静态应变采集仪原理

p style=" text-align: center " strong 原创： 徐颖【苏大】 江苏热分析 /strong /p p 　　研究物质形变或力学性质与温度关系的方法，常称之为热机械分析法，该法包括热膨胀法(DIL)、静态热机械分析(TMA)和动态热机械分析(DMA)三种技术，它们之间的差别最主要的来自于它们测量时负载力的不同。热膨胀法是测量试样负载力为零，即仅有自身重力而无外力作用时，在程序温度控制下，膨胀或收缩引起的体积或长度的变化 静态热机械分析是测量材料在静态负载力(非交变负荷)作用下，形变与温度间关系的技术 动态热机械分析是在程序控制温度下，测量材料在动态负载力(交变负荷)下动态模量和力学阻尼(或称力学内耗)与温度关系的一种技术。 /p p strong 一、TMA基本原理和结构 /strong /p p 　　静态热机械分析仪是在热膨胀仪的基础上发展起来的，它的基本原理和热膨胀仪相同，不仅可以替代热膨胀仪，而且在结构和功能上有进一步的扩充和提升。 /p p 　　(1) 可以设定试样所受负荷的大小，改变负荷会得到不同的热形变曲线，因此负荷大小成为一个重要的实验参数。而且将负荷大小设置为与材料实际使用中所受的力相近，热形变曲线更有实用价值。此外选用合适的负荷大小，可以得到更理想的曲线。 /p p 　　(2) 可选用更多不同的探头，大多配备拉伸、压缩、穿透(或称针入)和弯曲等探头，除了能测定热膨胀系数和各种相变点之外，还可以研究定应变的应力松弛和定应力的蠕变等力学性能。图1是DIL和TMA可选用探头和基本原理示意图。 /p p style=" text-align: center " img title=" 图1 热膨胀和热机械分析原理示意图.jpg" alt=" 图1 热膨胀和热机械分析原理示意图.jpg" src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/ef21716a-4636-4630-8ec4-1facf9de83a5.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong 图1 热膨胀和热机械分析原理示意图 /strong /p p style=" text-align: center " strong (a)热膨胀和TMA装置原理 1—仪器的基本形式 2—水平热膨胀 /strong /p p style=" text-align: center " strong 3—垂直热膨胀或TMA 4—TMA的垂直膨胀(天平型) (b)TMA的应力类型 /strong /p p 　　TMA按机械结构形式不同，可以分为天平式和直筒式两大类。天平式TMA的施力方向(拉伸还是压缩)和大小是通过刀口式天平来控制的，再根据试样与天平的相对位置又可分为上皿式和下皿式。直筒式TMA根据施力控制原理、方式不同可分为三种：弹簧型，通过顶部加压砝码和弹簧相互协调控制负载的方向和大小 磁力型，通过磁钢和控制磁拉力线圈中直流电的方向来决定负载的方向和大小 浮子型，通过浮子、浮液和顶部加压砝码来控制负载，浮子材料使用低密度的聚合物，而浮液采用高密度氟氯硅油。 /p p 　　以上这些分类实际上是依据TMA施力方式不同来分的，仪器其他部分：炉体、温度控制、气氛控制等雷同于差热仪、热重仪。而位移检测系统则都是由差动变压器将位移转变为电压信号，经相敏放大器、有源滤波器、电压放大器、A/D转换器后再进行数据处理。 /p p strong 二、操作模式 /strong /p p 　　TMA的操作模式可分为五种： /p p 　　(1) 标准模式，可进行3个实验程序。一个是线性升温时负载力保持恒定，监测位移的变化，则得到最经典的热膨胀曲线 如果线性升温保持恒定的应变，检测力的变化，可用于评价薄膜或纤维的收缩力。恒温条件下，往往设置力呈线性变化，监测其所产生的应变，可获得力位移曲线和模量信息。 /p p 　　(2) 应力/应变模式，有2个实验程序。在恒温条件下，施加线性变化的应力或应变，测量对应的应变或应力，从而得到应力/应变图谱及相关的模量信息。所计算出的模量可以分别作为应力、应变、温度或时间的函数来表示。图2就是保持恒温，应力线性增加，所获得的应力/应变曲线。该曲线的形状受所设温度及样品加工工艺的影响。 /p p style=" text-align: center " img title=" 图2 温度恒定，线性应力作用下所得应力_应变曲线.png" alt=" 图2 温度恒定，线性应力作用下所得应力_应变曲线.png" src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/63918f4f-cced-471e-9587-5358e2d3a7ea.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong 图2 温度恒定，线性应力作用下所得应力/应变曲线 /strong /p p 　　(3) 蠕变/应力松弛模式，可进行2个实验程序。一个是蠕变实验，即应力保持恒定，监测应变随时间的变化，获得柔量数据 另一个是应力松弛实验，应变保持恒定，监测应力的衰减，获得松弛模量数据。二者均为瞬态测试，可评估材料形变及回复性质。 /p p 　　(4) 动态TMA模式，在线性升温条件下，对样品施以正弦变化的力。测量由此产生的正弦变化的应变。通过应力、应变数据计算储能模量E& #39 、损耗模量E〞和损耗因子Tanδ对时间、温度或应力的关系，一般适用于薄膜的研究。 /p p 　　(5) 调制TMA模式，类似于调制DSC，是温度控制方式在传统的线性升温的基础上叠加一个设定振幅和周期的正弦波温度变化程序，将原始信号(总位移和热膨胀系数)解析成可逆和不可逆部分，可逆部分可获得相变信息(如Tg)，不可逆部分得到具有时间依赖性的动力学过程(如应力松弛)。 /p p strong 三、TMA典型谱图及解析 /strong /p p 　　图3是比较典型的热膨胀曲线图，TMA(或DIL)确定线膨胀系数的公式为： /p p style=" text-align: center " img title=" 式1-1.jpg" alt=" 式1-1.jpg" src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/66c902b0-66e8-461f-9910-a288f34faefc.jpg" / /p p 　　式中l0为样品原始长度，Δl/ΔT为热膨胀曲线的斜率。相应的体膨胀系数γ的计算公式如下： /p p style=" text-align: center " img title=" 式1-2.jpg" alt=" 式1-2.jpg" src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/0a79f259-09f2-436d-82c0-69a18aeaef5b.jpg" / /p p 其中V0为样品原始体积，ΔV/ΔT为热膨胀曲线的斜率。 /p p style=" text-align: center " img title=" 图3 热膨胀曲线以及线膨胀系数α的确定.png" alt=" 图3 热膨胀曲线以及线膨胀系数α的确定.png" src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/480a5479-2a22-47f0-9e37-465d8ca4609b.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong 图3 热膨胀曲线以及线膨胀系数α的确定 /strong /p p 　　热膨胀曲线也可以确定材料的玻璃化转变温度Tg，图4是比较常见的高分子材料和金属的热膨胀曲线，从(a)中可以看到聚苯乙烯PS的膨胀曲线突变处所做的外推温度就是Tg。如果将热膨胀曲线对温度一阶求导，如图5-7下方，将得到一个类似于DSC在Tg处台阶的曲线，更容易确定Tg值。 /p p style=" text-align: center " img title=" 图4常见的热膨胀曲线(a)聚苯乙烯PS；(b)高（低）密度聚乙烯PE；（c）金属Al、Pt和玻璃.jpg" alt=" 图4常见的热膨胀曲线(a)聚苯乙烯PS；(b)高（低）密度聚乙烯PE；（c）金属Al、Pt和玻璃.jpg" src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/ab420d73-d6f7-40f3-8a62-8586c92c66fa.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong 图4常见的热膨胀曲线(a)聚苯乙烯PS (b)高(低)密度聚乙烯PE (c)金属Al、Pt和玻璃 /strong /p p style=" text-align: center " img title=" 图5 TMA热膨胀曲线及其一阶导数曲线确定Tg.jpg" alt=" 图5 TMA热膨胀曲线及其一阶导数曲线确定Tg.jpg" src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/79777183-9912-4ea3-a0ef-34a0ee703a9b.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong 图5 TMA热膨胀曲线及其一阶导数曲线确定Tg /strong /p p style=" text-align: center " img title=" 图6 几种不同类型的热机械曲线示意图.jpg" alt=" 图6 几种不同类型的热机械曲线示意图.jpg" src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/7ec3e314-83b7-4eac-b62f-5d60ce321bb8.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong 图6 几种不同类型的热机械曲线示意图 /strong /p p style=" text-align: center " strong (a) 非晶态无定形线形聚合物的温度—形变曲线 /strong /p p style=" text-align: center " strong (b) 非晶态无定形线型和交联型聚合物的蠕变曲线，1-线型 2-交联型 /strong /p p style=" text-align: center " strong (c) 不同力学状态高聚物的应力松弛曲线，1-玻璃态 2-高弹态 3-粘流态 /strong /p p 　　上文曾经提到TMA除了热膨胀法曲线之外，还可以研究保持应变恒定时的应力松弛和恒定应力下的蠕变行为，如图6。TMA所测的形变，除了一部分是样品自身膨胀或收缩引起的形变之外，还有一部分是应力引起的，这部分形变是分子相对移动时释放能量(粘性响应)或储藏能量(弹性响应)的结果，因此TMA所测形变实际上是膨胀行为和粘弹效应的加合。 /p p strong 四、TMA实验方法 /strong /p p 　　TMA是研究形变的技术，因此样品尺寸是否准确计量、是否稳定很重要，选用样品要求形状规整、无缺陷(气泡或裂纹)，块状样品上下两面要求平行且光滑，复合材料尤其是高聚物中添加了无机填料要考虑两相间是否相溶，必要时类似于DSC测试要考虑去除热历史的影响。由于TMA的样品用量相对比TG和DSC要大，扫描速率相对的设定慢一些为好，一般5℃/min 保护气常用氮气或空气，流量10-50ml/min。 /p p 　　此外由于TMA配备有各种探头，了解这些探头的功能以及何种形态的样品适用于何种探头 了解测试的目的，在多种实验模式中选择合适的实验程序 负载力是TMA测试的一个重要参数，其大小的设定等等，这些往往依赖于实验人员的经验。 /p p 　　块状样品，一般适用的探头有：压缩探头、三点弯曲探头、针入(或称穿透)探头 所应用的测试有：线性膨胀系数、玻璃化转变温度、软化点、熔点、蠕变和松弛等等。 /p p 　　膜和纤维样品，一般适用的探头有：拉伸探头、针入探头 所测的参数：杨氏模量、玻璃化转变温度、软化点、蠕变、固化、交联密度和硬度等等。 /p p 　　粘性流体和胶，一般适用的探头有：剪切探头和针入式探头 适用的测试：粘性、凝胶化、胶体-熔体转变温度、固化和剪切模量。 /p p & nbsp /p p a href=" https://www.instrument.com.cn/zt/TAT" target=" _blank" 更多热分析相关知识请见专题：《热分析方法与仪器原理剖析》 /a /p

MTS Criterion(信标)万能测试系统全球新品发布会在上海隆重召开 　　仪器信息网讯 2010年9月9日，全球最大的高性能和高精度力学性能测试、模拟系统和位移传感器的制造商MTS公司，在中国上海松江生产基地举行MTS Criterion(信标)万能测试系统全球新品发布会，来自全球部分国家的MTS代理商和MTS部分高层领导参与了此次盛会。 发布会现场 　　发布会上，MTS副总裁David Meier先生、MTS(中国)SANS产品线总经理Darragh Mourphy先生、MTS全球业务发展部经理Ken Manke先生、 MTS(中国)SANS品牌营销总经理赵和平先生向代理商和媒体介绍了MTS 静态力学性能测试系统的研发历程和全球战略布署。 MTS副总裁David Meier先生 MTS(中国)SANS产品线总经理Darragh Mourphy先生 MTS全球业务发展部经理Ken Manke先生 MTS(中国)SANS品牌营销总经理赵和平先生 　　在揭幕仪式上，MTS副总裁David Meier先生带领MTS中美高层向嘉宾们揭开了MTS Criterion(信标)的神秘面纱，研制时间长达两年之久的Criterion(信标)万能测试系统在众人期待之中荣耀面世。MTS Criterion(信标)产品经理Vogel P.Grote,P.E.先生向嘉宾们详细介绍了本次推出的C40电子万能系列和C60静态液压系列两大系列的测试系统新品。　　 MTS副总裁David Meier先生带领公司高层为Criterion(信标)新产品揭幕 MTS Criterion产品经理Vogel P.Grote,P.E.先生向嘉宾介绍Criterion系列产品 　　融合了MTS的最新技术 为苛刻的生产环境提供紧密集成的测试解决方案 　　MTS最新推出的Criterion系统在MTS测试硬件和软件中融入了其最新技术，在苛刻、大批量生产环境中提供可靠的、高精度的和可重复的测试，其性能优越性主要体现在以下几个方面： 　　(1)完整的通用负荷框架组合 　　MTS Criterion系列包括C40电子万能系列和C60静态液压系列负荷框架的综合系列产品，适用于对从薄膜塑料到高强度结构钢再到钢筋混凝土范围内的试样进行精确和可重复的测试。可提供多样化的、高强度的配置，这些框架配备了高分辨率MTS数字控制器、紧凑的交流伺服电机驱动装置或强劲的伺服控制液压作动系统，以在大范围的测力能力中提供高速、低振动测试。MTS Criterion负荷框架完全符合最新的全球安全指令，包括：“机械设备2006/42/EC”、“低电压2006/95/EC”、“EMC指令20044/108/EC”和“GOST-R”等标准。 　　(2)全套的测试附件 　　MTS Criterion系统用户可以利用大量的夹具和附件、环境模拟系统和引伸计，以满足各种材料的标准试验和定制试验要求, 包括拉伸、压缩、抗折/弯曲和剪切、剥离、撕裂等。 　　(3)全功能、易于操作的TestWork软件 　　TestWork软件为全系列材料的高效工业符合性测试提供直观的操作界面、可选择的多语言能力、强大的分析与报告功能以及不断增加的大量标准测试方法。全套可选择的测试定义功能提供了修改测试模板和快速适应更改要求的能力。 　　(4)先进的MTS测试技术 　　MTS Criterion系统集成了许多MTS测试创新技术，以最大限度提升测试的保真度、操作效率、易操作性、安全性和可维护性： 　　①高分辨率MTS数字控制器，为保真度更高的测试数据和更有意义的分析提供了高速、闭环控制和数据采集； 　　②精确的MTS负荷传感器提供了高刚度、超载和侧向载荷保护，以及TEDS自识别能力； 　　③方便的、符合人体工学的手持器，在试验空间就能实现对系统的全面控制，设置简单高效； 　　④创新的集成操作平台(仅C60静态液压系列)将操作界面、系统电子设备和控制器，以及液压动力单元合并为一个紧凑、符合人体工学和易维护的模块，非常适合苛刻的工业环境； 　　⑤带集成控制模块和自动安全装置的全功能试验保护罩，确保操作员处于安全状态并完全符合最新的国际安全指令； 　　⑥持久耐用、易维护的橡胶垫，延长了使用寿命并提高了系统测试空间的可维护性和效用。 　　多样化的试验配置，可对金属、聚合物、建筑材料等进行高可靠性的测试 　　C40系列和C60系统拥有一系列的相关配置，用以满足从1N至1,000kN的高精度和高重复性的测试。结合易于操作的TestWork软件、丰富且不断增加的试验方法标准库以及各种各样的的测试附件，它们非常适合对金属、聚合物、建筑材料等进行精确和可重复性的拉伸、压缩、抗折/弯曲、剪切、剥离、撕裂测试。 　　C40系列电子万能测试系统 　　C40系列电子万能测试系统包括C42、C43、C44、C45等四种不同型号，满足各种中小力值的试验要求。 C40系列电子万能测试系统（从左到右依次是：C42、C43、C44、C45） 　　该测试系统采用了高速率、低振动电机驱动装置和集成、数字闭环控制装置，在1N到100kN范围内实现力控、位移控或应变控的试验；应用各种结构紧凑、高刚度的单柱和双柱台式型配置, 适用于中低力值的试验, 还有高强度的双柱落地式配置，适用于中高力值的试验；采用高精度的MTS负荷传感器和高分辨的MTS数字控制器，引入简单易用的TestWork软件、丰富且不断增加的试验方法标准库，以及各种各样的测试附件。并且，该测试系统采用可选T型工作台、线性导向装置等，很好的满足了客户需求。其中，C44和C45型还采用了可选双空间的实验设计，减少了设置时间。 　　C40系列电子万能测试系统可在非常广泛的材料领域范围内得到应用，包括：塑料、纤维和细线、生物材料、木制品和纸产品、金属、复合材料等领域。 　　C60系列静态液压万能试验系统 　　C60系列静态液压万能试验系统包括C64.305、C64.605、C64.106三种不同型号，能对不同形状和尺寸的高强度试样进行高精度，可靠的拉伸和压缩试验，满足高力值测试需求。 C60系列静态液压万能试验系统（从左到右依次是：C64.305、C64.605、C64.106） 　　这些高强度的试验系统采用可靠的MTS伺服控制液压作动系统和高速、数字闭环控制器，从300kN到1000kN可实现力控、位移控或应变控制的试验。C60系列系统现有整套高强度6柱负荷框架配置，他们由结构紧凑且符合人体工学的集成操作平台支撑；全部采用“上空间拉伸、下空间压缩”的标准双试验空间，以减少设置时间；采用无级加载和“快退”液压阀，以提高工作效率；并采用了横梁位移限位保护、力过载保护、过热保护、电压过载保护等保护措施。此外，与C40系列一样，该系统引用了易于操作的TestWork软件、丰富且不断增加的试验方法标准库以及各种各样的附件。 　　C60系列静态液压万能试验系统可在整个高强度金属和建筑材料范围内得到广泛的应用，包括：金属薄板、金属板、金属棒、紧固件、金属丝和缆索、链条、管道和管形材料、结构钢、钢筋、焊接件、铸件、锻件、结构部件、岩石和混凝土、铺砌路面、紧固件(非金属)、线材和缆索(非金属)、筋材(金属)等领域。　　 　　MTS公司高层与产品经理在Criterion前合影　　 MTS代理商和MTS部分高层在交流 　　发布会结束后, MTS(中国)SANS产品线总经理Darragh Mourphy先生、SANS品牌营销总经理赵和平先生、SANS品牌液压产品线总经理王斌先生接受了仪器信息网的人物专访。详情请见后继报道! 　　关于Criterion(信标) 　　Criterion(信标)系列产品满足全球安全和人机工程学指令，可选择多语言的测试界面使Criterion(信标)系统为建立全球标准化测试程序以及高效地装备大专院校和科研机构奠定了良好的基础。 　　Criterion(信标)系统可以快速配置、交付并安装，以满足用户的特定测试要求。所有系统都由全球MTS服务与支持组织提供服务与支持，经验丰富的团队致力于保持用户测试系统的高水平正常运转和高效操作。 　　C40系列电子万能测试系统 　　C42 　　负荷框架配置：单柱、台式、电子机械式 　　额定负荷：1N、5N、10N、25N、50N、100N、250N、500N、1kN、2kN、5kN 　　试验空间：单空间 　　典型试样：塑料、细金属丝、纤维和细线、生物材料、薄膜、粘合剂、泡沫材料、包装、纸产品 　　C43 　　负荷框架配置：双柱、台式、电子机械式 　　额定负荷：100N、250N、500N、1kN、2.5kN、5kN、10kN、20kN、30kN、50kN 　　试验空间：单空间 　　典型试样：小部件、增强塑料、金属、金属丝、复合材料、弹性体、木制品、纺织品、生物材料、纸产品、粘合剂、泡沫材料 　　C44 　　负荷框架配置：双柱、落地式、电子机械式 　　额定负荷：100N、250N、500N、1kN、2.5kN、5kN、10kN、20kN、30kN 　　试验空间：单空间或双空间 　　环境模拟：高温炉、环境箱 　　典型试样：小部件、增强塑料、金属、金属丝、复合材料、弹性体、木制品、纺织品、纸产品、粘合剂、泡沫材料 　　C45 　　负荷框架配置：双柱、落地式、电子机械式 　　额定负荷：1kN、2.5kN、5.0kN、10kN、20kN、30kN、50kN、100kN 　　试验空间：单空间或双空间 　　环境模拟：高温炉、环境箱 　　典型试样：金属、建筑部件、大型紧固件、复合材料、木制品 　　C60系列静态液压万能试验系统 　　C 64.305 　　负荷框架配置：6柱、伺服控制液压系统 　　额定载荷：300kN 　　试验空间：双空间(上空间拉伸、小空间压缩) 　　典型试样：金属薄板、复合材料、紧固件(非金属)、线材和缆索(非金属)、筋材(非金属) 　　C 64.605 　　负荷框架配置：6柱、伺服控制液压系统 　　额定载荷：600kN 　　试验空间：双空间(上空间拉伸、小空间压缩) 　　典型试样：金属薄板、复合材料、管道和管形材料、钢筋、焊接件、铸件、混凝土路面 　　C64.106 　　负荷框架配置：6柱、伺服控制液压系统 　　额定载荷：1000kN 　　试验空间：双空间(上空间拉伸、小空间压缩) 　　典型试样：管道和管形材料、金属丝和缆索、链条、钢筋、焊接件、铸件、复合材料、混凝土路面 　　关于MTS 　　美特斯工业系统(中国)有限公司是MTS系统公司在中国的全资子公司。 　　MTS系统公司成立于1966年，在美国NASDAQ独立上市，其总部位于美国明尼苏达州，是全球最大的高性能和高精度力学性能测试、模拟系统和位移传感器的制造商。其产品和服务主要应用于科研、产品开发、质量控制等领域，范围涉及试验设备、分析软件和优秀工程解决方案咨询,客户涉及国际各大汽车、飞机制造商、国家及高校科研机构，例如奔驰、丰田、通用、福特、大众、波音、空中客车及国际各大知名高校科研机构、试验室。 了解详情请访问该公司仪器信息网展位：http://mts.instrument.com.cn

为了解决客户在试验机使用过程中不方便使用引伸计而必须粘贴应变电阻片（应变计）进行应变测试的问题，近日，三思纵横上海公司成功研发了DSCC-5000K专用扩展型应力应变测试仪。 　　应力应变测试仪DSCC-5000K是与试验机配套的高速静态应变数据采集仪，同步采样频率60Hz，最小应变分辨率0.1&mu m，广泛应用于拉伸、压缩或弯曲等试验，能够精确测量材料变形，绘制力-变形、变形-时间、变形-变形等曲线。 　　该设备既可用于液压试验机，也可用于电子试验机，并可满足多通道应变采集与试验机加载力值采集同步。 　　三思纵横上海分公司研制成功的应力应变测试仪已经成功地应用于多家建筑工程质检公司。 　　更多新品资讯，请咨询三思纵横驻各地办事处销售人员或服务热线：400-882-3499。