萬能試驗機的測量系統(tǒng)是如何工作的？

萬能試驗機的測量系統(tǒng)是實現(xiàn) “力值 - 位移 - 應變” 三大核心物理量精準采集的核心模塊，其工作邏輯可概括為：通過專用傳感器將力學 / 幾何信號轉換為電信號，經(jīng)信號調(diào)理、模數(shù)轉換后，由控制系統(tǒng)處理為可量化的測試數(shù)據(jù)，最終生成力學曲線和參數(shù)報告。整個過程需滿足 “高精度、高響應、低噪聲” 要求，以下從核心組件、工作流程、關鍵技術細節(jié)三方面展開解析（結合設備實操原理）：

一、測量系統(tǒng)的核心組件及功能

測量系統(tǒng)由 “傳感器→信號調(diào)理→數(shù)據(jù)采集→控制系統(tǒng)” 四大核心單元組成，各組件分工明確、協(xié)同工作，確保信號傳遞無失真：

二、三大核心物理量的測量原理（工作流程拆解）

測量系統(tǒng)的核心是精準捕捉 “力值、位移、應變”，三者測量邏輯相似但針對不同物理量設計，以下是詳細工作流程：

1. 力值測量：應變片式力傳感器的工作邏輯（最核心的測量環(huán)節(jié)）

力值測量是所有力學測試的基礎，核心依賴應變片式力傳感器，工作流程如下：

① 載荷傳遞：測試時，樣品受力通過夾具傳遞至力傳感器的彈性體（如合金鋼梁），彈性體在載荷作用下產(chǎn)生微小形變（通常≤0.1mm，肉眼不可見）；

② 應變 - 電信號轉換：彈性體表面粘貼的應變片（金屬電阻絲或半導體材料）隨彈性體形變而拉伸 / 壓縮，導致應變片電阻值變化（遵循 “應變 - 電阻效應”：形變越大，電阻變化越大）；

③ 橋式電路放大：應變片組成惠斯通電橋，由橋式激勵電源提供穩(wěn)定電壓（通常 5V 或 10V），電阻值變化會轉化為電橋輸出的微弱電壓信號（通常 μV 級，如 1000N 載荷對應 100μV 信號）；

④ 信號調(diào)理：微弱電壓信號經(jīng)信號放大器放大（放大 1000~10000 倍至 mV 級），同時通過低通濾波器過濾電磁干擾（如電機、電源產(chǎn)生的高頻噪聲）；

⑤ 模數(shù)轉換與數(shù)據(jù)處理：A/D 轉換器將放大后的模擬信號轉換為數(shù)字信號，控制器根據(jù)傳感器的校準系數(shù)（如 1mV 對應 10N）將數(shù)字信號換算為實際力值（如 100mV 對應 1000N），實時顯示并存儲。

2. 位移測量：光柵尺 / 激光位移計的工作邏輯

位移測量分為 “夾具位移”（宏觀位移）和 “樣品應變”（微觀形變），核心設備為光柵尺（主流）和激光位移計（高精度場景）：

（1）光柵尺位移測量（適用于大多數(shù)設備）

① 結構組成：光柵尺由標尺光柵（固定在機架上）和指示光柵（固定在移動夾具上）組成，兩光柵之間有微小間隙（約 0.1mm）；

② 位移 - 光學信號轉換：當夾具移動時，指示光柵相對標尺光柵滑動，光源（LED 燈）照射光柵后產(chǎn)生 “莫爾條紋”（干涉條紋），條紋移動速度與夾具位移速度成正比；

③ 光學 - 電信號轉換：光電探測器（如光敏電阻）捕捉莫爾條紋的明暗變化，將其轉換為脈沖電信號（位移越大，脈沖數(shù)越多）；

④ 數(shù)據(jù)處理：控制器根據(jù)光柵尺的柵距（如 20μm / 柵）計算實際位移（位移 = 脈沖數(shù) × 柵距），例如 1000 個脈沖對應 20mm 位移，實現(xiàn)精準測量。

（2）激光位移計測量（適用于 0.1 級及以上高精度設備）

原理：通過發(fā)射激光束照射夾具或樣品表面，接收反射光束，利用 “飛行時間法”（測量激光往返時間）或 “三角測量法”（測量反射光束偏移角度）計算距離變化，直接輸出位移數(shù)據(jù)；

優(yōu)勢：非接觸式測量，無摩擦誤差，分辨力可達 0.001mm，適合小位移、高精度測試（如微型彈簧形變測量）。

3. 應變測量：引伸計的工作邏輯（可選，針對微觀形變）

應變是材料單位長度的形變量（ε=ΔL/L，ΔL 為形變，L 為標距），需通過引伸計測量：

① 安裝固定：將引伸計的兩個夾持臂固定在樣品的標距段（如金屬片的中間 50mm 區(qū)域），確保夾持牢固且不損傷樣品；

② 形變傳遞：樣品拉伸 / 壓縮時，標距段產(chǎn)生微小形變，帶動引伸計的彈性元件形變，觸發(fā)內(nèi)置的應變片電阻變化（原理同力傳感器）；

③ 信號處理：引伸計輸出的電信號經(jīng)調(diào)理、轉換后，控制器根據(jù)標距長度計算應變（如標距 50mm，形變 0.05mm，應變 = 0.05/50=0.001=1000μm/m）；

應用場景：金屬屈服應變、復合材料彈性模量等高精度參數(shù)測試，需搭配應變控模式實現(xiàn)閉環(huán)控制。

三、測量系統(tǒng)的關鍵技術細節(jié)（確保精度與穩(wěn)定性）

1. 信號抗干擾技術

電磁干擾屏蔽：傳感器線纜采用屏蔽線，信號調(diào)理模塊接地（接地電阻≤4Ω），避免電機、變頻器產(chǎn)生的電磁噪聲影響信號；

溫度補償：力傳感器、應變片內(nèi)置溫度補償電阻，抵消環(huán)境溫度變化導致的零點漂移（如溫度每變化 10℃，漂移≤0.005% FS）。

2. 校準與誤差修正

出廠校準：廠家通過標準測力儀、激光干涉儀對傳感器進行校準，建立 “輸入物理量 - 輸出電信號” 的對應關系，存儲校準系數(shù)；

定期校準：用戶需每年用 CNAS 認證的標準器具（如標準量塊、標準力傳感器）校準，更新校準系數(shù)，確保測量精度；

系統(tǒng)誤差修正：軟件自動修正機械間隙（如絲杠空行程）、機架形變等系統(tǒng)誤差，例如通過預加載消除絲杠間隙，通過剛度補償修正機架形變帶來的位移誤差。

3. 同步采集與數(shù)據(jù)關聯(lián)

三大物理量的采集需嚴格同步（采樣率一致，如 1000Hz），確保每個時間點的力值、位移、應變數(shù)據(jù)一一對應，才能繪制精準的 “力 - 位移”“應力 - 應變” 曲線；

數(shù)據(jù)緩存與補全：高頻測試時（如 5kHz 采樣），通過緩存模塊臨時存儲數(shù)據(jù)，避免因處理速度不足導致數(shù)據(jù)丟失，確保曲線平滑無斷點。

四、測量系統(tǒng)的性能指標與選型參考

總結

萬能試驗機的測量系統(tǒng)本質(zhì)是 “物理信號→電信號→數(shù)字信號” 的轉換與處理系統(tǒng)，核心依賴高精度傳感器、低噪聲信號調(diào)理、高速同步采集三大技術。其工作流程可簡化為：

傳感器將力、位移、應變轉換為微弱電信號；

信號調(diào)理單元放大信號、過濾噪聲；

A/D 轉換器將模擬信號轉為數(shù)字信號；

控制器根據(jù)校準系數(shù)計算實際物理量，同步關聯(lián)數(shù)據(jù)并生成曲線 / 報告。

選型時需重點關注傳感器精度（力傳感器≥0.05 級、位移傳感器≥光柵尺級別）、采樣率（≥1000Hz）、校準兼容性（支持 CNAS 校準），使用時需定期校準傳感器、維護信號線纜，才能確保測量系統(tǒng)長期穩(wěn)定輸出可靠數(shù)據(jù)。