主题：【分享】拉力机的相关知识介绍

目前市场上用于检测材料拉伸性能的拉力试验机很多，但是并非所有的试验机都适合软包装材料的拉伸试验，本文结合我国材料检测标准，分析了选择软包材检测的拉力机时应尤其关注的指标。高分子聚合物，拉伸，拉力机，行程，夹具 塑料和橡胶的拉伸性能是其力学性能中最重要、最基本的性能之一，它在很大程度上决定了该种塑料和橡胶的使用场合。拉伸性能的好坏，可以通过拉伸试验来检测。
　　
　　1、高分子聚合物的拉伸性能 作为材料使用时要求高分子聚合物具有必要的力学性能。可以说，对于高分子聚合物的大部分应用而言，力学性能比其他物理性能显得更为重要。 高分子聚合物具有所有已知材料中可变性范围最宽的力学性质，这是由于高聚物由长链分子组成，分子运动具有明显的松弛特性的缘故。如高聚物材料具有相当高的伸长率，一般PE的断裂伸长率在90％～950％（其中线性低密度聚乙烯LLDPE的伸长率较高），通过特殊的制作工艺，部分材料的伸长率可在1000％之上，而普通高聚物材料的断裂伸长率也多在50％～100％之间。通常对材料的拉伸性能要求较高的有热收缩膜以及拉伸膜等。
　　
　　2、拉伸试验 拉伸试验（应力－应变试验）一般是将材料试样两端分别夹在两个间隔一定距离的夹具上，两夹具以一定的速度分离并拉伸试样，测定试样上的应力变化，直到试样破坏为止。 拉伸试验是研究材料力学强度最广泛使用的方法之一，需要使用恒速运动的拉力试验机。按载荷测定方式的不同，拉力试验机大体可以分为摆锤式拉力试验机和电子拉力试验机两类，目前使用较多的是电子拉力试验机。
　　
　　3、电子拉力试验机选择指标 由于软包装材料主要是高分子聚合物或它的相关材料，如前所述高聚物材料的伸长率远远优于金属、纤维、木材、板材等材料，因此检测高分子聚合物的拉力机就与通常的材料拉伸性能检测拉力机有一定的差别，尤其需要注意的是电子拉力机的有效行程以及试样夹具两方面。

  3.1有效行程

      在进行拉伸试验时，所用试样的尺寸虽然小，但材料的伸长率普遍比较高，因此用于检测软包装材料的拉伸性能需要配备行程较大的拉力机，否则夹具运行可能会超过行程的使用极限、造成设备的损坏。
　　
　　需要注意的是在伸长率的计算中，我们仅采集试样上两条标线间的伸长量。标线是通过打印或手工的方式画在制取完成的试样上的（标线的添加应对试样不产生任何影响），而标线间的距离是多少呢？不同的标准给出的这一距离大多存在一定的差异，而同一标准中也是往往针对不同的材料给出不同的试样尺寸，因此标线之间的距离也是不同的，不过这样有利于检测伸长率非常大或非常小的材料并得到精确的试验结果。对于塑料薄膜，标线之间的距离通常是在25～50mm之间。
　　
　　由于试样在拉伸试验中变形伸长不仅仅是在标线之内，凡是在两夹具之间的试样都会得到不同程度的拉伸变形。标准中与标线距离相对应的夹具间的初始距离在80～115mm以内，如果两夹具间的试样都能保持同样的伸长率并假设为500％，则拉力机的有效行程需在480～690mm，如果是伸长率为1000％的试样，则拉力机的有效行程至少为880mm才能保证试验的正常进行。
　　
　　对目前市场上出售的电子拉力机的有效行程进行了随机调查，在所调查的国内外几个品牌的72台拉力机中。
　　
　　行程在500mm以下的设备，占13.9％；行程在500～900mm的设备，占56.9％；行程在901～1100mm的设备，占20.8％；行程在1100mm以上的设备，仅占8.4％。然而在这次统计的电子拉力机中，大行程的设备并非全部用于软包装材料的检测，部分是用于人造木板、帆布、窗帘、铜材等材料的拉伸试验中。
　　
　　3.2 试样夹具
　　
　　GB13022-91《塑料薄膜拉伸性能试验方法》中对夹具的描述为：“试验机应备有适当的夹具，该夹具不应引起试样在夹具处断裂，施加任何负荷时，试验机上的夹具应能立即对准成一条线，以使试样的长轴与通过夹具中心线的拉伸方向重合。……将试样置于试验机的两夹具中，使试样纵轴与上、下夹具中心连线相重合，并且要松紧适宜，以防止试样滑脱和断裂在夹具内。夹具内应衬橡胶之类的弹性材料。”由于高聚物材料力学性能的特殊性以及软包装材料特殊的使用方式使软包材检测的试样厚度非常薄，一般的夹具无法满足要求，使用不当会引起试样在夹具处断裂致使试验失败。

电子式拉力试验机是现代电子技术与机械传动技术相结合的产物，是充分发挥了机电各自特长而构成的大型精密测试仪器，可对各种材料进行拉伸、压缩、弯曲等多项性能试验，且有测量范围宽、精度高、响应快等特点。工作可靠，效率高，可对试验数据进行实时显示记录、打印。

电子式拉力机是由测量系统、驱动系统、控制系统、及电脑等结构组成。

一.测量系统

1． 力值的测量

通过测力传感器、放大器和数据处理系统来实现测量，最常用的测力传感器是应变片式传感器。

所谓应变片式传感器，就是由应变片、弹性元件和某些附件（补偿元件、防护罩、接线插座、加载件组成），能将某种机械量变成电量输出的器件。

应变片式的拉、压力传感器国内外种类繁多，主要有筒状力传感器、轮辐式力传感器、S双连孔型传感器、十字梁式传感器等类型。

从材料力学上得知，在小变形条件下，一个弹性元件某一点的应变ε与弹性元件所受的力成正比，也与弹性的变形成正比。以S型传感器为例，当传感器受到拉力P的作用时，由于弹性元件表面粘贴有应变片，因为弹性元件的应变与外力P的大小成正比例，故此将应变片接入测量电路中，即可通过测出其输出电压，从而测出力的大小。

对于传感器，一般采用差动全桥测量，即将所粘贴的应变片组成桥路，

R1、R2、R3、R4，实际为阻值相等的4片（或8片）应变片，即R1=R2=R3=R4，当传感器受到外力（拉力或压力）作用时，传感器弹性元件产生应变而使各电阻值发生变化，其变化值分别为△R1△、R2、△R3、△R4，结果原来平衡的电桥，现在不平衡了，桥路就有电压输出，设△E

则△E= [R1R2/（R1+R2）2 ]△R1/R1-△R2/R2+△R3/R3-△R4/R4）U

式中U为外电源供给桥路的电压

进一步筒化有

△E=[R2/4R2]（△R1/R-△R2/R+△R3/R-△R4/R）U

将△Ri/Ri=Kεi代上上式

则有 △E=[UK/4]（ε1-ε2+ε3-ε4）

简单来说，外力P引起传感器内应变片的变形，导致电桥的不平衡，从而引起传感器输出电压的变化， 我们通过测量输出电压的变化就可以知道力的大小了。

一般来说，传感器的输出信号都是非常微弱的，通常只有几个mV，如果我们直接对此信号进行测量，是非常困难的，并且不能满足高精度测量要求。因此必须通过放大器将此微弱信号放大，放大后的信号电压可达10V，此时的信号为模拟信号，这个模拟信号经过多路开关和A/D转换芯片转变为数字信号，然后进行数据处理，至此，力的测量告一段落。

2． 变形的测量

通过变形测量装置来测量，它是用来测量试样在试验过程中产生的形变。

该装置上有两个夹头，经过一系列传动机构与装在测量装置顶部的光电编码器连在一起，当两夹头间的距离发生变化时，带动光电编码器的轴旋转，光电编码器就会有脉冲信号输出。再由单片机对此信号进行处理，就可以得出试样的变形量。

3横粱位移的测量

其原理同变形测量大致相同，都是通过测量光电编码器的输出脉冲数来获得横梁的位移量。

二.驱动系统

主要是用于试验机的横梁移动，其工作原理是由伺服系统控制电机，电机经过减速箱等一系列传动机构带动丝杆转动，从而达到控制横梁移动的目的。通过改变电机的转速，可以改变横梁的移动速度。

三.控制系统

顾名思义，就是控制试验机运作的系统，人们通过操作台可以控制试验机的运作，通过显示屏可以获知试验机的状态及各项试验参数，若该机带有电脑的话，也可以由电脑实现各项功能并进行数据处理分析、试验结果打印。试验机同电脑之间的通信一般都是使用RS232串行通信方式，它通过计算机背后的串口（COM号）进行通信，此技术比较成熟、可靠，使用方便。

四.电脑

用来采集和分析数据，进入试验界面后，电脑会不断采集各样试验数据，实时画出试验曲线，自动求出各试验参数及输出报表。

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