引言

　　隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,電子萬能試驗(yàn)機(jī)在社會(huì)生產(chǎn)中的應(yīng)用不斷普及,由于其具有準(zhǔn)確度高,功能強(qiáng)大,操作方便等優(yōu)點(diǎn),在中小力值測量范圍內(nèi)逐漸代替了傳統(tǒng)的機(jī)械式和液壓式試驗(yàn)機(jī),深受廣大用戶的歡迎。電子萬能試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式與傳統(tǒng)機(jī)械式試驗(yàn)機(jī)不同,電子萬能試驗(yàn)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)包括:①主機(jī)部分(機(jī)架、絲桿、夾具等);②運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)(光電編碼器、交流伺服電機(jī)、變頻器等);③測量系統(tǒng)(力傳感器、測量放大器、引伸計(jì)等);④數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(計(jì)算機(jī)、軟件、數(shù)據(jù)采集器等)。通過計(jì)算機(jī)控制,電子萬能試驗(yàn)機(jī)可實(shí)現(xiàn)對各種材料進(jìn)行拉伸、壓縮、彎曲和剪切等多項(xiàng)性能試驗(yàn),并可對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示記錄、打印。

　　1.影響電子萬能試驗(yàn)機(jī)準(zhǔn)確度的幾個(gè)因素

　　由于電子萬能試驗(yàn)機(jī)的技術(shù)含量高,部分檢定人員對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)不了解,同時(shí),新規(guī)程對檢定的標(biāo)準(zhǔn)儀器、檢定的方法等要求也有所提高。因此計(jì)量部門在電子萬能試驗(yàn)機(jī)的檢定工作中,應(yīng)注意以下幾個(gè)影響試驗(yàn)機(jī)準(zhǔn)確度的因素。

　　1.1　負(fù)荷傳感器的影響

　　傳感器是電子萬能試驗(yàn)機(jī)的主要測量部件,其技術(shù)指標(biāo)對試驗(yàn)機(jī)的準(zhǔn)確度指標(biāo)影響很大。電子萬能試驗(yàn)機(jī)中使用的多數(shù)是應(yīng)變式負(fù)荷傳感器,其技術(shù)指標(biāo)的判定依據(jù)有JJG391-1985《負(fù)荷傳感器》和JJG669-2003《稱重傳感器》。其中測力用傳感器以JJG391-1985《負(fù)荷傳感器》為技術(shù)依據(jù),衡器用傳感器以JJG669-2003《稱重傳感器》為技術(shù)依據(jù)。JJG391《負(fù)荷傳感器》中給出的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

　　(1) 傳感器的準(zhǔn)確度

　　用于傳感器出廠檢驗(yàn)的力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)主要分為靜重式、杠桿式和疊加式等幾種。其中靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)準(zhǔn)確度最高,一般可以達(dá)到0 005%～0 01%的準(zhǔn)確度,可檢定0 02級～0 03級的傳感器,但由于采用砝碼直接加荷,因此制造價(jià)格高,除個(gè)別大型傳感器廠的靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)可達(dá)到100kN～200kN外,一般傳感器生產(chǎn)廠家的靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)多為10kN。多數(shù)廠家檢定10kN以上傳感器時(shí),采用價(jià)格較低的杠桿式或疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī),其準(zhǔn)確度為0 03%,因此只能檢定0 1級的傳感器。由于測量手段的限制,10kN以上的國產(chǎn)傳感器準(zhǔn)確度實(shí)際上多數(shù)為0 1級或以下。

　　試驗(yàn)機(jī)制造廠家選用的傳感器級別一般為0 03級至0 1級。但部分傳感器廠家檢驗(yàn)?zāi)芰Σ粔?卻仍然將0 1級的傳感器標(biāo)稱為0 03、或0 05級,此類傳感器用在電子試驗(yàn)機(jī)上,就會(huì)對試驗(yàn)機(jī)準(zhǔn)確度產(chǎn)生較大影響。其次,由于市場競爭激烈,近幾年試驗(yàn)機(jī)價(jià)格大幅下降,制造廠家出于對成本的考慮,會(huì)選用級別較低、價(jià)格較便宜的0 1級傳感器,并認(rèn)為使用0 1級的傳感器制造1級的試驗(yàn)機(jī)綽綽有余,這也對試驗(yàn)機(jī)準(zhǔn)確度產(chǎn)生影響。同時(shí),由于檢定規(guī)程中采用的是滿量程相對誤差,因此轉(zhuǎn)換為相對誤差時(shí)傳感器的準(zhǔn)確度更低。

　　(2) 傳感器的穩(wěn)定性

　　影響負(fù)荷傳感器性能的指標(biāo)包括:重復(fù)性(%FS)、直線度(%FS)、滯后(%FS)、長期穩(wěn)定性(%FS/月)、蠕變/蠕變恢復(fù)(%FS)、輸出溫度影響(%FS/10K)等。其中“重復(fù)性、直線度、滯后”合稱綜合誤差,為主要技術(shù)指標(biāo)。由于電子試驗(yàn)機(jī)在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件方面,具有內(nèi)部校準(zhǔn)和非線性修正程序,可以對傳感器的非線性誤差進(jìn)行修正,使試驗(yàn)機(jī)在標(biāo)定后的示值誤差數(shù)據(jù)非常好,可以在±0 2%～±0 3%以內(nèi),但試驗(yàn)機(jī)制造廠家往往只關(guān)注綜合誤差指標(biāo),而容易忽視其他幾個(gè)技術(shù)指標(biāo),造成試驗(yàn)機(jī)的長期穩(wěn)定性不理想。

　　其中,輸出溫度影響是傳感器的一個(gè)重要指標(biāo),以0 03級傳感器為例,其輸出溫度影響允差為±0 03%FS/10K,即溫度每變化10℃,傳感器信號輸出會(huì)產(chǎn)生±0 03%FS的變化,即在10%量程時(shí)有可能產(chǎn)生±0 3%的變化。同樣,0 03級傳感器的長期穩(wěn)定性為±0 06%FS/月,即在10%量程時(shí)有可能產(chǎn)生±0 6%的變化。這些誤差是無法通過軟件程序進(jìn)行修正的。在實(shí)際檢定工作中,檢定人員會(huì)發(fā)現(xiàn),一些電子試驗(yàn)機(jī)在標(biāo)定后數(shù)據(jù)值非常好,但過一段時(shí)間就會(huì)出現(xiàn)較大的誤差,這往往就是由于傳感器不穩(wěn)定造成的。

　　(3) 傳感器使用下限的問題

　　由于現(xiàn)在的A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)發(fā)展迅速,20位、甚至24位的轉(zhuǎn)換模塊都已開始普及應(yīng)用,對傳感器輸出電信號的測量已經(jīng)比較準(zhǔn)確,因此試驗(yàn)機(jī)生產(chǎn)廠家也不斷擴(kuò)展試驗(yàn)機(jī)的測量下限,從原來的10%擴(kuò)展到現(xiàn)在的1%,甚至0 5%都有,但這只是考慮了A/D轉(zhuǎn)換的因素,并沒有考慮傳感器的因素。從負(fù)荷傳感器的檢定規(guī)程可以看出,負(fù)荷傳感器的檢定點(diǎn)是從10%～20%開始,其技術(shù)指標(biāo)也是以此為依據(jù)確定的,在傳感器1%的量程下使用,各種因素對傳感器的影響是不確定的,傳感器的零點(diǎn)漂移和零點(diǎn)溫度影響等指標(biāo)會(huì)對測量誤差產(chǎn)生較大的影響。例如,0 03級傳感器的零點(diǎn)漂移為0 015%FS,在1%量程下,其漂移量就為1 5%,遠(yuǎn)超出試驗(yàn)機(jī)的允差,并且無法用軟件程序修正。

　　同時(shí),由于許多電子試驗(yàn)機(jī)具有零位自動(dòng)跟蹤功能,零點(diǎn)輸出值在一定范圍內(nèi)變化時(shí),程序會(huì)將其自動(dòng)置零,我們平時(shí)看到試驗(yàn)機(jī)的零點(diǎn)值十分穩(wěn)定就是這個(gè)原因,但這就令我們沒法知道真正的零點(diǎn)漂移誤差。

　　1. 2　標(biāo)準(zhǔn)測力儀偏載的影響

　　許多電子試驗(yàn)機(jī)的下壓板有自動(dòng)調(diào)心機(jī)構(gòu),而由于標(biāo)準(zhǔn)測力儀上壓頭一般也都有自動(dòng)調(diào)心機(jī)構(gòu),在檢定壓向力時(shí),如果下壓板沒有放置水平,就有可能使標(biāo)準(zhǔn)測力儀產(chǎn)生平行傾斜,試驗(yàn)機(jī)的壓力不能垂直地加到標(biāo)準(zhǔn)測力儀上,假如標(biāo)準(zhǔn)測力儀產(chǎn)生3°的傾斜,則所受的實(shí)際力值為F.cos3°≈0 9986F,即會(huì)產(chǎn)生0 14%的誤差,如果被檢試驗(yàn)機(jī)等級是0 5級的話,就會(huì)對結(jié)果有較大的影響。因此,在檢定0 5級試驗(yàn)機(jī)時(shí),是不應(yīng)該同時(shí)使用兩個(gè)自動(dòng)調(diào)心機(jī)構(gòu)的。

　　1.3　檢定方向的影響

　　電子萬能試驗(yàn)機(jī)的力值檢定分拉向和壓向兩部分,部分檢定人員認(rèn)為試驗(yàn)機(jī)的拉、壓向示值誤差數(shù)據(jù)是相同的,而且由于檢定拉向示值需要連接反向器,或者使用拉向傳感器,特別在檢定力值較大的試驗(yàn)機(jī)時(shí),連接裝置比較復(fù)雜,從而會(huì)忽略拉向力值的檢定。實(shí)際上,傳感器的在不同方向受力時(shí)的信號輸出值是不一樣的,因此,對于電子萬能試驗(yàn)機(jī)必須分別檢定拉向和壓向的力值誤差。

　　1.4　引伸計(jì)的檢定

　　引伸計(jì)是電子萬能試驗(yàn)機(jī)的一個(gè)位移測量裝置,引伸計(jì)結(jié)合試驗(yàn)機(jī)的力值檢測用于測量材料的變形、應(yīng)變、彈性摸量等參數(shù)。但由于引伸計(jì)是屬于幾何量的測量儀器,從事力學(xué)工作檢定人員對引伸計(jì)的結(jié)構(gòu)原理和檢定方法不夠熟悉,也會(huì)忽視了引伸計(jì)的檢定。而部分用戶不了解引伸計(jì)是否需要單獨(dú)檢定,也會(huì)造成漏檢,最終影響試驗(yàn)機(jī)的測量結(jié)果。因此,最新修訂的JJG475-2008《電子萬能試驗(yàn)機(jī)》和JJG157-2008《非金屬拉力、壓力和萬能試驗(yàn)機(jī)》檢定規(guī)程中,都將引伸計(jì)示值誤差規(guī)定為首次檢定和后續(xù)檢定的必檢項(xiàng)目。

　　2　總結(jié)

　　總之,電子萬能試驗(yàn)機(jī)是結(jié)合機(jī)械、電子和傳感器技術(shù)于一體的精密測量儀器,因此計(jì)量檢定人員應(yīng)該對其原理和結(jié)構(gòu)有一定的了解,知道影響試驗(yàn)機(jī)準(zhǔn)確度的主要因素,并在檢定工作中盡量避免這些因素對檢定結(jié)果的影響。

　　本文摘自《計(jì)量與測試技術(shù)》2009年第36卷第4期