随着科学技术的进步和自动化水平的不断提高，对材
料机械性能实验的要求越来越高，特别是在实验的精度，
实时显示，以及数据处理等方面都有了更高的要求，智能
化要求己成为主注趋势，出现了“机—电—液”三者相结
合的新型实验设备。但受到新型材料拉伸试验机的价格
因素的影响，部分企事业单位和大专院校还不能及时更
新为较为先进的材料拉伸试验机，特别是一些小型企业，
仍然在使用老式的液压材料试验机。此类试验机虽
然有些落后，体积也比较庞大，但其操作方便，油压系统
耐用，使用寿命较长。这就使许多试验机使用者希望在原
设备基础上进行升级改造，可以大大节约投资成本，在测
试精度方面也能得到满足，同时也让参与改造者提高自
身的技术水平。

目前试验机存在的主要问题
（1）测量精度低。该系统通过油泵输出油液进入工作
油缸对试样施加载荷，同时进入测力油缸，带动联动摆
锤，用推杆推动测力读盘指针，由读数盘指针读取数据。
由于中间均为机械传递，因此有相当的误差；另外读数盘
zui小精度为格，且由人工读取数据，导致测量精度低。
（2）无法定量控制加载速率。试样加载速率控制是操
作者按经验调节节流阀的开度，从而控制进入工作油缸
的进油量来实现，这种控制方式与操作者的经验有关，无
法实现定量控制。
（3）缺乏实时性，曲线绘制单一。目前试验机只能粗
略绘制“载荷———变形”曲线，不能定量实时测出各时刻
应力和应变数值，也无法直接得到“应力———应变曲线”。
（4）自动化程度差，效率低。试验数据处理手段大部
分仍需要靠人工，实验报告也需要手工完成，既费时又费
力。[1]
随着科技的进步，人们需要现代化的测试手段，对设
备的功能要求越来越高，希望能减轻劳动力，显然液压万
能材料试验机与现代机电液一体化设备的发展趋势已不
相适应，它的测试手段已远远跟不上现代测试技术要求，
测试结果的度也得不到保证，必须自动化升级改造。
2 改造方案比较及选用
试验机的改造方案很多，每种方案有各自的优缺点，
常用的改造方案如下。
（1）应用单片机系统改造液压材料试验机，其主
要优点是结构简单、体积小、成本低，便于实现嵌入系统。
但电路系统复杂，系统的稳定性不高，数据的处理速度
慢，无法实现实时控制。目前试验机领域的关键问题是加
载时必须保持恒定的应力速率或恒定的应变速率，采用
这种方法显然是达不到这种效果。
（2）采用由速度控制器控制电机，从而控制压力施加
负荷，并具有速度电流反馈，是一种传统的控制方式。比
如采用位置式控制器计算步进电机驱动步数，以获得良
好的应力速率、应变速率、位移速率控制以及定荷、定应
变、定位移控制试验结果。但液压材料试验机是一种
典型的非线性时变系统，难以建立的数学模型，运用
常规控制器很难达到理想的控制效果。在实际现场中，由
于受到参数整定方法繁杂的困扰，应用常规控制器往往
整定不良，性能欠佳，对运行工况的适应性差。
（3）采用微机和传感器技术对旧式的材料试验机及监
测等设备进行技术改造，在应力应变速率控制问题上采用
电液比例阀或电液伺服阀实现高精度控制，测量控制系统
采用计算机卡式设计，采用光电隔离集成电路。具有抗干
扰能力强，质量可靠，稳定性高等优点，而且点击鼠标即可
完成，使用方便?；箍梢曰嬷贫嘀质匝榍?，具有曲线数据
存储及曲线放大功能，适合试验机向着高自动化水平，操
作简便，可靠性高，稳定性好方向发展的要求。
选择何种改造方案，要结合具体的实际情况，选择zui
佳的改造方案，以满足用户的需要。综合考虑，我们选用
第三种方案，即在液压试验机上安装负荷、变形和位
移传感器，增加电液阀控制加载速度，使设备由原来传统
的机械式负荷测量系统升级为较先进的电子测力、测变
形系统

摘要：液压式材料试验机虽然价格便宜，经久耐用，但存在着精度低、加载速度无法控制、自动
化程度低。因此需要对液压材料试验机进行自动化改造，通过加装相关传感器、电液比例阀，通过计算机控
制实现了拉伸试验的自动化改造。
3 机械部分和硬件组成
该系统的改造除保留了原有的手动加载部分，另增加
了一条支路，用电液比例阀来控制试验机的加载速率。这
样既可以手动操作又可以选择自动化控制。在进油管处
增加高精度压力传感器，用来检测系统的压力并且用了
位移测量系统及计算机采集处理等技术，实现数据的自
动采集、分析和处理。在数据采集上，采集速度快、测量精
度高；在数据分析上，考虑得更加周全；在数据处理上，具
有智能交互、图文并茂的特点，能以数值显示、图表、曲线
等多种方式表现实验数据，并可根据教学要求对实验数
据进行各种分析与处理。让试验机在信号检测、数据处理
方面更接近现代试验机发展水平，适应目前国内外的试
验机发展面向智能化、准确化，操作简便，稳定可靠发展
的趋势[5]。
因此，升级改造后的液压式试验机由以下几大部
分构成。
（1）主机部分。主要由油缸、工作活塞、底座、工作台、
立柱、上下移动横梁、试样夹持以及活动横梁等组成，主
要功能是由试样夹持机构夹紧和固定试样，对试样进行
加载。
（2）液压控制部分。主要由油箱、高压油泵、送油阀、
回油阀、电液比例阀、截止阀、测力油缸活塞、主机的工作
油缸、工作活塞等组成，主要功能是控制试件的夹紧及试
件的加载。
（3）检测部分。主要由负荷传感器（压力传感器）、电
子引伸计、光电编码器（位移传感器）等组成，主要功能是
检测试验对象所受的试验力、变形及横梁运动的位移。
（4）数据采集处理和控制部分。主要由数据采集、处
理、控制电路、计算机软硬件系统、打印机、手动控制器件
等组成，主要功能是完成整个系统的控制、各种参数的设
置、显示、试验过程及试验结果的记录、试验数据的处理、
存储、试验结果的输出等功能。
（5）电气部分。其基本组成有各类继电器、交流接触
器、开关按钮等，主要功能是油泵电机的开关，控制横梁
升降机构的动作以及各种限位、过载?；さ取?br />（6）附件。主要由拉伸、压缩试验夹具、弯曲试验附件
及其他特殊试验附件（各种嵌口、夹头）等组成。其基本功
能是通过更换夹具，完成各种特定的试验。
相关机械部分及硬件联接如图2 所示。
4 控制软件的结构设计
软件性能的好坏直接影响到操作的简便性和数据的
可靠性等，甚至影响到能否成功改造。本改造系统的配套
软件主要结构功能如图3 所示，该测试软件主要由数据
采集、图形输出、数据输出、报告打印、比例控制（伺服控
制）等五个?？樽槌伞?br />数据采集?？榈闹饕δ苁巧柚贸跏蓟问绮杉?br />时间间隔、采集总时间等，还包括传感器调零、标定等；图
形输出模块是指在采集过程中，根据采集数据所绘出的
图形输出到屏幕上，或者事后把处理的数据图形从打印
机输出；数据输出?？橹饕前巡牧闲阅艿墓丶闶?br />和所采集的数据中的某一时间段内的数据从打印机上打
印出来，或者手工修改、增减某些数据并存盘；报告打印
?？槭侵甘笛樽龊靡院?，把材料的关键性能数据、原始图
形以固定格式的实验报告形式打印输出；比例伺服控制
?？橹饕嵌员壤沽α髁扛春戏Ы锌刂疲ǘ訢/A
卡的初始化、设置等[6]。

5 改造后的功能及结论
（1）采用先进的数字比例压力流量复合阀作为控制元
件，实现了加载力值和加载速度的微机自动控制。具有加
载力值可控、低速大负荷测试效果好、测试性能稳定可靠
的特点。
（2）计算机屏幕显示数据，包括变形、加载速率、变形
速率，材料特性点（上下屈服点、zui大点、断裂点）、弹性模
量、断面收缩率等，实验结果可以整理成报表，方便直观，
实时性好。
（3）支持打印机及绘图仪对实验结果的打印和实验曲
线的绘制，屏幕所见即报表所得；可进行成批实验报告及
检验报告的打印和存储，*性的保留实验报告。[7]
（4）改造中保留原有的手动加载部分，这样既可手动
操作又可以自动控制，方便灵活，有利于教学。
试验机改造的成功与否，关键是看zui终的测试数据精
度是否达到要求，试验曲线绘制是否准确。改造后经过具
体的数据和曲线图验证，说明了改造是成功的，无论是从
测试精度还是测试手段来看，都比以往更加准确可靠.
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