶寬只有0.25HZ，這會把很多的有用信號給丟失，如屈服點的力值波動等。用這樣的電路當(dāng)然不能得到正確試驗結(jié)果

。
    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(zhuǎn)換器來實現(xiàn)的。A/D轉(zhuǎn)換器的種類很多，但在試驗機上采用zui多的是∑－△型A/D轉(zhuǎn)換器。

這類轉(zhuǎn)換器使用靈活，轉(zhuǎn)換速率可動態(tài)調(diào)整，既可實現(xiàn)高速低精度的轉(zhuǎn)換，又可實現(xiàn)低速高精度的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換速率，以實現(xiàn)較高的測量精度。但

在某些廠家生產(chǎn)的試驗機上，為了追求較高的采樣分辨率，以及*的數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定性，而將采樣速度降的很低，這是不可取的。

因為當(dāng)采樣速度很低時，對高速變化的信號就無法實時準確采集。例如金屬材料性能試驗中，當(dāng)材料發(fā)生屈服而力值上下波動時信

號變化就是如此，以至于不能準確求出上下屈服點，導(dǎo)致試驗失敗，結(jié)果丟了西瓜撿芝麻。
那么如何判斷一個系統(tǒng)的頻帶寬窄以及采樣速率的高低呢？
   嚴格來說這需要許多的測試儀器及專業(yè)人員來完成。但通過下面介紹的簡單方法，可做出一個定性的認識。當(dāng)一個系統(tǒng)的采

樣分辨率達到幾萬分之一以上，而顯示數(shù)據(jù)依然沒有波動或顯示數(shù)據(jù)具有明顯的滯后感覺時，基本可以確定它的通頻帶很窄或采樣

速率很低。除非特殊場合（如：校驗試驗機力值精度的高精度標定儀），否則在試驗機上是不可使用的。
 
    3、控制方法使用不當(dāng)
   針對材料發(fā)生屈服時應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系（發(fā)生屈服時，應(yīng)力不變或產(chǎn)生上下波動，而應(yīng)變則繼續(xù)增大）國標*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)試驗機及某次試驗中是很難完成的。因為它要求在剛

出現(xiàn)屈服現(xiàn)象時改變控制模式，而試驗的目的本身就是為了要求取屈服點，怎么可能以未知的結(jié)果作為條件進行控制切換呢？所以

在現(xiàn)實中，一般都是用同一種控制模式來完成整個的試驗的（即使使用不同的控制模式也很難在上屈服點切換，一般會選擇超前一

點）。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(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

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(yīng)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（原因第2

點已說明），優(yōu)異的控制性能反而變成了產(chǎn)生誤差的原因。所以在選擇試驗機及控制方法時不要選擇單一的載荷控制模式。