拉力机,拉力试验机的测量原理及测量的重要性

更新时间:2017-03-02 来源:拉力试验机关闭

    拉力试验机无论是静力单轴类试验机、扭力类试验机还是动力试验机,每个试验机整体都是由机身、试样支持部分、动力驱动(或释放)和控制部分、测量和数据处理部分、安全防护等五个部件及部分可选附件组合而成的一套试验系统。但是,除了测量和数据处理部分, 试验机其余各部分的作用主要是为了能够保质保量完成试验而配置的保证条件。因此可以说,缺少了测量和数据处理部分,试验机将不成其为试验机,充其量只能算作机器或者设备了。所以,有必要对试验机的测量系统进行详细介绍。
    拉力试验机测力原埋与放大器
    我们先介绍的静力单轴类试验机,扭力类试验机及动态力试验机,在结构形式、使用方法、试验对象方面有很大不同,由于材料的机械性能也就是力学性能是不能脱离力的测量的。,即使扭转 
    试验机的扭矩测量也离不开力的测量,冲击试验机的冲击能的测量也与力的测量相关。所以,试验机测量的内容基本上是力值或者以力值为主的参数测量。事实上,目前用于对材料进行机械性 能试验的材料试验机的测量系统都是测量力值或者以力值为主的结构形式。
    拉力试验机的测力原理
    试验机测力结构的工作原理可以分为利用力的动力效应和利用力的静力效应两种测力原理。
    (1)动力效应定义
    力的动力效应是指物体动量发生改变,产生加速度,通过测量物体的质量及其所获得的加速度,根据牛顿第二定律,就确定了作用在该物体上的力。在重力场中地球的引力使物体产生重力加速度,即产生了重力。因此,知道了物体的质量及所在地点的重力加速度,就知道了该物体产生的重力。
    使用该方式测力的典型试验机有纸箱堆码试验机、下加载式持久试验机。其特点是直接将砝码重力施加到试样上。不但准确度高,而且稳定性好。
    (2)静力效应定义
    力的静力效应是使物体产生变形(线变形或角变化)。利用具有弹性的物体在弹性范围内,物体变形量与作用力(或力矩)成正比的虎克定律,在确定变形量与力值(或力矩或力偶)的对应关系之后,再通过测定物体的弹性变形量即可测得力值(或力矩或力偶)。试验机直接应用根据力的静力效应测量力值(或力矩或力偶)的元件有弹簧、负荷传感器、扭矩传感器。也可以应用压强传感器或者压力表直接测量纸板耐破度值。
    拉力试验机的测量结构与放大器
    利用重力砝码测力虽然原理简单方便,但在实际应用范围却有很大限制,不但测力范围小,试验时的连续性、安全性都存在先天缺陷;而传感器虽然测量范围很宽广,但是由于输出的电压信号比较微弱,无法直接采用。因此,采用合理的测量结构及利用测量机构中的放大结构,不但可以使测量过程无限连续还可极大地扩展试验机的测量上限,将试验机的量程范围扩大许多,特别是液压放大更是可以将力值(力矩或者力偶)上限扩大数百倍。
    我们将依据测力原理构成的最简单的测量结构称作基本测量结构,基本测量结构包含最简单的测量放大器,如杠杆、油缸、电子放大电路等。 
    拉力试验机的测量放大结构
    杠杆是最简单的放大器,杠杆结构的三种基本形式,由于砝码作用有很大局限性,必须结合杠杆使用,所以将砝码与简单杠杆结合为基本测量结构。在此基础上将力值再进行二次放大的部分,我们称其为测量放大器。主要有三种结构形式。
    a)杠杆放大
    I)复杠杆
    无论是直杠杆测量结构,还是第I类杠杆测量或者第2类杠杆测量结构,均可以在其基础上增加一至二根直杠杆作用,扩大测量上限。
    2)支点可变的直(或复)杠杆
    除了增加杠杆数量可以改变测量系统的量程范围外,还可以通过改变杠杆支点的方式改变试验机的测量范围。
    3)多支点测力杠杆
    通过增加支点改变杠杵臂比的简单结构形式,英国AVREY公司生产的500kN 的卧式缆绳拉力试验机就是采用小摆锤变支点的卧式拉力试验机。
    4)杠杆的换询功能
    杠杆除了可以作为力值或者力矩的放大器,还可以转换力的方向,只不过作用在杠杆上的力值方向近似互呈直角关系。其使用特性与直杠杆相同。 
    b)液压放大
    当直接利用力的动力效应测量力值时,其作用形式和范围相当有限,即使借助于仅有的直杠杆及第二、第三类曲杠杆作为放大器构成完整的测量结构,其力值测量上限体现在试验机产品上,我们生产的规格为3000KN的微电脑式压力试验机。


    因此,试验机规格要扩大,其力值或者力矩测量结构必须根据要求结合不同形式的放大器进行设计。通过测力破码与杠杆、液压放大器的组合作用,可以大大丰富和改观试验机的测量结构,极大扩展测量量程,大幅提高测量上限。常见液压放大结构形式如下。
    1) 一套工作油缸
    摆锤式液压万能试验机和液压压力试验机均采用这种液压放大结构,该机构并不能直接测量试样上试验力,仅是通过此液压放大结构以较小的可测量的力值去平衡远远大得多的试验力。
    根据帕斯卡原理,当两个油缸通过油管联通后,就形成了符合帕斯卡原理的联通器。
    2)两套工作油缸
    此液压放大结构与采用1套工作油缸的液压系统在原理上并没有什么两样。只是为了扩大量程,多增加了1个有效面积更大点的工作油缸。
    c)电子放大
    当试验机的测量结构采用输出模拟信号的传感器进行测量时,必须配置相应的传感器专用电子放大器。电子放大的作用是将传感器微弱的电信号放大到足够的强度,然后进行A/D (模/数)转换并送计算机进行处理。
    试验机常用的输出模拟信号的传感器主要有:负荷传感器、扭矩传感器、引伸计、扭转计等。另外,试验机变形测量装置上也常见非接触式的电感位移传感器。因此,不同原理和结构形式的传感器配置的放大器也是专用的各不相同的。
    1)信号前置放大器原理
    为了方便介绍,负荷传感器输出信号的灵敏度一般在2mV/V,如果电源的激励电压为10V,其输出信号的满度值只有20mV,那么需要至少不低于100的倍率的前置放大器将其放大,其输出进人二级放大器,即分挡放大器。
    2)分挡放大器原理
    由于受到A/D转换元件当时只有10~12位的限制,试验机能够显示的数码在1024 - 4096 之间。假设I级压力试验机采用该传感器及放大器进行力值检测,在保证示值相对分辨力不大于 0.5%且其他因素可以忽略不计的情况下,试验机的测量下限也只能达到满量程的20%~5%。 为了满足用户对宽测量范围方面的要求,试验机设计人员只能通过增加不同倍率的信号放大器数量来扩展试验机的测量范围。
    一般地,参照试验机标 准的分挡规则,信号放大器可扩展至五挡量程。按照1/1、1/2、1/5、1/10、1/20分挡,1/20 挡是最小测量量程。
    3)选用高位A/D转换器件
    进入21世纪后,高性能电子放大元件和高达24位的A/D转换器件得到普及。传感器测量仪器的质量和性能都提高到一个新的挡次。这期间,试验机厂家开发的测量20mV左右电压信号的仪表已经能够使用到10数码至30数码。配合相应的传感器,同样I级试验机的测量下限可以向下延伸至满量程的0.2%。这段时期研究的电子放大器已经不使用精密电阻来调整传感器信号的增益和零点,而是将标定系数存储在内部芯片中,因此能够保证放大器性能稳定可靠,不受外界因素干扰。

    拉力试验机测量放大器综合应用
    直接利用已知砝码的重力测量试验力时,即使借助于仅有的直杠杆及第二、 第三类曲杠杆作为放大器构成完整的测量结构,其作用形式和测量范围还是有限。如果综合运用杠杆和液压放大器。可以大大丰富和改观试验机的测量结构,极大扩展测量量程,大幅提髙测量上限。
    最后,需要说明的是,在使用负荷传感器及相关仪表测量力值时,即使使用工作油缸,也不能将此油缸作为试验机的液压放大系统。因为,试验机测量的试验力与工作油缸的液压压强虽然 有关,但试验力的测量准确度却与工作油缸的液压压强无关。换句话就是说,作为试验机用的工作油缸同时需要具有液压放大功能时,需要进行严格的设计和精密的加工。不考虑工作油缸同时 具有液压放大功能时,油缸要求将变得简单许多,这时油缸所起的作用仅仅是力源的作用,一个液压千斤顶也具有的功能。
    如果试验机只用1个工作油缸,也可作为液压放大器,这时往往配合采用压力表,油压传感 器等利用力的静力效应测力的元件。

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