CN104458477B - 材料试验机用计算机数据采集系统的验证方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种方法及装置，尤其是一种材料试验机用计算机数据采集系统的验证方法及装置。按照本发明提供的技术方案，所述材料试验机用计算机数据采集系统的验证方法，包括计算机数据采集系统；在所述计算机数据采集系统的输入端加载所需的试样试验基准信号，计算机数据采集系统利用所加载的试样试验基准信号直接对采集的试样试验测试信号进行评定验证，并输出相应的评定验证结果。本发明结构简单，适应范围广，操作方便，能对计算机数据采集系统进行有效评定，提高了评定结果的可靠性以及评定效率。

Description

材料试验机用计算机数据采集系统的验证方法及装置

技术领域

本发明涉及一种方法及装置，尤其是一种材料试验机用计算机数据采集系统的验证方法及装置。

背景技术

材料试验机（以下简称试验机），是指在各种条件、环境下测定金属材料、非金属材料、机械零件、工程结构等机械性能的精密测试设备，多用于金属及非金属（含复合材料）的拉伸、压缩、弯曲、剪切、劈裂、抗折、剥离、撕裂等项目的静力学性能测试分析研究，在研究探索新材料、新工艺、新技术和新结构的过程中，试验机是一种不可缺少的重要测试设备。其中，拉伸试验又是试验机最为常用的一种工作状态，其作用是通过上下夹持装置，缓慢地在试样两端施加负荷，使试样的工作部分受轴向拉力，引起试样沿轴向伸长，一般进行到拉断为止。通过拉伸试验测定材料的抗拉强度和塑性特性等。

以试验机的加力系统和测力系统分类，一般可将试验机分成三种类型：

1、液压式试验机，是以液压系统为力源，采用机械式测力技术和模拟式（指针）或数字式指示装置，记录装置通过机械方式（如拉锤滚筒式形变记录仪）记录试样的受力状况。

2、电液伺服试验机，是以液压系统为力源，采用电子测量和伺服控制技术，并具有计算机数据采集系统的试验机。

3、电子式试验机，是以机械方式加力，采用电子测量技术，并具有计算机数据采集系统的试验机。

我国试验机的发展历程也是随着电子技术、控制技术、计算机技术的发展而逐步走向成熟，具有数据采集、数据处理、数据储存、数据记录和图形显示（如应变—应力曲线）和图形打印等功能为一体的计算机数据采集系统越来越广泛地应用到试验机上，为新材料的研究提供了便利。试验机计算机数据采集系统是指试验时从试验机中采集基本数据，并根据所采集的基本数据计算和提供导出数据（见图1）的装置，图1中，应力为单位面积上试样承受的载荷；应变是指试样单位长度的伸长量。对于采集系统的试验结果是否准确，与实际试验结果是否一致，依据现行有效的评价（验证）采集系统方法相对落后，已不适应试验机发展的需要。

在现行国家计量技术规范JJF1103-2003《万能试验机计算机数据采集系统评定》和国家标准GB/T22066-2008《静力单轴试验机用计算机数据采集系统的评定》中，对于计算机数据采集系统（以下简称采集系统）的评定方法均采用单机比较法和多机比较法两种方法。单机比较法是针对配置能够记录试验过程的绘图记录装置和采集系统（或称“双记录系统”）的试验机，评价时，每种类型的试样至少取5个试样进行试验，对“双记录系统”同时获得的每次试验数据（基本数据、导出数据与绘图记录的结果），按规定的计算公式进行计算、比较和判定；多机比较法是针对没有绘图记录装置但有采集系统的试验机（即被验证试验机）。多机比较时，需另寻两台或以上的具备绘图记录装置的试验机（即参考试验机）进行比较，评价时，每种类型的试样在参与比较试验的每台试验机（被验证试验机和参考试验机）上，至少进行5个相同试样的试验，然后将被验证试验机的试验数据（基本数据、导出数据）和参考试验机的试验数据（绘图记录的结果），按规定的计算公式进行计算、比较和判定。

分析现行的评价（验证）采集系统的方法，其本质就是试样试验，正是因为试样试验（GB/T22066-2008《静力单轴试验机用计算机数据采集系统的评定》为2008年结合我国国情而制定的），方法相对落后，评定结果的可靠性不高。

1、随着计算机技术的发展，试验机已普遍采用电子测量技术和采集系统，采集系统本身具备记录试验过程的记录绘图功能，故采用电子测量技术的试验机一般不具备单机比较法的条件，故应采用多机比较法。多机比较法的前提是至少要有两台或以上具备绘图记录装置的试验机，对于大型试验仪器（试验机自重1吨至十几吨）而言不易搬运，同一现场一般不具备多机比较法的条件，这就需要携带多个试样异地试验，验证周期长，费用高。

2、多机比较法采用每台试验机（被验证试验机和参考试验机）每种类型试样至少进行5个相同试样的试验，由于试样试验带有破坏性，故一根试样在试验后不可重复使用，所以对“相同试样”的弹性模量、拉伸强度和外形尺寸等参数的一致性要求非常高。因试样的不确定性（如材质的均匀性，加工误差等），“相同试样”中各试样的弹性模量、拉伸强度也有较大的差异性，同时可能存在试验机误差方向相反的情况，使得验证结果的可靠性降低。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种材料试验机用计算机数据采集系统的验证方法及装置，其结构简单，适应范围广，操作方便，能对计算机数据采集系统进行有效评定，提高了评定结果的可靠性以及评定效率。

按照本发明提供的技术方案，所述材料试验机用计算机数据采集系统的验证方法，包括计算机数据采集系统；在所述计算机数据采集系统的输入端加载所需的试样试验基准信号，计算机数据采集系统利用所加载的试样试验基准信号直接对采集的试样试验测试信号进行评定验证，并输出相应的评定验证结果。

所述试样试验基准信号为可溯源至国家计量基准的模拟基准信号。

所述试样试验基准信号包括频率可调的等幅脉冲信号、阶梯脉冲信号或实际材料特征曲线。

所述试样试验基准信号由与计算机数据采集系统连接的验证装置输出，所述验证装置包括处理器，所述处理器通过力值D/A转换电路与力值输出接口电路连接，且处理器通过应变D/A转换电路与应变输出接口电路连接。

所述力值D/A转换电路以及应变D/A转换电路均与高精度电压基准连接，处理器还与打印机接口电路连接。

一种材料试验机用计算机数据采集系统的验证装置，包括处理器以及与所述处理器连接的数据存储器，处理器在数据存储器内存储有若干试样试验基准信号，处理器能将所述试样试验基准信号添加到计算机数据采集系统的输入端，以供计算机数据采集系统在试样试验时根据试样试验基准信号进行评定验证。

所述处理器通过力值D/A转换电路、应变D/A转换电路分别与力值输出接口电路以及应变输出接口电路连接，力值D/A转换电路、应变D/A转换电路均与高精度电压基准连接。

所述处理器还与打印机接口电路连接，以通过打印机接口电路与打印机连接。

所述处理器的电源端与电源连接，处理器还与石英振荡电路以及键盘和显示器连接。

所述试样试验基准信号为可溯源至国家计量基准的模拟基准信号；

所述试样试验基准信号包括频率可调的等幅脉冲信号、阶梯脉冲信号或实际材料特征曲线。

本发明的优点：验证装置通过力值输出接口电路以及应变输出接口电路与计算机数据采集系统的输入端连接，以便能向计算机数据采集系统加载所需的试样试验基准信号，试样试验基准信号可以根据试样试验的类型以及需要提前存储在验证装置内，计算机数据采集系统根据试样试验基准信号进行快速有效地进行评定验证，试样试验基准信号可以溯源至国家计量基准，能提高计算机数据采集系统进行评定验证的可靠性，适应范围广，操作方便，安全可靠。

附图说明

图1为以应力-应变为例的基本数据与导出数据的示意图。

图2为本发明的结构框图。

图3为现有应变式传感器的示意图。

图4为现有应变式负荷传感器的示意图。

图5为现有引伸计的示意图。

图6为本发明的使用状态图。

图7为等幅脉冲信号的示意图。

图8为阶梯脉冲信号的一种示意图。

图9为阶梯脉冲信号的另一种示意图。

图10为阶梯脉冲信号的第三种示意图。

图11为应力-应变曲线类型的示意图。

图12为应力-应变曲线型号的示意图。

附图标记说明：1-处理器、2-石英振荡电路、3-数据存储器、4-键盘和显示器、5-电源、6-打印机接口电路、7-高精度电压基准、8-应变D/A转换电路、9-应变输出接口电路、10-力值D/A转换电路、、1-力值输出接口电路、12-螺纹接头、13-S型变形体、14-电阻应变片、15-刃口、16-限位杆、17-弹性臂、18-电信号转换电路、19-位移传感器、20-上夹头、21-下夹头、22-负荷传感器、23-活动横梁、24-上压板、25-下压板、26-底座、27-验证装置、28-电子引伸计以及29-打印机。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

为了能对计算机数据采集系统进行有效评定，提高了评定结果的可靠性以及评定效率，本发明材料试验机用计算机数据采集系统的验证方法，包括计算机数据采集系统；在所述计算机数据采集系统的输入端加载所需的试样试验基准信号，计算机数据采集系统利用所加载的试样试验基准信号直接对采集的试样试验测试信号进行评定验证，并输出相应的评定验证结果。

具体地，计算机数据采集系统为材料试验机进行所需试验时进行基本数据采集，并根据所采集的基本数据技术和提供导出数据的装置。本发明实施例中，加载到计算机数据采集系统内的试样试验基准信号主要是为了模拟电子测量器件的试验输出，在计算机数据采集系统的输入端加载试样试验基准信号，所述试样试验基准信号与材料试验机进行试验时所要采集的基本数据相一致，具体地实施时，试样试验基准信号可以溯源至国家计量基准的模拟信号。

计算机数据采集系统采集的试样试验测试信号包括基本数据，当试样试验基准信号加载到计算机数据采集系统内后，计算机数据采集系统内同时包含试样试验基准信号与试样试验测试信号两种信号，计算机数据采集系统通过将试样试验测试信号与试样试验基准信号进行比较，从而能够对材料试验机试验的结果进行评定验证，由于试样试验基准信号可以溯源至国家计量基准的模拟信号，因此，能提高计算机数据采集系统输出评定结果的可靠性，且能提高计算机数据采集系统的验证效率。

试样试验是个动态的过程，计算机数据采集系统的频带宽度和数据采集速度均要真实反应动态变化；为了能够适应试样试验的动态变化，在具体实施时，所述试样试验基准信号包括频率可调的等幅脉冲信号、阶梯脉冲信号或实际材料特征曲线，以能验证计算机数据采集系统的频带宽度、采集速率、分辨力和导出数据等。

所述试样试验基准信号由与计算机数据采集系统连接的验证装置27输出，所述验证装置27包括处理器1，所述处理器1通过力值D/A转换电路10与力值输出接口电路11连接，且处理器1通过应变D/A转换电路8与应变输出接口电路9连接。

如图2所示，处理器1以及与所述处理器1连接的数据存储器3，处理器1在数据存储器3内存储有若干试样试验基准信号，处理器1能将所述试样试验基准信号添加到计算机数据采集系统的输入端，以供计算机数据采集系统在试样试验时根据试样试验基准信号进行评定验证。

所述处理器1通过力值D/A转换电路10、应变D/A转换电路8分别与力值输出接口电路11以及应变输出接口电路9连接，力值D/A转换电路10、应变D/A转换电路8均与高精度电压基准7连接。所述处理器1还与打印机接口电路6连接，以通过打印机接口电路6与打印机29连接。所述处理器1的电源端与电源5连接，处理器1还与石英振荡电路2以及键盘和显示器4连接。

本发明实施例中，处理器1可以采用常用的微处理芯片，如单片机等，石英振荡电路2为整个验证装置2提供晶振时钟信号，电源5提供工作所需的电压，键盘和显示器4中键盘用于信号的输入，显示器用于将结果显示输出，数据存储器3用于存储必要的信息以及试样试验基准信号，数据存储器3的具体类型为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

处理器1通过力值输出接口电路11以及应变输出接口电路9能与计算机数据采集系统的输入端连接，其中，力值输出接口电路11用于将所需力值相关的试样试验基准信号加载到计算机数据采集系统的输入端，通过应变输出接口电路9用于将所需应变信号相关的试样试验基准信号加载到计算机数据采集系统的输入端。力值D/A转换电路10、应变D/A转换电路8主要用于将处理器1输出的数值信号转换为相对应的模拟信号，高精度电压基准7主要提供转换电路的电压基准，高精度电压基准7的具体实施结构为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

进一步地，力值输出接口电路11输出的力值电信号除了可以模拟应变式负荷传感器的信号外，也可以模拟其他类型（如压力传感器）的输出信号；同样，应变输出接口电路9输出的应变电信号不仅可以模拟电子引伸计28的输出，也可以模拟试验机横梁移动位置编码器等其他位移传感器的输出等信号。

处理器1通过打印机接口电路6与打印机连接，处理器1加载到计算机数据采集系统的试样试验基准信号（图形、模拟量、导出数据、频率、幅值等）均可以打印，便于查阅和进行人工计算。

目前，配置计算机数据采集系统的试验机可以分为“改造型”和“直接型”两种类型。“改造型”是在不具备采集系统的试验机上进行改造增加了采集系统功能，该类试验机的测力系统主要采用机械式测力技术（如摆锤式负荷测力系统）和模拟式（指针）指示装置，为获得力值的电子量信号一般用位移传感器、转角传感器或油压传感器作为感知器件，该类试验机将逐步被后者替代；“直接型”即直接采用电子测量技术的试验机，该试验机主要以应变式负荷传感器（包括S型负荷传感器和轮辐式负荷传感器）作为测量力值的感知器件，由于试验负荷通过试样直接作用于传感器，所以该类试验机的准确度较高。

应变式负荷传感器基于这样一个原理，如图3和图4所示，图4中，包括S型变形体13，S型变形体13上设置用于安装连接的螺纹接头12，在S型变形体13上设置电阻应变片14。具体工作时，弹性体（弹性元件）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片引变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。

如图5所示，为电子引伸计28的结构示意图；电阻应变片式引伸计主要由刃口15、弹性臂17、限位杆16及电信号转换电路18组成。在弹性体上贴有一组电阻应变片并组成全桥（参见图3）。当试验进行时，引伸计刃口15随试样的变形而产生相对位移，引起弹性臂17也产生变形，组成全桥的应变片即输出变形信号，精确测定试样标距内变形量，并将信号输入给采集系统进行数据处理和绘制试验曲线。

如图6所示，为本发明的一种使用状态图，具体包括底座26，在底座26上设置下压板25以及位于所述下压板25正上方的上压头24，上压头24固定在活动横梁23上，活动横梁23上设置负荷传感器22以及下夹头22，下夹头21的正上方设置上夹头20，底座26的上部内还设置位移传感器19，位移传感器19、负荷传感器22以及电子引伸计28通过计算机采集卡与计算机数据采集系统连接，以便供计算机数据采集系统进行数据采集。

评定验证时，从被验证试验机计算机采集卡上拔下力值负荷传感器22、电子引伸计28和横梁位移传感器19（如果有）的插头，将验证装置27的力值输出接口电路11、应变输出接口电路9分别与计算机采集卡相应的输入端口连接，通过键盘和显示器4逐一设定三种信号输出模式，即等幅方波脉冲信号模式、阶梯方波脉冲信号模式和材料特性曲线信号模式，对采集系统进行系统的评定。

在等幅脉冲信号模式下，验证装置27输出等幅脉冲信号，力值输出接口电路11和应变输出接口电路9分别输出力值和时间关系图，见图7所示波形。波形占空比为1:1，可以通过键盘设定脉冲频率和幅值，脉冲频率也可以设定为扫频方式，最大设定频率为150Hz，最大模拟幅值为30mV（一般应变式传感器的输出灵敏度为2mV/V，激励电压为12V）。通过改变频率，以确定采集系统的频带宽度。

在阶梯脉冲信号模式下，验证装置27输出阶梯脉冲信号，力值输出接口电路11和应变输出接口电路9分别输出力值和时间关系图，见图8、图9和图10所示波形，通过键盘设定脉冲的持续时间和幅值。图8和图9可以检测采集系统的分辨力，阶梯幅值可以设定为试验机最小测量值得0.25%或更小。图形10模拟峰值（如试样瞬间断裂）的单脉冲，可以测定采集系统峰值过程的持续时间、采集速率和时间响应。

图11所示为各类材料的应力-应变曲线图，图中列举了锰钢、硬铝、退火球墨铸铁和低碳钢的应力-应变曲线图，其中低碳钢的应力-应变曲线图最能够反映采集系统的数据采集能力，因此，材料特性曲线信号模式下，验证装置27输出应力-应变曲线信号，力值输出接口电路11和应变输出接口电路9分别输出应力和应变关系图，见图12所示波形，通过键盘设定与被验证试验机的加载速率和横梁移动速率对应的力值和引伸参数，就可以改变曲线坐标应力或应变的幅值（如改变弹性变形阶段的斜率），同时输出的应力-应变曲线可以经联机的打印机29打印出来，便于查阅和进行人工计算，将模拟信号的计算结果与采集系统获得的结果比较，达到评定采集系统的目的。

本发明验证装置27通过力值输出接口电路11以及应变输出接口电路9与计算机数据采集系统的输入端连接，以便能向计算机数据采集系统加载所需的试样试验基准信号，试样试验基准信号可以根据试样试验的类型以及需要提前存储在验证装置27内，计算机数据采集系统根据试样试验基准信号进行快速有效地进行评定验证，试样试验基准信号可以溯源至国家计量基准，能提高计算机数据采集系统进行评定验证的可靠性，适应范围广，操作方便，安全可靠。

Claims (2)

1.一种材料试验机用计算机数据采集系统的验证方法，包括计算机数据采集系统；其特征是：在所述计算机数据采集系统的输入端加载所需的试样试验基准信号，计算机数据采集系统利用所加载的试样试验基准信号直接对采集的试样试验测试信号进行评定验证，并输出相应的评定验证结果；

所述试样试验基准信号为溯源至国家计量基准的模拟基准信号；

所述试样试验基准信号由与计算机数据采集系统连接的验证装置（27）输出，所述验证装置（27）包括处理器（1），所述处理器（1）通过力值D/A转换电路（10）与力值输出接口电路（11）连接，且处理器（1）通过应变D/A转换电路（8）与应变输出接口电路（9）连接；

所述力值D/A转换电路（10）以及应变D/A转换电路（8）均与高精度电压基准（7）连接，处理器（1）还与打印机接口电路（6）连接；

所述试样试验基准信号包括频率可调的等幅脉冲信号、阶梯脉冲信号或实际材料特征曲线。

2.一种材料试验机用计算机数据采集系统的验证装置，其特征是：包括处理器（1）以及与所述处理器（1）连接的数据存储器（3），处理器（1）在数据存储器（3）内存储有若干试样试验基准信号，处理器（1）能将所述试样试验基准信号添加到计算机数据采集系统的输入端，以供计算机数据采集系统在试样试验时根据试样试验基准信号进行评定验证；并输出相应的评定验证结果；

所述处理器（1）通过力值D/A转换电路（10）、应变D/A转换电路（8）分别与力值输出接口电路（11）以及应变输出接口电路（9）连接，力值D/A转换电路（10）、应变D/A转换电路（8）均与高精度电压基准（7）连接；

所述处理器（1）还与打印机接口电路（6）连接，以通过打印机接口电路（6）与打印机（29）连接；

所述处理器（1）的电源端与电源（5）连接，处理器（1）还与石英振荡电路（2）以及键盘和显示器（4）连接。