基于单片机的万能材料实验机设计

　　引言

　　万能材料实验机在科研工作和其它测量研究系统中，作为最基本的实验机械已被使用了几十年，随着其不断发展，目前的材料实验机主要有电子式及液压式，其中电子式材料实验机采用计算机进行加载控制、数据采集及测试内容分析，自动化程度高，但是价格昂贵、维护困难;液压式材料实验机是一种传统型，使用数字仪表显示检测数据，造价较低，但存在系统误差较大，有整体性能单一，不能数据存储等缺陷。综合以上的因素设计了一种结构简单的材料实验机，用单片机作为主要的控制系统，并完成载荷及变形信号的采集、数据的处理与分析，且利用液晶显示器来实时绘制载荷-变形曲线，并且可进行存储数据，结果检测等全新功能，且综合性能比较高，具有很好的发展前景和市场使用价值。

　　1 系统设计原理

　　万能材料实验机的基本工作原理为将材料试样固定在实验机夹具上，然后启动电机，压缩活动平台随之运动，对试件施加轴向载荷，并记录下来加载过程中承受载荷与产生变形的相关数据，以此完成试件的多项机械性能的分析。

　　该新型材料实验机除具有上述原理外，其结构独特处为含有两块单片机芯片，两者相互配合又分工不同。载荷、变形传感器产生的模拟信号经数据通道调理后，在一块单片机中完成分析、处理以及信号的转换，并由另一块单片机进行液晶显示器的控制，以实时绘制载荷-变形曲线。二者之间采用全双工形式传送数据，大大缩短了数据传送所需时间，提高了效率。为了得到拉伸长度和拉力这两个物理量，要用模数转换器A/D 将这两个物理量转变为数字两送给计算机进行处理。在Labview 环境下，利用上位机中附加的软件功能，自动完成A/D 转换及线性度分析。其系统功能简图如图1所示，新型材料实验机实现了显示载荷和变形采样数据处理、自动分析记录屈服及强度载荷数值、并连续记录在不同模式下的载荷-变形实时曲线，使用户可以在非检测的情况下同样达到分析检测曲线特性等目的。

　　2 传感器及信号放大电路的参数设定

　　我们使用 C Y - Y B - O 型电阻应变式压力传感器，作为载荷传感器，其性能指标为：精密等级为0.1级，非线性误差为0.1%FS，滞后误差为0.1%FS，零点漂移为0.03%FS，输出灵敏度为2.9mV/V。变形传感器使用YZU-5050型电子引伸计，变形及位移测量精度在示值的±0.5%以内，输出灵敏度为 2.72 mV/V。并且在信号传递过程中，为减少不必要的非线性失真，还需要增加信号处理电路的传递可靠性，电路中采用AD524作前置放大器。它的优点是增益具有0，10，100，1000等四个固定的增益等级，同时可通过外接电阻进行无级增益的调整，而且是低噪声集成运放器。缺点是调整适当的精度时，比较的麻烦。由于对于一个集成运放器件而言，当其用作放大器时，即需要调整零点，还要注意增益的大小，并且需要达到一定的精度要求，是比较困难的。因此，在AD524后续电路中增加一级放大器MAX402。由此，可以既方便调节放大器的增益值，又可以尽可能排除零点偏差。