摘要：
本方簡(jiǎn)單的論述了材料拉力試驗(yàn)機(jī)數(shù)據(jù)采集的發(fā)展歷程，介紹了當(dāng)今數(shù)據(jù)采集的兩個(gè)不同方向。詳細(xì)分析了分檔處理與不分檔處理的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，各自的*使用場(chǎng)合，以指導(dǎo)廣大客戶正確選型。
關(guān)鍵詞：材料拉力試驗(yàn)機(jī)隨著社會(huì)的進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，各類新材料層出不窮，原有材料的性能也有了質(zhì)的飛躍。如何合理、安全、的應(yīng)用材料，其力學(xué)性能的檢驗(yàn)是一項(xiàng)非常重要的工作。在這一大環(huán)境的推動(dòng)下，近年來材料試驗(yàn)機(jī)行業(yè)也有了長(zhǎng)足的發(fā)展。各種新技術(shù)、新方案被大量的應(yīng)用在試驗(yàn)機(jī)領(lǐng)域，因而試驗(yàn)機(jī)的性能有了非常大的提高，使用領(lǐng)域也較過去有了非常大的拓展。但它依然是一個(gè)綜合水平與專業(yè)素質(zhì)要求都非常高的行業(yè)，許多專業(yè)知識(shí)非行業(yè)內(nèi)專業(yè)人士是不易理解的。因此造成了目前這一行業(yè)內(nèi)許多值得商榷的說法。其中之一就是：不分檔的試驗(yàn)機(jī)和分檔試驗(yàn)機(jī)孰優(yōu)孰劣？
試驗(yàn)機(jī)從試驗(yàn)數(shù)據(jù)的讀取這一環(huán)節(jié)看，大約經(jīng)歷了指針度盤指示及數(shù)字量直接顯示兩個(gè)階段。在前一個(gè)階段中，輸出量為模擬信號(hào)，幾乎只能采用分檔的方法擴(kuò)展量程。在后一個(gè)階段中，由于采用了A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬量轉(zhuǎn)換成了數(shù)字量進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，這就為擴(kuò)展量程提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的方法，只要選用高位A/D即可實(shí)現(xiàn)寬量程測(cè)量，但在這一階段的早期要得到高位A/D是很困難的事情，所以依然采用分檔的方法擴(kuò)展量程。然而近年來隨著電子技術(shù)的發(fā)展，新型高位A/D技術(shù)獲得重大突破，20位、24位A/D轉(zhuǎn)換器已較易取得，隨之市面上出現(xiàn)了不分檔、寬量程測(cè)量的試驗(yàn)機(jī)。也許為了商業(yè)利益，多推銷自己的產(chǎn)品，有人就以分檔測(cè)量出現(xiàn)的早為依據(jù)，推斷出分檔測(cè)量是落后的觀點(diǎn)。評(píng)價(jià)一件事情的好壞要看它的綜合指標(biāo)及使用環(huán)境，而不能單一的用出現(xiàn)的早晚來評(píng)定。*，電子管是zui古老的電子器件，大約有一百多年的歷史了，而在大規(guī)模集成電路大行其道的今天，在音響中，依然在使用電子管。成然，A/D轉(zhuǎn)換器在今天的數(shù)據(jù)測(cè)控系統(tǒng)中扮演著重要的角色，但并不是*的角色。一個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)劣是由眾多環(huán)節(jié)構(gòu)成，如傳感器、放大器、工作電源、A/D轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)等，每一環(huán)節(jié)都會(huì)對(duì)zui終的結(jié)果產(chǎn)生影響。評(píng)價(jià)一臺(tái)試驗(yàn)機(jī)的好壞有很多的技術(shù)指標(biāo)，其中是否分檔只是其眾多指標(biāo)中的一個(gè)。即使就分檔與否這一指標(biāo)來看，也不能輕易得出一個(gè)明確的答案。它隨著試驗(yàn)機(jī)的類型、試驗(yàn)方法、試驗(yàn)環(huán)境等的不同而不同。下面從試驗(yàn)機(jī)使用者的角度，對(duì)兩者進(jìn)行分析。
一、分檔可以得到較寬的測(cè)量范圍。
以采用13位A/D進(jìn)行七檔量程切換的情況及采用18位A/D不分檔的情況進(jìn)行分析。在試驗(yàn)機(jī)上一般的分檔是按照滿量程的100%、50%、20%、10%、5%、2%、1%進(jìn)行分檔的。對(duì)于采用13位A/D的試驗(yàn)機(jī)，各檔的分辨率都為各檔滿值的±1/4095（拉、壓雙向各等分為4095份），以0.5級(jí)精度的試驗(yàn)機(jī)為例，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，其zui小的有效測(cè)量起始點(diǎn)的采樣碼應(yīng)達(dá)到400碼，即約為各檔滿值的10%，按照以上原則采用分檔的試驗(yàn)機(jī)其zui小檔的有效測(cè)量值為1%×10%=0.1%，而且各檔間的重疊又都大于各檔滿值的10%，所以總有效測(cè)量區(qū)間可達(dá)0.1%-100%。而對(duì)于18位A/D不分檔的情況，其分辨率為滿值的±1/131072，按照zui小有效測(cè)量點(diǎn)的采樣碼應(yīng)達(dá)400碼的要求，其zui小點(diǎn)為滿值的（400/131072） ×100%=0.3%。
二、分檔可以降低小信號(hào)的測(cè)量的誤差。
這樣正好符合試驗(yàn)機(jī)相對(duì)精度定義的需求。*，在試驗(yàn)機(jī)中試驗(yàn)數(shù)據(jù)都來自于各種傳感器，而目前的傳感器基本上都是模擬傳感器，且輸出信號(hào)都很微弱，這種信號(hào)必須經(jīng)過放大器放大后才能交由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量進(jìn)行后期處理。分檔的本質(zhì)就是將代表不同量程的傳感器輸出信號(hào)（當(dāng)然輸出值也不相同）按照不同的放大倍數(shù)放大到一個(gè)統(tǒng)一的定值，再用這統(tǒng)一的定值表示不同的量程。以載荷為例：如果一支載荷傳感器它的滿值輸出為20mV，放大125倍后變?yōu)?.5V的A/D轉(zhuǎn)換器的滿值輸入，則2.5V就代表了載荷量程為滿量程，若將放大倍數(shù)增大10位變?yōu)?250倍，則當(dāng)傳感器受力為滿值的1/10，即輸出為2 mV時(shí)，放大器的輸出依然達(dá)到了2.5V的A/D轉(zhuǎn)換器的滿值輸入，此時(shí)載荷量程即為滿量程的1/10。由于放大器、傳感器的工作電源等是由各類電子元器件組成，它們不可避免的存在著各類失調(diào)與飄移，當(dāng)電路確定后，這些失調(diào)與飄移也就隨之而定，它們基本不隨放大倍數(shù)的改變而改變。也就是說，放大器的滿值輸出2.5V是由兩部分組成，一部分是真實(shí)的反映實(shí)際測(cè)量的值，另一部分是一個(gè)基本恒定的固有值。當(dāng)選擇小檔位時(shí)，這一固有值所對(duì)應(yīng)的測(cè)量值就會(huì)按分檔比例相應(yīng)的比例減小。例如：當(dāng)2.5V對(duì)應(yīng)100N時(shí)，0.1V的固有失調(diào)、飄移就會(huì)產(chǎn)生100×（0.1/2.5）=4N的誤差，但若選擇1/10檔位，即2.5V對(duì)應(yīng)10N時(shí)，0.1V的固有失調(diào)、飄移只會(huì)產(chǎn)生10×（0.1/2.5）=0.4N的誤差。如果不分檔，則無論測(cè)量的數(shù)據(jù)值是大還是小，這一固有的誤差都不變，都是100×（0.1/2.5）=4N，因此對(duì)測(cè)量小信號(hào)不利。
由于試驗(yàn)機(jī)的精度要求為相對(duì)精度，這種精度對(duì)不同測(cè)量值下的允許誤差是不一樣的，測(cè)量值大時(shí)的允許誤差值大，測(cè)量值小時(shí)允許誤差值小。例如：同為0.5級(jí)的載荷值，當(dāng)測(cè)量值為100N時(shí)，誤差值為100×0.5%=0.5N，當(dāng)測(cè)量值為10N時(shí)，誤差值為10×0.5%=0.05N，分檔時(shí)的特點(diǎn)正好與此要求相一致。
三、分檔可以降低對(duì)傳感器的要求，提高整機(jī)的精度與可靠性。
由于任何傳感器都不可能達(dá)到理想狀態(tài)，所以必然存在各種誤差，其中zui關(guān)鍵的指標(biāo)之一就是線性度誤差。為了消除這一誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，zui可行的方法就是線性修正，而分檔本身先天就具有這一功能。不分檔雖然也可人為實(shí)現(xiàn)這一功能，但由于標(biāo)準(zhǔn)沒有具體的說明不分檔的標(biāo)定需進(jìn)行多少點(diǎn)，因此，一般在實(shí)際修正時(shí)取的點(diǎn)遠(yuǎn)少于分檔標(biāo)定點(diǎn)的總數(shù)（以七檔為例：分檔zui少需取樣7×5=35點(diǎn)），所以實(shí)際不分檔小信號(hào)精度較差。
四、分檔容易實(shí)現(xiàn)高速采樣。
在一些特殊用途的試驗(yàn)機(jī)上這是很重要的。常見的試驗(yàn)機(jī)一般的采樣速度都不要求很高，大約在每秒幾十次到幾百次的范圍內(nèi)，然而在一些特殊用途的場(chǎng)合，如碰撞類試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、脆性材料的試驗(yàn)等，要求的采樣速率很高，可達(dá)每秒幾千次至幾兆次。由于分檔類試驗(yàn)機(jī)一般選擇較低位數(shù)的A/D，而這一類A/D的種類zui多，選擇面zui廣，有一類并行轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的A/D，非常適合這一場(chǎng)合。對(duì)于不分檔類試驗(yàn)機(jī)，由于采用高位A/D，而這類A/D基本都采用∑-△型轉(zhuǎn)換器，這類轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率較低，且當(dāng)增大轉(zhuǎn)換速率時(shí)會(huì)明顯的降低轉(zhuǎn)換精度。
五、分檔會(huì)引起全量程內(nèi)的分辨率不一致。
這粗看好象是一個(gè)問題，但在第二項(xiàng)中已經(jīng)談了，對(duì)試驗(yàn)機(jī)而言，國(guó)標(biāo)的規(guī)定為相對(duì)精度，它本身就需要小檔位的分辨率高，而大檔位的分辨率低，所以對(duì)于絕大多數(shù)的使用而言不是問題。例如：稱量一汽車煤炭，并不需要稱量到幾噸零幾克的值，而稱量黃金則必須達(dá)到千分之幾克。
六、不分檔時(shí)A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率與試驗(yàn)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)中的分辨力（可理解為分辨zui小值的能力，不是單指力值的分辨率，對(duì)位移、變形同樣叫分辨力）一般不吻合。
目前在國(guó)內(nèi)試驗(yàn)機(jī)市場(chǎng)正在炒作一個(gè)偽概念。有人說：“試驗(yàn)機(jī)分辨率可以達(dá)到不分檔20萬碼、30萬碼甚至更高”。其實(shí)這是一種偷換概念的說法。這是把A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率當(dāng)成了試驗(yàn)機(jī)的分辨力。在試驗(yàn)機(jī)中并無“分辨率”名稱，有的是“分辨力”的提法。在采用低位A/D時(shí)，A/D的分辨率與試驗(yàn)機(jī)中定義的分辨力是相吻合的，但在高位A/D中這兩者并不一致。一個(gè)24位的A/D轉(zhuǎn)換器它的分辨率可以達(dá)到±223=8388608碼，如果將2.5V滿量程用它來等分，則每一等分的電壓值為2.5/（223）=0.298μV。但在現(xiàn)實(shí)中各種噪聲電壓的量級(jí)基本都在幾μV到幾十μV的范圍。另外，傳感器、電子元件等的失調(diào)、飄移也都在這一范圍內(nèi)。一般情況下，24位A/D轉(zhuǎn)換器并不能真正的分辨出1/8388608的有效信號(hào)。但在一些特殊的情況下，比如測(cè)量非常緩慢變化的信號(hào)，這時(shí)可以采用濾波截止頻率非常低的多級(jí)低通濾波器，充分濾除噪聲信號(hào)并將轉(zhuǎn)換速度降到非常低時(shí)是有可能的，但試驗(yàn)機(jī)并不能工作在這種狀態(tài)下。筆者經(jīng)過多年的試驗(yàn)，在常規(guī)狀態(tài)下不分檔的有效分辨力一般很難超過20萬碼。
七、分檔使用比較麻煩，容易造成試樣的損環(huán)。
由于分檔機(jī)型存在一個(gè)正確選擇檔位的問題，如果試驗(yàn)人員對(duì)材料的性能了解不深，試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)不足，則不能夠確定*的試驗(yàn)檔位，這樣就有可能對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生不良影響甚至損壞試樣。比如：有一試樣它的負(fù)載力值很小，但由于試驗(yàn)人員不清楚這一特性，而選用了較大力值檔位，這樣測(cè)試結(jié)果精度就會(huì)很低。反之，試樣負(fù)載力值很大但卻選擇了小檔位，將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)試驗(yàn)無法全部完成，試驗(yàn)失敗。這在新材料的研究中是比較容易發(fā)生的情況。不過，近年來由于計(jì)算機(jī)在試驗(yàn)中的應(yīng)用，這一現(xiàn)象已經(jīng)得到了基本解決，雖然依舊采用分檔技術(shù)，但換檔已實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化處理，分檔的這一弊端已不存在。
八、分檔在參與控制時(shí)會(huì)產(chǎn)生很多的問題，導(dǎo)致機(jī)器使用困難。
當(dāng)前由于材料的多樣化，所需的試驗(yàn)方法也越來越多，對(duì)試驗(yàn)機(jī)控制方式的要求也越來越多。比如：高分子類材料需要試驗(yàn)機(jī)為速度控制，建材類需要載荷控制，金屬類材料需要載荷或變形控制，建筑構(gòu)件可能需要加速度控制等等。從自動(dòng)控制理論得知，一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)部的任一個(gè)環(huán)節(jié)，參數(shù)生了變化，都將引起整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的工作狀態(tài)發(fā)生變化，導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作。為了使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作就需及時(shí)調(diào)整一些控制參數(shù)（通常為P.I.D參數(shù)）。換檔就是改變閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)部放大器的放大倍數(shù)，也必然導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)工作狀態(tài)發(fā)生變化。也就是說換檔后要及時(shí)將P.I.D參數(shù)切換到與當(dāng)前檔位相適應(yīng)的值。但問題是，這個(gè)參數(shù)值除與檔位有關(guān)外，還與試樣有關(guān)，而試樣是千變?nèi)f化，各不相同的，因此并不能事先確定它的具體量值；另外，在換檔時(shí)還會(huì)產(chǎn)生控制波動(dòng)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。過去由于無法取得高位A/D，數(shù)據(jù)的采集是zui主要的矛盾， 所以在多閉環(huán)試驗(yàn)機(jī)上依然采用分檔。但一般也只有分為三檔，并且使用非常麻煩?，F(xiàn)在，高位A/D的問題已經(jīng)解決，使用的方便就成了*要考慮的問題，所以，現(xiàn)在一般在多閉環(huán)類試驗(yàn)機(jī)上，基本都采用不分檔技術(shù)。
結(jié)論：綜合上述的對(duì)比分析，分檔與不分檔各有特色，不能一概而論誰好誰壞，要看使用環(huán)境與使用方式，揚(yáng)長(zhǎng)避短，才是的。
一般來說，對(duì)于手動(dòng)控制類型的試驗(yàn)機(jī)，因無閉環(huán)自動(dòng)控制，采用分檔測(cè)量，可提高測(cè)量精度。對(duì)于單一閉環(huán)控制，但控制參數(shù)又不是主要測(cè)量參數(shù)類型的試驗(yàn)機(jī)，如常規(guī)電子（單一的速度控制），測(cè)量參數(shù)宜采用分檔類型，以提高測(cè)量精度。對(duì)于測(cè)量參數(shù)與控制參數(shù)重合的試驗(yàn)，如電液伺服類、多閉環(huán)電子類試驗(yàn)機(jī)，系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行是首要考慮的問題，宜采用不分檔類型。
參考資料：
GB/T 228-2002 金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法
GB/T16491-1996 電子式試驗(yàn)機(jī)
GB/T 16825-1997 拉力試驗(yàn)機(jī)的檢驗(yàn)
JJG 139-1995 拉力、壓力和試驗(yàn)機(jī)檢定規(guī)程
JJG 425-1986 電子式試驗(yàn)檢定規(guī)程
OIML 65 單軸材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)力系統(tǒng) （1998.06.30法制計(jì)量組織技術(shù)委員會(huì)）
<<新型集成電路>> 西安電子科技大學(xué)出版社 1998
<<高性能模數(shù)與數(shù)模器件>> 西安電子科技大學(xué)出版社 2000
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