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摘要：在对材料性能研究学习的过程中，万能试验机是经常借助的实验器材。实验与理论相结合的课堂教学往往会取得更好地教学效果。本文主要介绍了一种微型、便携的万能试验机的设计与构造，以及其相对于传统试验机的优势，并在最后提出了微型试验机的发展前景。
关键词：材料力学 微型试验机 应变电测
1、绪言
20世纪50年代中期以来，国外先后开发了多种控制形式的万能试验机，如美国MTS系统公司、英国的英斯特朗有限公司等都有自己的特色产品。自20世纪70年代开始，他们又将计算机技术逐渐的应用到试验机上。我国电子式万能试验机也得到了一定的发展，一大批电子试验机脱颖而出，使我们有了自己的产品。
电子万能试验机是利用计算机来控制试验机的测试过程，计算材料力学指标，例如弹性模量、强度极限、屈服极限，然后在计算机上实时显示。但是大型电子万能试验机很显然不方便理论与实验同步教学，实际情况往往是因为材料力学实验仪器过大，理论课与实验课分开教学，导致理论课和实验课在时间和空间上不能达到一致，对于力学知识的理解感悟就不能较形象和具体，收效甚微[1-4]。
2、微型万能试验机的构想
为了实现材料试验同步走进课堂，构想了微型万能试验机，与传统电子试验机相比，它的最大特点就是“微”，即把仪器的体积和重量缩小到可方便携带的地步，便于像携带普通教具一样把实验器材带进课堂。微型万能试验机在减小体积的同时自然降低了成本。普通试验机价格达数万甚至数十万元，而微型万能试验机造价可低至千元，学校甚至可以批量购买来满足所有老师的教学需求。
考虑到数据的变化及试件的外观变化现象可以同时展示给更多人观看，此处用一只摄像头连接投影仪进行实验现象放大展示。微型万能试验机虽说比传统试验机要小，但是由于要承受1KN左右的力，所以必须要一定重量的底座来维持整体仪器的稳定，这样整体重量就要达到20～30Kg，不过还是比现在市面上的万能试验机要轻便的。
3、微型万能试验机的设计与操作应用
3.1基本参数与要求
基本参数：
最大荷重：500N；测试行程：260mm；尺寸：270*240*650mm；净重：15kg。
设计要求：
1）高精度高分辨率，精准度0.5度，最小读数达0.001N；
2）峰值保持功能，保持峰值显示手动清零；
3）峰值自动解除功能，保持显示峰值1至9秒后自动解除；
4）N（牛顿）、 kg（公斤）单位可供选择并相互换算；
5）重力加速度设置功能；
6）比较功能，上下限偏差值自由设定，红绿指示灯及蜂鸣器自动声光报警设置。
3.2加载系统
本仪器机械传动系统采用螺杆式带动，摇动手轮使推拉力计前后运动，以实现对测试件的拉伸或压缩和插拨力试验。本仪器手持设计，操作简单，并可安装在各类工作台上使用，还可适配各类夹具，方便各类产品的测试。
3.3力测试系统
当被测物产生应变时， 电阻应变片的阻值会随之发生变化， 电阻应变片测量应变就是基于这个原理。
将应变片贴在夹头与横梁连接的等截面连杆处，对连杆材料进行分析，查阅其弹性模量E、测量连杆直径大小D，计算连杆横截面面积S，通过拉伸实验得到此连杆产生的应变ε，再利用胡克定律σ=E*ε以及应力计算公式σ=F/S得到连杆应变ε与其所受拉力F的关系，即F=k*ε（k=E*S），并将这种关系在计算机中通过软件程序分析，把应变信号转化为连杆所受拉力的大小，即拉伸试件的作用力F[5]。
3.4位移测试系统
试件拉伸时，在纵向上产生的位移变化与所测试件的材料有关。材料不同，在相同拉力作用下等同尺寸的试件产生的位移伸长量也就不同。
综合仪器设计尺寸以及试件材料性能确定合适的位移伸长量范围。选用数码游标卡尺来测量试件在拉伸过程中产生的伸长量，数码游标卡尺在运用中具有一定的精度要求，满足仪器的实验要求。在安装过程中，数码游标卡尺尺身固定在试验机支架上，游标固定在横梁上随着横梁可以上下移动（如图1左图所示），控制横梁的移动范围在数码游标卡尺的量程内，数码游标卡尺量程确定在0～300mm，精度为0.01mm，误差为±0.03mm。
3.5观察显示系统
摄像头的主要功用是把试件发生形变的部位拍摄下来，通过投影仪直接展示在幕布上。在这方面的主要问题不是摄像头本身而是固定摄像头的机械臂设计。
機械臂可以自己设计成如图1右图所示的三段可折叠式机械臂，其由三段等长的杆件结构组成，杆件之间用螺母铰接，形成可以绕螺母折叠的机械臂装置。其优点是节省空间、操作灵活，可以针对试件破坏位置变化灵活变动拍摄范围。机械臂根部铰接在试验机横梁上，随着加载实验的进行，其充当着“移动摄像机”的身份，对试件的实验现象进行同步跟踪。
4、结束语
微型万能试验机相比于常用的万能试验机具有以下优点：
1、万能试验机更便捷，在应用于对基本材料力学性能探索的课堂教学中具有选择优越性。
2、通过力传感器、放大器、摄像头和数据处理器，连接于多媒体投影中，实现细节的放大演示。
3、该仪器由于体型尺寸较小，造价成本会降低很多，在销售市场上更占据优越性。
4、对试件材料适用性较强，可以是木片、塑料，也可以是强度相对较低的铅丝。试件的选择较为方便，也比较经济。
5、在理论与实践相结合的教学模式下，微型万能试验机展现出了很可观的发展前景。
致谢
本项目获扬州大学教改课题（YZUJX2015—29B）资助。
参考文献
[1]刘滨，电子万能试验机与液压万能试验机的区别与特点[J].计量与测试技术，2008，35（11）：42-42.
[2]陈国华，陈玲，万能电子拉伸试验机简易改造及其应用[J].实验室研究与探索，2006， 25（10）：1199-1200.
[3] 郭亮，金属材料万能试验机概况及主要配置分析[J].金属制品，2011， 37（2）：80-83.
[4] 王宝军，电子万能试验机的发展[J].试验机与材料试验，1984（04）.
[5]孙训方，轴向拉伸和压缩，材料力学（1）[M].北京：高等教育出版社，2011：21-22.
关键词：材料力学 微型试验机 应变电测
1、绪言
20世纪50年代中期以来，国外先后开发了多种控制形式的万能试验机，如美国MTS系统公司、英国的英斯特朗有限公司等都有自己的特色产品。自20世纪70年代开始，他们又将计算机技术逐渐的应用到试验机上。我国电子式万能试验机也得到了一定的发展，一大批电子试验机脱颖而出，使我们有了自己的产品。
电子万能试验机是利用计算机来控制试验机的测试过程，计算材料力学指标，例如弹性模量、强度极限、屈服极限，然后在计算机上实时显示。但是大型电子万能试验机很显然不方便理论与实验同步教学，实际情况往往是因为材料力学实验仪器过大，理论课与实验课分开教学，导致理论课和实验课在时间和空间上不能达到一致，对于力学知识的理解感悟就不能较形象和具体，收效甚微[1-4]。
2、微型万能试验机的构想
为了实现材料试验同步走进课堂，构想了微型万能试验机，与传统电子试验机相比，它的最大特点就是“微”，即把仪器的体积和重量缩小到可方便携带的地步，便于像携带普通教具一样把实验器材带进课堂。微型万能试验机在减小体积的同时自然降低了成本。普通试验机价格达数万甚至数十万元，而微型万能试验机造价可低至千元，学校甚至可以批量购买来满足所有老师的教学需求。
考虑到数据的变化及试件的外观变化现象可以同时展示给更多人观看，此处用一只摄像头连接投影仪进行实验现象放大展示。微型万能试验机虽说比传统试验机要小，但是由于要承受1KN左右的力，所以必须要一定重量的底座来维持整体仪器的稳定，这样整体重量就要达到20～30Kg，不过还是比现在市面上的万能试验机要轻便的。
3、微型万能试验机的设计与操作应用
3.1基本参数与要求
基本参数：
最大荷重：500N；测试行程：260mm；尺寸：270*240*650mm；净重：15kg。
设计要求：
1）高精度高分辨率，精准度0.5度，最小读数达0.001N；
2）峰值保持功能，保持峰值显示手动清零；
3）峰值自动解除功能，保持显示峰值1至9秒后自动解除；
4）N（牛顿）、 kg（公斤）单位可供选择并相互换算；
5）重力加速度设置功能；
6）比较功能，上下限偏差值自由设定，红绿指示灯及蜂鸣器自动声光报警设置。
3.2加载系统
本仪器机械传动系统采用螺杆式带动，摇动手轮使推拉力计前后运动，以实现对测试件的拉伸或压缩和插拨力试验。本仪器手持设计，操作简单，并可安装在各类工作台上使用，还可适配各类夹具，方便各类产品的测试。
3.3力测试系统
当被测物产生应变时， 电阻应变片的阻值会随之发生变化， 电阻应变片测量应变就是基于这个原理。
将应变片贴在夹头与横梁连接的等截面连杆处，对连杆材料进行分析，查阅其弹性模量E、测量连杆直径大小D，计算连杆横截面面积S，通过拉伸实验得到此连杆产生的应变ε，再利用胡克定律σ=E*ε以及应力计算公式σ=F/S得到连杆应变ε与其所受拉力F的关系，即F=k*ε（k=E*S），并将这种关系在计算机中通过软件程序分析，把应变信号转化为连杆所受拉力的大小，即拉伸试件的作用力F[5]。
3.4位移测试系统
试件拉伸时，在纵向上产生的位移变化与所测试件的材料有关。材料不同，在相同拉力作用下等同尺寸的试件产生的位移伸长量也就不同。
综合仪器设计尺寸以及试件材料性能确定合适的位移伸长量范围。选用数码游标卡尺来测量试件在拉伸过程中产生的伸长量，数码游标卡尺在运用中具有一定的精度要求，满足仪器的实验要求。在安装过程中，数码游标卡尺尺身固定在试验机支架上，游标固定在横梁上随着横梁可以上下移动（如图1左图所示），控制横梁的移动范围在数码游标卡尺的量程内，数码游标卡尺量程确定在0～300mm，精度为0.01mm，误差为±0.03mm。
3.5观察显示系统
摄像头的主要功用是把试件发生形变的部位拍摄下来，通过投影仪直接展示在幕布上。在这方面的主要问题不是摄像头本身而是固定摄像头的机械臂设计。
機械臂可以自己设计成如图1右图所示的三段可折叠式机械臂，其由三段等长的杆件结构组成，杆件之间用螺母铰接，形成可以绕螺母折叠的机械臂装置。其优点是节省空间、操作灵活，可以针对试件破坏位置变化灵活变动拍摄范围。机械臂根部铰接在试验机横梁上，随着加载实验的进行，其充当着“移动摄像机”的身份，对试件的实验现象进行同步跟踪。
4、结束语
微型万能试验机相比于常用的万能试验机具有以下优点：
1、万能试验机更便捷，在应用于对基本材料力学性能探索的课堂教学中具有选择优越性。
2、通过力传感器、放大器、摄像头和数据处理器，连接于多媒体投影中，实现细节的放大演示。
3、该仪器由于体型尺寸较小，造价成本会降低很多，在销售市场上更占据优越性。
4、对试件材料适用性较强，可以是木片、塑料，也可以是强度相对较低的铅丝。试件的选择较为方便，也比较经济。
5、在理论与实践相结合的教学模式下，微型万能试验机展现出了很可观的发展前景。
致谢
本项目获扬州大学教改课题（YZUJX2015—29B）资助。
参考文献
[1]刘滨，电子万能试验机与液压万能试验机的区别与特点[J].计量与测试技术，2008，35（11）：42-42.
[2]陈国华，陈玲，万能电子拉伸试验机简易改造及其应用[J].实验室研究与探索，2006， 25（10）：1199-1200.
[3] 郭亮，金属材料万能试验机概况及主要配置分析[J].金属制品，2011， 37（2）：80-83.
[4] 王宝军，电子万能试验机的发展[J].试验机与材料试验，1984（04）.
[5]孙训方，轴向拉伸和压缩，材料力学（1）[M].北京：高等教育出版社，2011：21-22.