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关于微机控制万能试验机采样速率的探讨 ■ 国防科学技术大学航天与材料工程学院 郑文龙 [摘 要] 通过微机控制万能试验机的测量控制器、频带宽度和传感器－通道频带宽度、采样速率和最小采样速率、 数据文件和有效采样点的分析及相关试验验证，探讨微机控制万能试验机的采样速率。 [关键词] 测量控制器；频带宽度；最小采样速率；有效采样点 1 引言 目前国内许多试验机生产厂家都能生产微机控制万能试验机，各类微机控制万能试验机已在国内 的生产检验和教学科研上得到广泛应用，但试验机的计算机数据采集系统能否真实采集到所测试材料 的力与变形（或位移）关系，以致真实计算出有关性能数据，这是微机控制万能试验机的关键问题。 而这个关键问题的实质是计算机数据采集系统的采样速率和有效采样点能否真实反映材料应力应变 曲线的特征。这就涉及到计算机数据采集系统硬件即试验机的测量控制器、试验软件最终采样速率及 有效采样点。 用传统方法（如未经计算机处理的力与变形模拟信号输入记录仪）可得到低碳钢典型拉伸曲线， 如图 1 所示，一般认为模拟信号输出的曲线是真实的。当使用计算机数据采集系统同样进行采集和数 据处理时，会遇到究竟每秒采样点数 F 多少才能如实复现真实的曲线。采样 F m 点过少将无法如实复现真实的曲线， 而采样点过多不但增加系统成本，造 成不必要的浪费，并且使存储文件变 大，占用更多的存储空间。因此，确 FeH FH 定恰当的采样速率就成为计算机数据 FeL 采集系统的关键问题。 FL 2 测量控制器与采样速率 测量控制器是微机控制万能试验 机电气测控部分的核心部件，控制器 的性能参数直接影响计算机数据采集 系统能否采集到所测试材料真实的试 ΔL 验曲线，而采样速率直接影响试验曲 O 线采集和再现试验曲线的真实性。 图 1 低碳钢典型拉伸曲线 2.1 控制器需注意的问题 ① 数据采集的同步化：所有通道必须在同一时间点上获取测量数据。要保证这一点，硬件必须 在采样时协调保持所有测量通道都在内部时钟的同一时间点。数据采集不同步会引起力或变形信号滞 后，造成试验曲线失真，见图 2 所示。 1 本文章版权归新三思集团公司及作者本人所有，转载必究。 ② 对不同信号传递时间的修正： 不同种类的转换器具有不同的测量信 号传递时间。比如说，光电编码器的 计数器不存在信号传递时间的问题， 而数字/模拟转换器就实际存在信号 传递的时间。因此，二个同时获得的 采样数据就可能出现测量不同时完成 的情况。但是，多个不同种类转换器 之间传递时间的不同是规律的，因此 就可以通过计算来修正这个时间的差 异，从而达成数采同步完成。 ③ 分辨率：所有通道的分辨率不 仅需要协调一致而且有效分辨率应该 图2 采样不同步失真曲线 越高越好。对于微机控制万能试验机来讲，控制器的模拟通道的有效分辨率至少应达到 100000 码， 一般以 200000 码有效分辨率为最佳。 ④ 滤波：模拟测量通道通常在输入端设置低通滤波器，以此来滤减高频噪音信号。一方面，这 个滤波器的限定频率应该取低一些以尽量滤掉或减少测量信号的噪音；而另一方面，试样本身特性所 造成的快速高频变化不应该被抑制掉以免造成失真。因此，一个限定频率在 50Hz－100Hz 之间的 3 级 低通滤波器通常可以平衡兼顾二者所需而胜任。过低的滤波器会造成采样数据失真。 2.2 频带宽度和传感器－通道频带宽度 根据 JJG 1103-2003《万能试验机计算机数据采集系统评定》附录的要求，在分析系统响应速