新型自动拉力实验机的研制

　　一、引　言

　　拉力实验机广泛应用于各行业的材料试验中。现有常用的机械或电子拉力实验机适应性不强,测试精度低,不易操作,测试数据不能方便地用于质量分析和质量跟踪;本文提出的拉力实验机实现方案,以通用微机作为测控平台,采用12位多路A/D转换卡实现力和长度信号的采集,测试过程全自动,操作界面友好,测试结果便于作进一步的数据分析和用于指导生产。

　　按本文方案实现的一个系统应用于塑料软包装材料的质量实验,包括拉伸实验[1]、撕裂强度实验[2]和时间-附着力实验[3]等。经实际使用表明,系统稳定可靠,实时性好,测试精度高。系统达到的主要技术指标为:

　　力值满量程:　0.5kgf、　5kgf、　50kgf、　500kgf等N挡

　　测力示值相对误差:　<±1%

　　最大伸长:　800mm

　　测长示值相对误差:<±1%

　　拉伸速度分档:　100、　200、　250、　300、　500mm/分钟

　　测试软件主要功能:实时显示全过程测试曲线(负荷-时间曲线、负荷-伸长曲线)

　　·测试和计算拉断力、最大力、撕裂力、封口强度、平均值和积分值等

　　·建立测试数据档案,以便检索、打印和进行质量分析

　　·传感器自动校零和校满度系统总体框图如图1所示。

　　二、硬件电路工作原理与设计

　　2.1　传感器与前置放大器

　　传感器与前置放大器原理如图2所示。力传感器电阻桥由R1～R4四个应变电阻组成,它们的阻值随所受应力的变化而变化,从而使电桥输出一个正比于力的电压信号,经前置放大器输出到PC机内的A/D采集卡。W1电位器用于调零,VS为力值指示器。伸长计传感器是精度为0.3%的电位器,与W2构成桥路,W2可用于调零,W3作为长度的调满度电位器。伸长计电位器在机械零位处时,往往具有非零电阻值R。

　　2.2　多路A/D采集卡

　　原理框图如图3所示。

　　长度和力值信号经前置放大送入A/D采集卡的相应增益放大器,以获得合适的电平输出。其中力值信号同时送入一组增益不同的放大器,这些放大器的增益被设计成相差10倍间隔,分别对应各档力值信号输入(比如0.5kgf、5kgf、50kgf、500kgf等),以便小信号也能获得足够的输出电平,同时有益于改善线性度。放大器的输出经模拟多路开关选择其中一路输出到采样保持器LF398,再经12位A/D转换器进行模/数转换后,送入PC机内部。

　　图3中的控制/状态寄存器用来产生各种控制信号(比如A/D启动、多路开关选择等),并在读操作时提供A/D转换状态的查询。

　　A/D转换器采用精度为12位,允许双极性输入,转换速度为25μs的AD574A芯片。