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详细介绍一下多功能材料力学试验机的控制模式原理

2026年10月22日 08:42 来源:上海倾技仪器仪表科技有限公司

多功能材料力学试验机 三大闭环控制模式详细原理

电子式万能试验机(UTM)的核心就是闭环伺服控制。 闭环逻辑通用框架:

设定目标值 → 采集实际反馈信号 → 比较偏差 → PID 调节器输出调节量 → 驱动伺服电机 → 执行机构动作 → 再次采集反馈 区别只在于:用哪一路信号做反馈,分为:位移控制、力控制、应变控制。 重要前提:三种模式独立闭环;机型支持试验过程无扰切换,普通机型只能试验前选定模式。

一、位移控制(横梁位移闭环,常用)

反馈源

光电编码器(安装在伺服电机尾部或丝杠端),采集横梁的实际移动位移作为反馈信号。

控制原理

在软件设定横梁恒定移动速度,单位 mm/min;

编码器实时读取横梁当前位置,计算实时位移、实时速度;

控制器将【设定速度】和【实际速度】做差值(偏差 e);

PID 运算,输出电压指令调节伺服电机转速,保持横梁匀速移动;

横梁运动带动夹具、试样加载;力值是被动结果,随试样刚度变化自动变化。

特点

优点:

控制稳定,不容易失稳,绝大多数常规试验默认模式;

拉伸、三点弯曲、剥离、撕裂、环压测试普遍使用;

硬件简单,对传感器、引伸计要求低。

 缺点:

试样屈服之后,材料变软,载荷会自动降低,无法维持恒定加载速率;

横梁位移包含:丝杠弹性变形、机架变形、夹具变形,不等于试样真实变形。

典型应用场景

塑料拉伸、薄膜剥离、纸板环压、橡胶拉伸、弯曲强度测试。

二、力控制(载荷闭环,恒力 / 恒力速率加载)

反馈源

应变式力传感器输出的实时载荷 F作为闭环反馈信号。

控制原理

设定目标:恒定加载速率 (N/s) 或者 恒定保载力 (N);

力传感器实时采集当前载荷;

控制器对比【目标力】和【实际力】,计算偏差;

PID 调节电机:实际力偏小 → 驱动横梁继续进给;实际力偏大 → 横梁减速 / 回退;

系统自动调节横梁位置,让载荷按照设定规律变化,位移是被动输出。

细分两类工况

恒力速率加载(力斜坡):力匀速上升,比如 20N/s 加载,多用于抗压试验。

恒力保载(蠕变试验):达到设定力后,控制器持续微调横梁,维持载荷不变;试样会随时间缓慢拉长(蠕变),横梁会持续缓慢跟进。

特点

优点:

可以严格控制加载力的速率,做保载、蠕变、应力松弛; 风险(重点): 试样一旦断裂,载荷瞬间跌落,力闭环容易失控。 控制器必须配备断裂保护逻辑:检测到载荷快速下降,立刻停机、横梁锁止。 如果保护逻辑差,试样断裂后横梁会高速冲顶,撞坏传感器。

典型应用

泡沫压缩保载、材料蠕变试验、应力松弛、恒载承压测试。

三、应变控制(试样应变闭环,高精度科研 / 仲裁模式)

反馈源

引伸计(接触式 / 视频引伸计)直接采集试样标距段的真实变形,计算应变 ε 作为闭环反馈。

应变 ε = ΔL / L₀,L₀是原始标距,ΔL 是标距段变形。

控制原理

设定应变速率(1/s);

引伸计实时采集试样标距变形,计算当前真实应变;

控制器对比【目标应变】和【实际应变】得到偏差;

PID 调节伺服电机,调整横梁移动速度,让试样本身的变形速率保持恒定。

横梁位移不再是控制目标,只是跟随试样变形被动移动。

特点

优点:

直接控制材料本身变形速度,不受机架、夹具弹性变形干扰;

金属测屈服强度 Rp0.2、弹性模量,仲裁试验;

试样进入屈服阶段,材料发生塑性流动,应变持续增长,系统会自动降低载荷增长速率,不会出现载荷失控。

缺点:

对引伸计安装、对中要求高;装夹偏心会直接带来应变误差;

引伸计有量程上限,试样变形超过引伸计量程,必须提前切换到位移控制;

成本更高,多用于实验室精密检测。


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