1 前言

隨著社會(huì)的進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，各類新材料層出不窮，材料試驗(yàn)機(jī)行業(yè)也有了長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展。各種新技術(shù)、新方案被大量的應(yīng)用在試驗(yàn)機(jī)領(lǐng)域，因而試驗(yàn)機(jī)的性能有了非常大的提高，使用領(lǐng)域也較過去有了非常大的拓展。

試驗(yàn)機(jī)一般采用分檔的方法擴(kuò)展量程，近年來隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了不分檔、寬量程測(cè)量的試驗(yàn)機(jī)。相對(duì)于分檔測(cè)量試驗(yàn)機(jī)來說，不分檔測(cè)量試驗(yàn)機(jī)對(duì)傳感器的特性有更高的要求。

2 原理分析

現(xiàn)代試驗(yàn)機(jī)一般采用電子式測(cè)力方式，電子式測(cè)力主要是通過傳感器實(shí)現(xiàn)的?，F(xiàn)在使用的傳感器多為貼片電阻式傳感器，通過彈性體改變長(zhǎng)度及截面積，使貼片電阻阻值隨之產(chǎn)生線性變化，傳感器的輸出電壓也隨之產(chǎn)生變化。傳感器的檢定規(guī)程規(guī)定：傳感器的線性檢定是取五或十個(gè)點(diǎn)進(jìn)行檢定，即20%-100%F_N或10%-100%F_N，我們?nèi)≥^大的范圍即10%-100%F_N，這也是傳感器的有效使用范圍，傳感器的線性也適用于這一范圍。我們所使用的傳感器的線性一般是0.1%，指的是進(jìn)程平均校準(zhǔn)曲線與平均端點(diǎn)直線偏差的最大值與額定負(fù)荷的比值，即絕對(duì)誤差；試驗(yàn)機(jī)的示值精度±1%是測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值之差與標(biāo)準(zhǔn)值的比值，即相對(duì)誤差。因此在小量程測(cè)量范圍內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)傳感器的線性不滿足試驗(yàn)機(jī)的示值精度要求。在等價(jià)于四檔的不分檔試驗(yàn)機(jī)中所要求的測(cè)量范圍是2%-10%F_N，這樣傳感器2%-10%F_N的示值精度就不能保證與10%-100%F_N一致，可能出現(xiàn)2%-10%F_N的示值精度超差。為了不影響傳感器10%-100%F_N測(cè)量范圍的精度，需要在不分檔、寬量程測(cè)量的試驗(yàn)機(jī)軟件中加上分段標(biāo)定。

在電子測(cè)力的過程中我們需要使用傳感器的線性，即傳感器的輸出信號(hào)與所受到的負(fù)荷是成比例關(guān)系的。但是在現(xiàn)實(shí)中，傳感器的信號(hào)與負(fù)荷不可能是完全線性的，它總是有一定的偏差的，如圖1所示：

圖1 傳感器的線性特性

理論上力F與傳感器的信號(hào)有一定的線性函數(shù)關(guān)系：

F= F(v)= kv

以1000kN一級(jí)屏顯試驗(yàn)機(jī)為例，傳感器的有效值為100kN-1000kN，線性為0.1%；等價(jià)于四檔的屏顯試驗(yàn)機(jī)測(cè)量范圍為20kN-1000kN，示值精度為±1 %。對(duì)于試驗(yàn)機(jī)測(cè)量的最小點(diǎn)20kN這點(diǎn)，按傳感器的線性允許產(chǎn)生1000kN×0.1%=1kN的誤差，按試驗(yàn)機(jī)的示值精度允許產(chǎn)生20kN×±1 % =±0.2kN。這樣傳感器示值的最大誤差為1kN÷20 kN= 5 %,就超出了±1%的要求，這時(shí)就需要對(duì)這點(diǎn)進(jìn)行非線性修正，提高試驗(yàn)機(jī)準(zhǔn)確度，減少誤差。因此在不分檔、寬量程的試驗(yàn)機(jī)軟件中，使用分段標(biāo)定提高示值準(zhǔn)確度是必要的。

當(dāng)傳感器的線性不能夠滿足試驗(yàn)機(jī)測(cè)量試驗(yàn)力的要求時(shí)，如圖(1)，線性函數(shù)的偏差超出允許的范圍時(shí)，就要通過軟件對(duì)試驗(yàn)機(jī)的力值進(jìn)行分段標(biāo)定。分段標(biāo)定的算法很多，主要使用的是插值法，在整個(gè)信號(hào)區(qū)間內(nèi)找到一個(gè)或者是幾個(gè)線性偏差大的點(diǎn)，然后得出曲線K_l和K₂，其斜率分別為k_l和k₂，如圖2所示：

圖2 分段標(biāo)定后的線性特性

試驗(yàn)力F的函數(shù)為：

經(jīng)過分段標(biāo)定以后，所有的測(cè)量點(diǎn)的力值都在允許的范圍以內(nèi)了。

當(dāng)插入的點(diǎn)更多，達(dá)到無窮多個(gè)時(shí)就有

試驗(yàn)機(jī)所有的點(diǎn)的示值都與實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)值相同了。在實(shí)際應(yīng)用過程中，力F對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值的誤差在±1%以內(nèi)就達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，所以只需將F= F(v)=kv中偏離標(biāo)準(zhǔn)值最大的幾個(gè)點(diǎn)分段標(biāo)定就能夠滿足試驗(yàn)機(jī)的使用要求了。

綜上所述在不分檔，寬量程測(cè)量試驗(yàn)機(jī)上使用分段標(biāo)定可以增加測(cè)量范圍，提高試驗(yàn)機(jī)準(zhǔn)確度，減少偏差。