引言
隨著科學技術的快速發展,電子萬能試驗機在社會生產中的應用不斷普及,由于其具有準確度高,功能強大,操作方便等優點,在中小力值測量范圍內逐漸代替了傳統的機械式和液壓式試驗機,深受廣大用戶的歡迎。電子萬能試驗機的結構形式與傳統機械式試驗機不同,電子萬能試驗機的主要結構包括:①主機部分(機架、絲桿、夾具等);②運動控制系統(光電編碼器、交流伺服電機、變頻器等);③測量系統(力傳感器、測量放大器、引伸計等);④數據處理系統(計算機、軟件、數據采集器等)。通過計算機控制,電子萬能試驗機可實現對各種材料進行拉伸、壓縮、彎曲和剪切等多項性能試驗,并可對試驗數據進行實時顯示記錄、打印。
1.影響電子萬能試驗機準確度的幾個因素
由于電子萬能試驗機的技術含量高,部分檢定人員對其內部結構不了解,同時,新規程對檢定的標準儀器、檢定的方法等要求也有所提高。因此計量部門在電子萬能試驗機的檢定工作中,應注意以下幾個影響試驗機準確度的因素。
1.1 負荷傳感器的影響
傳感器是電子萬能試驗機的主要測量部件,其技術指標對試驗機的準確度指標影響很大。電子萬能試驗機中使用的多數是應變式負荷傳感器,其技術指標的判定依據有JJG391-1985《負荷傳感器》和JJG669-2003《稱重傳感器》。其中測力用傳感器以JJG391-1985《負荷傳感器》為技術依據,衡器用傳感器以JJG669-2003《稱重傳感器》為技術依據。JJG391《負荷傳感器》中給出的技術指標如表1所示。
(1) 傳感器的準確度
用于傳感器出廠檢驗的力標準機主要分為靜重式、杠桿式和疊加式等幾種。其中靜重式力標準機準確度最高,一般可以達到0 005%～0 01%的準確度,可檢定0 02級～0 03級的傳感器,但由于采用砝碼直接加荷,因此制造價格高,除個別大型傳感器廠的靜重式力標準機可達到100kN～200kN外,一般傳感器生產廠家的靜重式力標準機多為10kN。多數廠家檢定10kN以上傳感器時,采用價格較低的杠桿式或疊加式力標準機,其準確度為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以上的國產傳感器準確度實際上多數為0 1級或以下。
試驗機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能力不夠,卻仍然將0 1級的傳感器標稱為0 03、或0 05級,此類傳感器用在電子試驗機上,就會對試驗機準確度產生較大影響。其次,由于市場競爭激烈,近幾年試驗機價格大幅下降,制造廠家出于對成本的考慮,會選用級別較低、價格較便宜的0 1級傳感器,并認為使用0 1級的傳感器制造1級的試驗機綽綽有余,這也對試驗機準確度產生影響。同時,由于檢定規程中采用的是滿量程相對誤差,因此轉換為相對誤差時傳感器的準確度更低。
(2) 傳感器的穩定性
影響負荷傳感器性能的指標包括:重復性(%FS)、直線度(%FS)、滯后(%FS)、長期穩定性(%FS/月)、蠕變/蠕變恢復(%FS)、輸出溫度影響(%FS/10K)等。其中“重復性、直線度、滯后”合稱綜合誤差,為主要技術指標。由于電子試驗機在計算機數據處理軟件方面,具有內部校準和非線性修正程序,可以對傳感器的非線性誤差進行修正,使試驗機在標定后的示值誤差數據非常好,可以在±0 2%～±0 3%以內,但試驗機制造廠家往往只關注綜合誤差指標,而容易忽視其他幾個技術指標,造成試驗機的長期穩定性不理想。
其中,輸出溫度影響是傳感器的一個重要指標,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℃,傳感器信號輸出會產生±0 03%FS的變化,即在10%量程時有可能產生±0 3%的變化。同樣,0 03級傳感器的長期穩定性為±0 06%FS/月,即在10%量程時有可能產生±0 6%的變化。這些誤差是無法通過軟件程序進行修正的。在實際檢定工作中,檢定人員會發現,一些電子試驗機在標定后數據值非常好,但過一段時間就會出現較大的誤差,這往往就是由于傳感器不穩定造成的。
(3) 傳感器使用下限的問題
由于現在的A/D轉換技術發展迅速,20位、甚至24位的轉換模塊都已開始普及應用,對傳感器輸出電信號的測量已經比較準確,因此試驗機生產廠家也不斷擴展試驗機的測量下限,從原來的10%擴展到現在的1%,甚至0 5%都有,但這只是考慮了A/D轉換的因素,并沒有考慮傳感器的因素。從負荷傳感器的檢定規程可以看出,負荷傳感器的檢定點是從10%～20%開始,其技術指標也是以此為依據確定的,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,傳感器的零點漂移和零點溫度影響等指標會對測量誤差產生較大的影響。例如,0 03級傳感器的零點漂移為0 015%FS,在1%量程下,其漂移量就為1 5%,遠超出試驗機的允差,并且無法用軟件程序修正。
同時,由于許多電子試驗機具有零位自動跟蹤功能,零點輸出值在一定范圍內變化時,程序會將其自動置零,我們平時看到試驗機的零點值十分穩定就是這個原因,但這就令我們沒法知道真正的零點漂移誤差。
1. 2 標準測力儀偏載的影響
許多電子試驗機的下壓板有自動調心機構,而由于標準測力儀上壓頭一般也都有自動調心機構,在檢定壓向力時,如果下壓板沒有放置水平,就有可能使標準測力儀產生平行傾斜,試驗機的壓力不能垂直地加到標準測力儀上,假如標準測力儀產生3°的傾斜,則所受的實際力值為F.cos3°≈0 9986F,即會產生0 14%的誤差,如果被檢試驗機等級是0 5級的話,就會對結果有較大的影響。因此,在檢定0 5級試驗機時,是不應該同時使用兩個自動調心機構的。
1.3 檢定方向的影響
電子萬能試驗機的力值檢定分拉向和壓向兩部分,部分檢定人員認為試驗機的拉、壓向示值誤差數據是相同的,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機時,連接裝置比較復雜,從而會忽略拉向力值的檢定。實際上,傳感器的在不同方向受力時的信號輸出值是不一樣的,因此,對于電子萬能試驗機必須分別檢定拉向和壓向的力值誤差。
1.4 引伸計的檢定
引伸計是電子萬能試驗機的一個位移測量裝置,引伸計結合試驗機的力值檢測用于測量材料的變形、應變、彈性摸量等參數。但由于引伸計是屬于幾何量的測量儀器,從事力學工作檢定人員對引伸計的結構原理和檢定方法不夠熟悉,也會忽視了引伸計的檢定。而部分用戶不了解引伸計是否需要單獨檢定,也會造成漏檢,最終影響試驗機的測量結果。因此,最新修訂的JJG475-2008《電子萬能試驗機》和JJG157-2008《非金屬拉力、壓力和萬能試驗機》檢定規程中,都將引伸計示值誤差規定為首次檢定和后續檢定的必檢項目。
2 總結
總之,電子萬能試驗機是結合機械、電子和傳感器技術于一體的精密測量儀器,因此計量檢定人員應該對其原理和結構有一定的了解,知道影響試驗機準確度的主要因素,并在檢定工作中盡量避免這些因素對檢定結果的影響。
本文摘自《計量與測試技術》2009年第36卷第4期 |
