纺织电子式强力仪测力动态特性分析与检定方法探讨(上)一、引言：由于电子技术和计算机技术的发展，电子测力技术以其卓越的性能被人们所认识，测力装置逐渐向电子化方面发展。纺织用电子式强力测试仪在我国也有了二十余年的发展历史。随着研制，开发和使用，对电子式强力仪的认识逐步深入，电子强力仪的测试项目、范围逐渐扩大，功能愈加完善。近年来对电子式强力仪特别是纺织用电子强力仪的动态特性及其检定手段提出了更高的要求。纺织用电子材试验机拉伸速度较高，如电子单纱强力机仪一般在500mm/min，甚至更高达到5m/min（一般材料试验机拉伸速度
保证测试精度（1）单纱断裂强力实验是在动态下进行的，过去强力力值示值误差都在静态下进行，如果采样频率不够高，动静态力值示值误差会有差别，试样断裂时间越短，拉伸曲线越尖锐，差别越大。笔者在一台单纱强力仪上做过实验如表一：试样：单丝每组10次表一拉伸速度mm/min夹持距离mm断裂时间s显示力值（平均）cN20s定时50020．52629．250050010．12609．950005000．91520．1这说明当采用500mm/min的拉伸速度时采样频率足够，而当速度高达5m/min时，断裂时间仅为秒,与20秒断裂时比，力值相差-42%,无法容忍。但提高采样频率后仍在拉伸速度5m/min，夹距500mm条件下实验，实验结果为平均断裂时间秒，平均力值，与20秒定时拉伸比力值差别不大了。（2）电子织物强力仪要有撕裂和剥离功能，从撕裂和剥离曲线中很明显看到强力波动频率较高没有足够的采样频率无法准确记录各峰的力值。（3）电子织物强力仪适应的各个方法标准中规定了采样频率，如：《织物断裂强力的测定-条样法》、《织物撕裂强力的测定-舌形试样法》及织物剥离试验方法中都规定了数据采集频率不得少于8次/s，如何确定仪器的采样频率，应提出检定方法，配合方法标准的实施。（4）测力系统力值转换部分的动态响应能力是保证测力精度的又一重要指标，如果动态频率响应不够时，动态力值转换后新的信号，将明显失真，这时采样频率再高也不可能获得正确的测试结果。（5）检定规程制定对动态特性的要求和检定方法，对促进我国电子强力仪的发展和提高测试水平有重要意义！过去强力仪只检静态特性，对动态特性无法考核。仪器生产厂不注意动态特性的提高，只考虑稳定性，损失了动态特性；使用厂数据不准也无法知晓。检定规程规定了对动态特性的要求并给出检定方法后，仪器生产厂必须对其加以重视，也有了方向和依据。对提高国产仪器的水平必有重要的意义。这次莱州电子仪器厂在配合《电子织物强力仪检定规程》动态特性检定方法研究时就收益匪浅。在我们起草《电子织物强力仪检定规程》过程中对动态特性的研究引起了他们的高度重视，我们在莱州期间他们正在开发电子单丝强力试验仪，在开发期间他们把动态特性作为一个重要指标来对待。在较短时间内完成了《电子单丝强力试验仪》的研制，在5m/min的拉伸速度下，单丝测试的力值与20秒定时500mm/min定速时测试的力值，统计数据差异都在±1%以内。
三、影响电子强力仪采样频率和动态特性的因素：电子式织力仪测力部分的基本传递形式：如图1试样所受拉力通过夹持器作用于传感器，产生较弱的模拟电压信号。有的仪器为了滤除轻微机械振动或其他干扰的影响，提高稳定性，在前置放大器前增加一道阻容滤波，信号经放大器放大后，进行A/D转换成数字量送入单片机，将力值信息，伸长信息等按指令处理后送出，进行数据显示、打印或送入PC机进行更复杂的处理，得到更多的数据。以上各个环节对电子强力仪测力的动态特性都有影响。电子式强力仪的采样频率通常是由测力系统的硬、软件设计决定的，其影响环节主要有：1．A/D转换器的性能，它是提高采样频率的基础，但是A/D转换芯片的位数与A/D转换频率的高低并不是成正比的，它代表处理二进制数码的位数，与转换精度有关。例如：十二位的逐次比较式A/D转换芯片，采样速率可达40K/S，双积分式A/D转换器芯片采样速率只有30次/秒，20位Δ-∑CS5520虽是二十位，A/D转换频率为60次/s。而且芯片的采样速率绝不等于整个测力系统的数据采集频率。2．A/D转换后的数字信息送入单片机（CPU）进行处理，CPU通过前后的通道与各部分的通讯联络都需要时间，联络方式，信息处理的复杂程度，运算方式，调用程序等都要中断采样。都需要数据处理时间，势必降低采样频率。3．不同的显示方法，所用的时间不同：如LED显示法几乎是实时显示，占用CPU的处理时间较少，而采用液晶显示时就需CPU进行查询等待，使采样频率不及LED快，采用PC机就有可能更慢（这要看通讯方式）。而不采用实时显示时，就可省掉这些时间。4．为了减少干扰，提高可靠性，逐次比较式转换往往要通过数字滤波环节，可有采样平均值滤波，滑动滤波，表决滤波等。若干种形式，但是不论那种形式要降低采样频率是必然的。总之，采样频率的高低与硬件选取，软件的设计，显示方法及仪器功能的复杂程度都有关系，一般来说，目前国产仪器的水平能做到几百次/秒，已是不容易了。以上是数字电路部分对电子式强力仪动态物性采样频率的影响。自夹持器至放大器（机械和模拟电路部分）对电子式强力仪动态特性的影响亦是相当重要的。1．前置放大器的频率响应：一般采用运算放大器，无论采用差动放大或测量放大电路，其频率响应一般为40k以上，都能满足纺织电子强力仪的要求。2．传感器的动态特性。一般采用应变片式传感器，单纱强力仪大都采用平衡樑式，织物强力仪则大都采用S型，个别也有采用平衡樑式
传感器的，按产品介绍频率相应一般都能满足要求，但是与夹持联接后其频率响应就会明显降低，其程度与夹持器质量等因素有关。3夹持器的质量及与传感器联接的形式大概有如下几种形式：①平衡樑式应变片结构经传感器一端固定，另一端刚性联接一夹持器，如图二a、b,近似可看作图二C质量位于自由端的悬臂樑系统。其固有频率其中：m为梁自由端重物质量δ为梁自由端静桡度mS为梁的质量K为弹簧系数，K=mg/δ由公式⑴可见当a与m增大时，ωn（固有频率）减小②S型传感器下固定夹持器如图三，可近似于图三b：其固有频率其中：ms为弹簧质量，K为弹簧刚度，m为弹簧下端悬挂重物的质量当夹持器质量m增大时,ωn变小，K可用静态方法测得，即在夹持器m上悬吊砝码F:，测量上夹持器的位移量δ，根据公式：K=F/δ计算。在电子式强力仪中理想状态当然是K→∞，即当受力时X→0，此时ωn→∞，这就要求夹持器的质量小，传感器刚度好，悬臂樑式的夹持器伸出长度尽量短。4．放大器后面的阻容滤波器最好不要，但因干扰因素不得不加时，应尽量小一些，其积分时间常数愈大则频率响应愈差。
