CN105829863B - 材料试验机 - Google Patents

Abstract

将负荷传感器(14)与负荷放大器(41)进行连接的线缆(CL1)包括两根屏蔽线(S1、S2)。屏蔽线(S1)包括将负荷传感器侧连接器(25)的连接端子(A)与负荷放大器侧连接器(45)的连接端子(A)之间以及负荷传感器侧连接器(25)的连接端子(B)与负荷放大器侧连接器(45)的连接端子(B)之间分别连接的两根芯线，用于传输从负荷放大器(41)对负荷传感器(14)的桥电路(24)施加的激励信号。屏蔽线(S2)包括将负荷传感器侧连接器(25)的连接端子(C)与负荷放大器侧连接器(45)的连接端子(C)之间以及负荷传感器侧连接器(25)的连接端子(D)与负荷放大器侧连接器(45)的连接端子(D)之间分别连接的两根芯线，用于将从负荷传感器(14)输出的应变信号传输到负荷放大器(41)。

Description

材料试验机

技术领域

本发明涉及一种执行材料试验的材料试验机，特别是涉及一种具备具有应变计式转换器的物理量检测单元的材料试验机。

背景技术

这种材料试验机例如具有以下结构：使一对螺纹杆以互相同步地旋转自如的方式支承在载物台上，并且在这一对螺纹杆上经由螺母支承十字头的两端部。而且，通过电动机的旋转使一对螺纹杆互相同步地旋转，由此使十字头沿着一对螺纹杆移动。十字头和载物台上分别连结有夹具等治具。而且，构成为在利用这一对夹具等治具把持着试验片的两端的状态下使十字头移动，由此对试验片施加试验力。

在这种材料试验机中，作用于试验片的试验力由负荷传感器检测。另外，试验片的标点间的距离的位移量由位移计测定。作为被材料试验机采用的负荷传感器、位移计，已知具有所谓的应变计式转换器的负荷传感器、位移计，该应变计式转换器利用包括四个应变计的桥电路对试验力、位移量等各种物理量进行电性转换(参照专利文献1)。而且，这些负荷传感器、位移计通过线缆连接于材料试验机主体侧的交流放大器。

专利文献1：日本特开2011-169765号公报

发明内容

发明要解决的问题

图4是表示以往的负荷传感器14与负荷放大器41的连接的概要图。图5是用于利用以往的材料试验机中的负荷传感器14检测试验力的电路图。电容器C₁和C₂分别示出了线缆A-线缆C之间的寄生电容、线缆B-线缆C之间的寄生电容。另外，与C₁、C₂同样地，在各个线缆之间存在未图示的寄生电容。

该负荷传感器14具有利用包括四个应变计的桥电路24对试验力进行电性转换的应变计式转换器。另外，负荷放大器41是交流放大器，对负荷传感器14的桥电路24提供交流信号来作为激励信号。

以往，如图4所示，作为将负荷传感器14与负荷放大器41进行连接的线缆CL，使用了四芯屏蔽线。在线缆CL的两端配置有包括线缆侧连接端子A、B、C、D和壳体的线缆侧连接器51。另外，在负荷传感器14中配置有包括负荷传感器侧连接端子A、B、C、D和壳体的负荷传感器侧连接器25，在负荷放大器41中配置有包括负荷放大器侧连接端子A、B、C、D和壳体的负荷放大器侧连接器45。而且，将线缆侧连接器51的一端连接于负荷传感器侧连接器25，将线缆侧连接器51的另一端连接于负荷放大器侧连接器45，由此在负荷传感器14与负荷放大器41之间经由该线缆CL输入输出信号。此外，在将应变计式位移计与位移计用放大器进行连接的情况下，也同样利用线缆CL进行连接。

在该连接例中，如果将对负荷传感器侧连接器25和负荷放大器侧连接器45的对应的字母的端子间进行连接的屏蔽线的芯线分别设为A、B、C、D，则对从负荷放大器41向负荷传感器14输出激励信号的端子分配A、B线，对从负荷传感器14向负荷放大器41输入应变信号的端子分配C、D线。

对于这种屏蔽线，在A-B、A-C、A-D、B-C、B-D、C-D的各芯线间存在寄生电容。并且，如果将屏蔽线的屏蔽体设为S，则在A-S、B-S、C-S、D-S的各芯线与屏蔽体之间也存在寄生电容。而且，关于这些寄生电容的大小，如果将线缆长度设为3米，则各芯线间的线间电容为200pF～500pF(皮法)，各芯线与屏蔽体之间的屏蔽体间电容为300pF～1000pF(皮法)左右。

如果寄生电容为固定值，则将该值设为相对于测定结果的偏移量来处理即可，能够在测定开始前消除寄生电容的影响。然而，在材料试验中，由于由十字头的移动导致的屏蔽线的位置变化、使用者的手触碰到屏蔽线，由此在执行材料试验过程中寄生电容也发生变动。

在此，考察以往的线缆CL的寄生电容对测定结果造成的影响。首先，对屏蔽线的各芯线间的寄生电容(线间电容)进行考察。图6是用于考察传输激励信号的芯线与传输应变信号的芯线之间的寄生电容的等效电路图。图7是表示电容平衡时的测定电压V_M的变化的曲线图，图8是表示电容不平衡时的测定电压V_M的变化的曲线图。此外，图7的曲线图的纵轴表示输出电压值(mV)，横轴表示应变。另外，图8的曲线图的纵轴表示输出电压值(μV)，横轴表示电容的变化量。

在图6的电路中，如果将电源V_S的角频率设为ω，则R₁、R₂、C₁、C₂的阻抗ZR₁、ZR₂、ZC₁、ZC₂用以下的式(1)表示。此外，C₁是A-C间的寄生电容，C₂模拟了B-C间的寄生电容，R₁、R₂模拟了应变计桥的左半部分(参照图5)。

[式1]

另外，R₁C₁并联电路、R₂C₂并联电路的各阻抗Z₁、Z₂用以下的式(2)表示。

[式2]

使用式(2)，用以下的式(3)表示来自该电路的输出电压V_O。

[式3]

在此，负荷放大器41是交流放大器，因此，具有以与ω相同的角频率仅提取式(3)的实数部分作为测定值的功能。因而，作为测定结果的测定电压V_M用以下的式(4)表示。

[式4]

在此，设为V_S＝5V、ω＝2×π×10k rad/s，如果从R₁＝R₂＝350Ω、C₁＝C₂＝500pF的初始状态起调查R(电阻)、C(电容)发生变化时的测定电压V_M的变化，则成为图7和图8的曲线图。

当对普通的负荷传感器14施加了额定试验力时，桥电路24的应变计变化了3000με(微应变)。应变ε与量规常数K的关系用ε＝ΔR/R/K(ΔR：应变计的电阻变化量，R：应变计的电阻值)表示。而且，将量规常数K设为2且设为电容平衡，应变在±3000με的范围内变化时的测定电压V_M如图7所示那样在±15mV之间变化。此外，当对普通的应变计式位移计施加了额定位移时，测定电压V_M也发生同样的变化。

另一方面，电阻值平衡且电容C₁、C₂中的一方(C₁)在500±5pF的范围内变化时(电容不平衡时)的测定电压V_M如图8所示那样在±3μV之间变化。该测定电压V_M成为对负荷传感器14施加了额定试验力时的满刻度的测定电压V_M的输出的5000分之1的大小。

在负荷传感器14为以下规格的情况下该负荷传感器14所需的分辨率是满刻度的40万分之1：试验力范围的精度保证范围是额定试验力的1000分之1～1分之1的范围，且保证了测定精度为数字的指示值±0.5％。然而，参照图8已说明的测定电压V_M的变化是满刻度的测定电压V_M的输出的5000分之1的大小，相对于作为所需分辨率的满刻度的40万分之1，相当于80倍的大小。由此，假定线间电容的变动对负荷传感器14的测定结果造成影响。

接着，考察屏蔽线的各芯线与屏蔽体之间的寄生电容(屏蔽体间电容)C。图9是用于考察用于传输激励信号的芯线与屏蔽体之间以及用于传输应变信号的芯线与屏蔽体之间的寄生电容的等效电路图。图10是表示电容不平衡时的激励电压V_E的变化的曲线图，图11是表示电容不平衡时的测定电压V_M的变化的曲线图。此外，图10和图11的曲线图的纵轴表示输出电压值(mV)，横轴表示电容的变化量。

在由电阻(R)、电容(C)以及电感(L)的组合构成的图9的电路中，如果将电源V_S的角频率设为ω，并利用与上述式(1)～(3)相同的顺序根据阻抗求出输出电压V_O，则对桥电路24施加的激励电压V_E用以下的式(5)表示。

[式5]

首先，对传输激励信号的芯线与屏蔽体之间的寄生电容C(A-S间的寄生电容)的影响进行考察。图9的电路中的V_S、L、R₁、C、R₂分别进行了以下模拟：

V_S：激励电压源

L：激励信号线的电感

R₁：激励信号线的电阻

C：激励信号线与屏蔽体之间的寄生电容

R₂：应变计桥的电阻。

设为V_S＝10V、ω＝2×π×10k rad/s，设为R₁＝10mΩ、R₂＝350Ω、L＝5μH、C＝500pF，C在±1％之间变化时的应变信号的测定电压V_M如图10所示那样在±1μV之间变化。这只不过相对于激励电压10V发生了±0.000001％的变动。

接着，对传输应变信号的芯线与屏蔽体之间的寄生电容C(C-S间的寄生电容)的影响进行考察。在此，图9的电路的V_S、L、R₁、C、R₂分别进行了以下模拟：

V_S：应变计桥的电动势(桥的差分输出)

L：应变信号线的电感

R₁：应变信号线的电阻

C：应变信号线与屏蔽体之间的寄生电容

R₂：应变放大器电路(接收侧)的输入电阻。

在此，设为V_S＝15mV、ω＝2×π×10k rad/s，设为R₁＝350Ω、R₂＝100kΩ、L＝5μH、C＝500pF，C在±1％之间变化时的应变信号的测定电压V_M如图11所示那样在±35nV之间变化。这只不过相对于应变电压15mV发生了±0.00023％的变动。即，认为屏蔽体间电容的变动相对于在材料试验中当前要求的负荷传感器14的测定精度是即使忽略也没有妨碍的程度的变动。

如上所述，获知以下内容：寄生电容的变动对负荷传感器14的测定结果的影响在传输激励信号的芯线与传输应变信号的芯线之间(A-C间、A-D间)大，而在传输激励信号的芯线与屏蔽体之间(A-S间)以及传输应变信号的芯线与屏蔽体之间(C-S间)小。基于这些考察，本申请发明人发现，在降低由具有应变计式转换器的物理量检测单元进行测定时的噪声的过程中，减少线间电容的变动是有效的。

本发明是基于上述考察而完成的，其目的在于提供一种能够降低线缆的寄生电容的影响来正确地测量物理量的材料试验机。

用于解决问题的方案

发明1所述的发明，材料试验机具备物理量检测单元、交流放大器以及线缆，执行对试验片施加试验力的材料试验，其中，该物理量检测单元具有应变计式转换器，该线缆将所述物理量检测单元与所述交流放大器进行连接，该材料试验机的特征在于，所述线缆包括第一屏蔽线和第二屏蔽线，其中，该第一屏蔽线用于传输从所述交流放大器向所述物理量检测单元输入的激励信号，该第二屏蔽线用于传输从所述物理量检测单元向所述交流放大器输出的应变信号。

关于发明2所述的发明，在发明1所述的发明中，所述第一屏蔽线和所述第二屏蔽线是双绞屏蔽线。

关于发明3所述的发明，在发明1或2所述的发明中，所述物理量检测单元是检测对所述试验片施加的试验力的负荷传感器。

关于发明4所述的发明，在发明1或2所述的发明中，所述物理量检测单元是检测对所述试验片施加的位移量的位移计。

发明的效果

根据发明1至4所述的发明，将用于将物理量检测单元与交流放大器进行连接的线缆设为包括第一屏蔽线和第二屏蔽线的线缆，因此即使在执行试验过程中线缆移动、使用者触碰到线缆时，也能够降低线缆的寄生电容的影响来正确地测量物理量，其中，该第一屏蔽线用于传输从交流放大器向物理量检测单元输入的激励信号，该第二屏蔽线用于传输从物理量检测单元向交流放大器输出的应变信号。

根据发明2所述的发明，通过将第一屏蔽线和第二屏蔽线设为双绞屏蔽线，能够减小来自外部的静电耦合噪声、电磁耦合噪声的影响，能够更为正确地测量物理量。

根据发明3所述的发明，在材料试验中，能够更为正确地执行要求高检测精度的试验力测定。

根据发明4所述的发明，在材料试验中，能够更为正确地执行要求高检测精度的试验片的拉伸量、压缩量的测定。

附图说明

图1是本发明所涉及的材料试验机的概要图。

图2是表示负荷传感器14与负荷放大器41的连接的配线图。

图3是表示线缆的不同对试验力测定结果造成的影响的曲线图。

图4是表示以往的材料试验机的负荷传感器14与负荷放大器41的连接的配线图。

图5是用于利用以往的材料试验机的负荷传感器14检测试验力的电路图。

图6是用于考察传输激励信号的芯线与传输应变信号的芯线之间的寄生电容的等效电路图。

图7是表示电容平衡时的测定电压V_M的变化的曲线图。

图8是表示电容不平衡时的测定电压V_M的变化的曲线图。

图9是用于考察用于传输激励信号的芯线与屏蔽体之间以及用于传输应变信号的芯线与屏蔽体之间的寄生电容的等效电路图。

图10是表示电容不平衡时的激励电压V_E的变化的曲线图。

图11是表示电容不平衡时的测定电压V_M的变化的曲线图。

具体实施方式

以下，基于附图来说明本发明的实施方式。图1是本发明所涉及的材料试验机的概要图。

该材料试验机具备：载物台16；一对支柱19，其直立设置于地面；一对螺纹杆11，其在各支柱19的内部在载物台16上以朝向铅垂方向的状态可旋转地直立设置；十字头13，其能够沿着这些螺纹杆11移动；以及负荷机构30，其用于使该十字头13移动来对试验片10施加试验力。此外，在图1中图示了去除了一对支柱19中的纸面左侧的支柱19的状态。

十字头13经由省略图示的螺母连结于一对螺纹杆11。成为以下结构：螺纹杆11的下端部分别连结于负荷机构30，将来自负荷机构30的驱动源的动力传递到螺纹杆11。一对螺纹杆11同步地旋转，由此十字头13沿着这一对螺纹杆11上升和下降。

在十字头13上附设有用于把持试验片10的上端部的上夹具21。另一方面，在载物台16上附设有用于把持试验片10的下端部的下夹具22。在进行拉伸试验的情况下，以利用该上夹具21和该下夹具22把持着试验片10的两端部的状态使十字头13上升，由此对试验片10施加试验力(拉伸荷重)。

此时，作用于试验片10的试验力由配置于十字头13的负荷传感器14检测。另外，试验片10的标点间的距离的位移量由位移计18测定。在该实施方式中测定的位移量是试验片10的拉伸量，因此位移计18也被称为拉伸计。这样，该材料试验机具备负荷传感器14和位移计18来作为物理量检测单元。

控制部23由计算机、定序器以及它们的周边设备构成。控制部23与具备触摸面板的显示部26和负荷机构30连接，使负荷机构30按照通过显示部26设定的试验条件进行动作。另外，在控制部23中配置有用线缆CL1与负荷传感器14连接的负荷放大器41，取入从负荷传感器14输出的信号来执行数据处理。另外，在控制部23中配置有用线缆CL2与位移计18连接的位移计用放大器，取入从位移计18输出的信号来执行数据处理。

图2是表示负荷传感器14与负荷放大器41的连接的配线图。

负荷传感器14具有利用包括四个应变计的桥电路24对试验力进行电性转换的所谓应变计式转换器。在负荷传感器14中配置有包括负荷传感器侧连接端子A、B、C、D和壳体的负荷传感器侧连接器25。

配置于控制部23的负荷放大器41是交流放大器，输出对负荷传感器14的桥电路24施加的激励信号，并且被输入来自桥电路24的应变信号。负荷放大器41中配置有包括负荷放大器侧连接端子A、B、C、D和壳体的负荷放大器侧连接器45。

将负荷传感器14与负荷放大器41进行连接的线缆CL1包括两根屏蔽线S1、S2。而且，在线缆CL1的两端配置有包括线缆侧连接端子A、B、C、D和壳体的线缆侧连接器51。

屏蔽线S1包括将负荷传感器侧连接器25的连接端子A与负荷放大器侧连接器45的连接端子A之间以及负荷传感器侧连接器25的连接端子B与负荷放大器侧连接器45的连接端子B之间分别连接的两根芯线，用于传输从负荷放大器41对负荷传感器14的桥电路24施加的激励信号。屏蔽线S2包括将负荷传感器侧连接器25的连接端子C与负荷放大器侧连接器45的连接端子C之间以及负荷传感器侧连接器25的连接端子D与负荷放大器侧连接器45的连接端子D之间分别连接的两根芯线，用于将从负荷传感器14输出的应变信号传输到负荷放大器41。屏蔽线S1和S2的屏蔽体部分与线缆侧连接器51的外壳电连接，在线缆CL1经由连接器耦合于负荷放大器41时，通过负荷放大器侧连接器45的外壳与地面电连接。此外，在该实施方式中，作为屏蔽线S1、S2，使用了由内部的两根芯线互相捻合而成的双绞屏蔽线。由此，能够降低从外部空间传播的噪声的影响。另外，上述两根屏蔽线S1和S2还能够采用被共用的外皮覆盖且整体外观为一根线缆的屏蔽线。

图3是表示线缆的不同对试验力测定结果造成的影响的曲线图。纵轴表示试验力值，横轴表示時间。另外，在曲线图中，虚线(Single Cable：单芯线缆)表示将以往的一根四芯屏蔽线作为线缆CL使用时的检测试验力值的变动，实线(Double Cable：双芯线缆)表示将本发明的两根屏蔽线S1、S2作为线缆CL1使用时的检测试验力值的变动。

在此，将对负荷传感器侧连接器25和负荷放大器侧连接器45的对应的字母的端子间进行连接的屏蔽线的芯线分别设为A、B、C、D。在本发明中，将传输激励信号的A、B线和传输应变信号的C、D线设为不同的屏蔽线S1、S2。阻抗低的屏蔽体进入激励信号线与应变信号线之间，由此与使用了图4所示的以往的线缆CL的情况相比，能够减小A-C、A-D、B-C、B-D间的寄生电容的变化的影响。因此，如图3所示，通过将本发明的两根屏蔽线S1、S2作为线缆CL1(实线)使用，与以往相比能够大幅减少由在使用者的手触碰到线缆CL(虚线)等时发生的寄生电容的变动引起的试验力值的变动。

此外，在上述实施方式中，对将负荷传感器14与负荷放大器41进行连接的线缆CL1进行了说明，但对于将位移计18与位移计用放大器进行连接的线缆CL2，也能够采用与线缆CL1相同的线缆。在位移计18具有应变计式转换器的情况下，通过使线缆CL2采用与线缆CL1相同的线缆，能够降低线缆的寄生电容的影响，使位移的检测精度提高。

附图标记说明

10：试验片；11：螺纹杆；13：十字头；14：负荷传感器；16：载物台；18：位移计；21：上夹具；22：下夹具；23：控制部；24：桥电路；25：负荷传感器侧连接器；26：显示部；30：负荷机构；41：负荷放大器；42：负荷放大器侧连接器；51：线缆侧连接器；S1：第一屏蔽线；S2：第二屏蔽线；CL1：线缆；CL2：线缆。

Claims (4)

1.一种材料试验机，具备物理量检测单元、交流放大器以及线缆，执行对试验片施加试验力的材料试验，其中，该物理量检测单元具有应变计式转换器，该线缆将所述物理量检测单元与所述交流放大器进行连接，该材料试验机的特征在于，

所述线缆包括第一屏蔽线和第二屏蔽线，其中，该第一屏蔽线包括屏蔽体以及用于传输从所述交流放大器向所述物理量检测单元输入的激励信号的芯线，该第二屏蔽线包括屏蔽体以及用于传输从所述物理量检测单元向所述交流放大器输出的应变信号的芯线。

2.根据权利要求1所述的材料试验机，其特征在于，

所述第一屏蔽线和所述第二屏蔽线是双绞屏蔽线。

3.根据权利要求1或2所述的材料试验机，其特征在于，

所述物理量检测单元是检测对所述试验片施加的试验力的负荷传感器。

4.根据权利要求1或2所述的材料试验机，其特征在于，

所述物理量检测单元是检测对所述试验片施加的位移量的位移计。