1 引 言
目前,国内许多试验机厂家都能生产微机控制万能试验机,各类微机控制万能试验机已在国内的生产检验和教学科研上得到广泛应用,但试验机的计算机数据采集系统能否真实采集到测试材料的力与变形(或位移),以便计算并给出材料的有关性能数据,这是微机控制万能试验机的关键问题。而这个关键问题的实质是计算机数据采集系统的采样速率和有效采样点能否真实反映材料应力应变曲线的特征,这就涉及到计算机数据采集系统硬件(即试验机的测量控制器)和试验软件最终采样速率及有效采样点。
测量控制器是微机控制万能试验机电气测控部分的核心部件,控制器的性能参数直接影响计算机数据采集系统能否采集到所测试材料真实的试验曲线。本文主要针对测量控制器的有关问题进行探讨。
2 设计测量控制器的基本要求
测量控制器的总体设计必须考虑闭环控制功能和数据采集功能,同时也需考虑采集系统的响应速率、信号放大和数模转换器的线性误差、数据采集的同步化、分辨率。测量控制器的闭环控制功能,应具有应变速率控制、应力速率控制功能,应满足GB/T 228-2010有关应变速率控制模式
(方法A)的要求。对于静力单轴试验机而言,力和位移是不可或缺的两个最基本测量值;在测试Rp、Rr、Rt、E时需要第三个参数———变形(即应变)。这些相互关联的测量值通过试样互相作、影响。试验机移动横梁可施加力于试样上,该力造成试样的变形并据此产生应变。为获取位移、应力和应变的真实值,试验机的测量控制器必须满足下面的基本要求:
(1)数据采集的同步化:所有通道必须在同一时间点上获取测量数据。要保证这一点,硬件必须在采样时协调保持所有测量通道都在内部时钟的同一时间点。数据采集不同步会引起力或变形信号滞后,造成试验曲线失真,如图1所示。
(2)对不同信号传递时间的修正:不同种类的转换器具有不同的测量信号传递时间。比如说,光电编码器的计数器不存在信号传递时间的问题,而数字/模拟转换器存在信号传递的时间。因此,两个同时获得的采样数据就可能出现测量不同时完成的情况。但是,不同种类转换器之间传递时间的不同是有规律的,因此,可以通过计算来修正这个时间的差异,从而达成数据采集同步完成。
(3)分辨率:所有通道的分辨率不仅需要协调一致,而且有效分辨率越高越好。模拟通道的有效分辨率至少应达到100000码,一般以200000码有效分辨率为最佳。
(4)采样频率:对于多数静态试验,50Hz的采样频率就足够了,但控制器本身应有大于500Hz采样频率。
(5)滤波:模拟测量通道通常在输入端设置低通滤波器,以此来滤减高频噪音信号。一方面,这个滤波器的限定频率应该取低一些,以尽量滤掉或减少测量信号的噪音;另一方面,试样本身特性所造成的快速高频变化不应该被抑制掉,以免造成失真。过低的滤波器会造成采样数据失真,一般取50Hz-100Hz之间的低通滤波器。
3 测量控制器检测时应考虑的事项
弄清试验系统之间信息的传输方式是重要的,以便使系统能进行适当检测和校准。试验系统元件之间信息传输或是数字化的,或是以模拟方式进行。
模拟-数字转换器(A/D)把模拟信号转换成数字信号,数字-模拟转换器(D/A)把数字信号转换成模拟信号。在现代试验机上,使用一个或多个这种转换装置是普遍的。系统中每一个使用A/D或D/A传输数据的点都可能需要检测。检测可以在模拟的一侧或数字的一侧,或在转换器的两侧进行。
从电器系统简图或从制造厂家给出的所有传感器和所有数据输出装置的方块图确定检测点,并在图上对所需检测点做上记号。在试验机例行检验中,应对所需检测点进行检验,以保证试验系统输出数据的可靠性。
4 测量控制器、控制软件及有效采样点的分析对比
国内生产微机控制万能试验机的厂家很多,试验机的结构也大同小异,而影响微机控制万能试验机发展的关键技术是硬件测量控制部分和试验软件操作系统,因为这两个关键部分都会影响试验的最终结果。试验机的传感器-通道频带宽度、测试系统响应速度、数据采样速率、测试系统的分辨力、试验数据处理方法等,都应该加以综合考虑,所有这些问题最终都会反映到试验的数据文件上。数据文件是可复现试验过程和试验曲线的载体,数据文件的采集数据是否真实可靠,直接影响结果处理的可靠程度。数据文件也是检查试验软件最终采样速率能否达到设计指标的唯一依据。
有效采样点是指试验软件最终采集到的真实采样点,它可从数据文件中读得。所采集试验力、变形、位移不能出现数据相同的重复点,在计算有效采样点时,必须把重复点剔除。因此GB/T 22066-2008附录A“计算机数据采集系统硬件部分的检测”中的最小数据采集速率的采样点必须是有效采样点。
重复点有三种状态:一是试验力、变形、位移同时出现重复,二是试验力重复,变形或位移不重复,三是变形重复,试验力不重复。第一种状态对曲线显示不影响,第二种和第三种状态影响曲线显示(如图2所示)并会影响数据处理结果。当出现重复点时(从试验曲线上即可判别),应查找出现的原因,很可能是数据采集的不同步或滞后引起的。笔者曾在某试验机研究所实验室的2kN试验机、装配车间的100kN试验机上分别进行DOLI公司生产的EDC120测量控制器采样速率的考核测试,具体测试数据见表1。
从表1实测的数据文件分析,试验力和位移的采样点均无重复现象,变形重复现象较为严重,说明EDC120控制器对力和位移测量技术较为成熟,而变形测量与引伸计系统相关(有可能是引伸计响应频率不够引起),需要整盘考虑。控制器的开发必须与试验机的试验软件相结合,这是发展国内控制器的优势所在。
笔者曾对部分厂家自主研制的微机控制万能试验机计算机数据采集系统进行考核,从数据文件分析,试验软件最终采样速率可达到30点/秒-65点/秒(均为有效采样点),这说明国内测量控制器和控制软件已满足准静态试验的相关需要,可以替代国外进口产品。
5 结 论
(1)测量控制器总体设计必须考虑闭环控制功能和数据采集的一致性,应满足GB/T 228-2010有关应变速率控制模式(方法A)的要求。
(2)控制器的研制和开发必须与试验软件结合起来,国内试验机厂家有这个结合平台,这是国内试验机厂家的优势所在。与五年前相比,国内的试验机技术有很大提高,随着国内控制器高科技含量不断提升,试验机的控制系统应该适应试验方法新的需要。
参考文献
[1] GB/T 22066-2008 静力单轴试验机用计算机数据采集系统的评定[S].
[2] GB/T 228-2010 金属材料拉伸试验室温试验方法[S].
本文作者：郑文龙 王春华
