第四章 計算機(jī)在材料檢測中的應(yīng)用_第1頁
第四章 計算機(jī)在材料檢測中的應(yīng)用_第2頁
第四章 計算機(jī)在材料檢測中的應(yīng)用_第3頁
第四章 計算機(jī)在材料檢測中的應(yīng)用_第4頁
第四章 計算機(jī)在材料檢測中的應(yīng)用_第5頁
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文檔簡介

主要內(nèi)容

4.1在線測量基本原理

4.2材料成分的檢測

4.3材料組織結(jié)構(gòu)的檢測

4.4材料力學(xué)性能的檢測

4.5材料物理性能的測量

4.6聯(lián)機(jī)電化學(xué)測試系統(tǒng)

12:572011-12-32/29吸也裳:±交性x.z.Lin

4.1在線測量基本原理

(一)傳統(tǒng)測量方法(人工測量)

最大弊端:工作量大且容易出錯。

(二)在線測量方法

⑷M黃N袈院X.Z.Lin

12:572011-12-33/29Ini"””,“Svience*

(三)在線測量系統(tǒng)的組成和原理

多采

路A/D“

測開轉(zhuǎn)換器,一鞅

多算

D/A-1

器開機(jī)

轉(zhuǎn)換器,

執(zhí)行器3---------------模擬控制1

圖4.3在線測量系統(tǒng)組成與原理.

⑷M黃N袈院X.Z.Lin

12:572011-12-34/29Sicbt*ofSvien"*SSftSSHEI

(四)計算機(jī)在材料檢測中的應(yīng)用

材料的性能主要決定于它的化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)?;瘜W(xué)成分不同的材

料具有不同的性能;而相同成分的材料經(jīng)過不同的加工處理而具有不同的

組織結(jié)構(gòu)時,也將具有不同的性能。材料科學(xué)就是以材料的成分、加工工

藝、組織結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系及其變化規(guī)律為研究對象的;以這些關(guān)系和規(guī)

律作為依據(jù),可以為材料設(shè)計適當(dāng)?shù)某煞趾瓦m宜的加工工藝,從而獲得預(yù)

期的組織結(jié)構(gòu),當(dāng)然也獲得材料的最終性能。所以在材料科學(xué)中,對材料

成分、組織結(jié)構(gòu)的分析與研究、材料的性能檢測是十分重要的。

由于材料檢測的重要性和迫切需要,隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,計

算機(jī)在材料的成份、組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、物理性能等的檢測方面的得到

了廣泛的應(yīng)用。目前,較先進(jìn)的材料檢測方法和設(shè)備都是在計算機(jī)控制下

工作的,同時,其檢測到的各種數(shù)據(jù)也可直接通過計算機(jī)處理,得到我們

需要的各種數(shù)據(jù)。

下面將分類舉例介紹計算機(jī)在材料檢測方面的應(yīng)用,重點介紹如何在

材料科學(xué)中應(yīng)用計算機(jī)解決材樹檢測方面各種實際的問題。

⑷M黃N袈院X.Z.Lin

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------4--.-2-材--料--成--分--的--檢--測-------

材料的組成對材料的性能和應(yīng)用有很大的影響,許多材料

的合成和制備也正是通過改變材料的成分來改變材料的性能。

如材料的表面處理就是使材料的表面成分與心部不同,以獲得

材料表面的特殊性能。因此,材料成分的檢測對于材料研究有

著特別重要的意義。

現(xiàn)今可利用各種大型分析設(shè)備如掃描探針顯微鏡(SPM)、

掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM),X射線衍射儀、電子

衍射儀、各種譜儀如紅外光譜儀、拉曼光譜儀、原子吸收光譜

儀、激光光譜儀等進(jìn)行材料成分的檢測。

⑷M黃N袈院X.Z.Lin

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(一)分析電子顯微方法

分析電子顯微方法是現(xiàn)代電子顯微學(xué)領(lǐng)域中的重要組成

都分,是從微觀尺度認(rèn)識和研究材料的非常重要的手段。

分析電子顯微方法中要獲得材料成分的信息的方法主要

有:

r電子能譜(EDS或EDX)(與SEM配套使用,元素分析)

r電子探針X射線微區(qū)成分分析(EPM或EPMA)(微區(qū)成分分析)

r俄歇電子能譜(AES)(表面成分分析、微區(qū)成分分析)

rX射線光電子能譜(XPS)(表面成分、化學(xué)態(tài)分析)

3電子能量損失譜方法(EELS)

U高角度散射暗場方法(STEM)(也稱Z襯度方法)

3場發(fā)射電子槍技術(shù)(使納米尺度的成分分析成為可能,它能進(jìn)行l(wèi)nm

以下區(qū)域的成分分析)

⑷M黃N袈院X.Z.Lin

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計算機(jī)在成分分析設(shè)備上的應(yīng)用

大致可以分為三類(數(shù)據(jù)處理軟件部分):

(1)計算、模擬軟件

輸入被測材料的名稱、實驗條件和分析要求;系統(tǒng)按某個計算模

型或公式輸出計算結(jié)果、用于實驗前的結(jié)果預(yù)測、與實驗結(jié)果比較和

數(shù)據(jù)評價。(如:由SmallWorld公司編制的ElectronFlight

Simulator軟件,可依據(jù)蒙特卡羅法模擬求出入射到試樣中的電子散

射的軌跡,也可計算試樣產(chǎn)生的特征X射線譜等。)

(2)數(shù)據(jù)分析、圖譜分析軟件

對儀器測得的實驗結(jié)果(圖像或圖譜的數(shù)據(jù)),按指定的公式、

方法分析處理,得到進(jìn)一步的更多信息(結(jié)果)。(如:GalanInc.

公司的EL/P(M)軟件,可用于電子能量損失譜儀(EELS)的控制

和譜儀數(shù)據(jù)的分析,給出微區(qū)成分分析的結(jié)果等。)

(3)設(shè)備控制軟件

控制各種分析設(shè)備裝置分析過程的軟件。選擇輸入分析要求、實

驗條件,分析設(shè)備裝置按照這些選擇進(jìn)行分析過程。

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(二)光譜儀方法

光譜分析是依據(jù)樣品物質(zhì)的特征光譜,研究其化學(xué)

成分和存在狀態(tài)。在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展中,光譜分析

在材料成分分析和結(jié)構(gòu)分析中起著重要作用。

x射線波譜(光學(xué)方法展譜)

X射線光譜〔X射線能譜(電子學(xué)方法展譜)

微波輻射光譜紫外光(20?400nm).紫外可見分光光度法

可見光(400~800nm),

、、近紅外光(800?900nm)

f吸收光譜〈紅外光譜(常用中紅外:波數(shù)4000?400cnri)

原子吸收光譜法

順磁共振光譜法

光學(xué)光譜核磁共振光譜法

拉曼光譜(激光)(散射光譜)

原子發(fā)射光譜法

分子熒光光譜法

I發(fā)射光譜分子磷光分析法

學(xué)發(fā)光分析法

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計算機(jī)應(yīng)用軟件在光譜儀方法中的功能

(1)測量參數(shù)選擇

不同樣品作不同元素的檢測時,許多測量控制參數(shù)都有所不同。儀器隨

機(jī)控制應(yīng)用軟件能選擇不同的參數(shù),為此建立測量控制參數(shù)文件,存儲在磁

盤中,供以后調(diào)用;并能顯示、輸入、修改、存儲測量控制參數(shù)等。

(2)定標(biāo)處理

測量前儀器都需經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)樣品校準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)樣品中各種元素濃度與儀器相應(yīng)

通道的光譜線強(qiáng)度計數(shù)值一般以文件形式存儲,應(yīng)用軟件在工作時調(diào)用此文

件與實測時的光譜線比較.得出被測樣品的含量值。

(3)常規(guī)測量過程控制

完成一般的常規(guī)測量過程,同時數(shù)據(jù)系統(tǒng)把測量數(shù)據(jù)依通道存入測量數(shù)

據(jù)文件。

(4)分析測量結(jié)果

依測量數(shù)據(jù)文件和定標(biāo)文件對被測樣品作出分析,給出被測樣品的成分

分析結(jié)果,并顯示相應(yīng)結(jié)果。有的還可以將兩者的譜線圖同時放在一起,以

便工作人員加以人工比較和判斷。

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4.3材料組織結(jié)構(gòu)的檢測

材料科學(xué)是以材料的成分、加工工藝、組織結(jié)構(gòu)與性能

的關(guān)系及其變化規(guī)律為研究對象的,所以材料科學(xué)研究中通

常都要檢測直接影響性能的材料組織,評價材料缺陷;在了

解了材料組織與缺陷,以及其與性能之間的關(guān)系的變化規(guī)律

的基礎(chǔ)上進(jìn)行計算機(jī)仿真,則是材料科學(xué)研究的新手段。

⑷M黃N袈院X.Z.Lin

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(一)金相圖像分析系統(tǒng)

人工金相定量分析法:網(wǎng)格法、稱重法等

局限性:準(zhǔn)確性和重現(xiàn)性差、效率低、在某些情況下還無法實現(xiàn)。

計算機(jī)金相圖像分析系統(tǒng):

——在自動檢測方面具有較高的測量精度。其測量速度快,

重現(xiàn)性好,并且能連接金相顯微鏡、掃描電鏡和數(shù)碼相機(jī)等各種

外部設(shè)備、有豐富的圖像編輯、增強(qiáng)、變換和切割功能,可對特

征物自動完成測量。所以圖像分析系統(tǒng)在金相定量檢測方面得到

了廣泛的使用。

金相圖像分析系統(tǒng)經(jīng)過數(shù)十年的不斷升級和發(fā)展,已形成一套設(shè)計先進(jìn)、功

能齊全、軟件豐富、性能穩(wěn)定、測量準(zhǔn)確可養(yǎng)、測量方法符合國際國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的金

相圖像分析產(chǎn)品,如中國科學(xué)院北京中科科儀計算技術(shù)公司的SiSc1AS系列圖像

分析系統(tǒng),細(xì)節(jié)可訪問網(wǎng)站W(wǎng)WW.CAS-SiS.Clio

H包括:金屬平均晶粒度測定軟件包、球墨鑄鐵球化率評級軟件包、

汽車滲碳晶粒度測定軟件包等。

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(1)合金相的定量測量

金相圖像分析系統(tǒng)可以確定金相組織中合金相的類型及其含量,

系統(tǒng)提供兩種識別方法:

1)半自動網(wǎng)格法

網(wǎng)格法是一種典型的計點分析法,以往都是由人實現(xiàn)計點的,這里是

計算機(jī)自動識別。半自動是指需要由人目判斷合金相類型,對待測合金相

所占網(wǎng)格結(jié)點用鼠標(biāo)點以不同的顏色以示區(qū)別。計算機(jī)自動統(tǒng)計出待測合

金相所占網(wǎng)格結(jié)點的數(shù)目和網(wǎng)格結(jié)點總數(shù)目,兩者之比即為待測合金相的

含量。

2)區(qū)域識別法

用鼠標(biāo)先將待識別的組織劃分為若干閉合區(qū)域,若閉合區(qū)域內(nèi)只有一

種組織(單相),通過統(tǒng)計該區(qū)域內(nèi)的像素數(shù)目就可以實現(xiàn)該區(qū)域內(nèi)的一

種組織的識別和計數(shù),并送入該相計數(shù)累加器;若閉合區(qū)域內(nèi)有兩種灰度

(或顏色)反差較大的組織(雙相),那么通過統(tǒng)計該區(qū)域內(nèi)不同灰度的

像素數(shù)目就可以實現(xiàn)該區(qū)域內(nèi)的雙相的識別和分別計數(shù)。并送人分別的計

數(shù)累加器,實現(xiàn)多區(qū)域的統(tǒng)計識別。最后根據(jù)計數(shù)累加器的數(shù)字就可得到

相應(yīng)的相含量。

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表7?1合金相的定1副置婚果示例

測量結(jié)果數(shù)據(jù)文件(:;VLALT

巴潮視場數(shù)目J

柄踹個數(shù)146

桃場面積3.62160E-00I

卷證物面積6卅28951002

占機(jī)場面積百分比16,8%

面積靴

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12:572011-12-3SiCtuCni“,U<¥。,Science*

(2)非金屬夾雜物的定量測量

鋼中的非金屬夾雜物對性能瓢響很大、其影響程度主要取決于

非金屬夾雜物的性質(zhì)、數(shù)量、大小、分布情況等。一般認(rèn)為非金屬夾

雜物越少,且細(xì)小顆粒呈均勻分布時對鋼的性能影響越小。但由于以

前人工測量手段的局限,包括GB1056—1989規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)等級圖片法,

對非金屬夾雜物的數(shù)量、大小、分布情況等也只能有定性的認(rèn)識,定

量測量很粗略。

金相圖像分析系統(tǒng)可以對非金屬夾雜物的數(shù)量、大小、分布情況

作自動定量檢測,步驟如下:

1)非金屬夾雜物標(biāo)記

不同的夾雜物標(biāo)以不同的標(biāo)記數(shù)值,以便對每個夾雜物進(jìn)行識別測量。

2)夾雜物特征參數(shù)的測量

包括夾雜物體積分?jǐn)?shù)、形狀因子、平均面積、分布情況等的測量。

3)給出定量測量結(jié)果

12:572011-12-315/29⑷M健三$院x.z.Lin

表r?金融雜物的定■測■第果示例

■i版轆遙C:W2.ALY

一3

日倒視嬲目

楸[物僮132

在劣視場

氧化物含量(面積的百分比)0,49%

底化蝠量(而哪用分出)0.07%

----------------■!.,.!?A*vn*,^rr--------T-L-----------------------------------------------------1

硅鼬含1(面積的跖比)^001%

12:572011-12-316/29⑷M便工W吃x.z.Lin

*__Sichuaetn,'”,,l>t>(SocnceAt?ync?nny

(二)材料缺陷的計算機(jī)評定

材料缺陷(內(nèi)部缺陷、外部缺陷)檢測、分組評定是保證產(chǎn)品質(zhì)

量的重要環(huán)節(jié)之一,長期以來,材料缺陷的檢測都是用肉眼觀察圖像

來判斷。這對于一些要求檢測率比較高的電站設(shè)備、壓力容器等重要

部件,不僅檢測工作量大、周期長,而且檢測水平受檢測主觀因素的

影響而不穩(wěn)定。

隨著計算機(jī)圖像處理與模式識別技術(shù)的發(fā)展以及材料缺陷特征參

數(shù)的研究,計算機(jī)材料缺陷評定系統(tǒng)具有材料缺陷圖像獲取、缺陷檢

出、缺陷識別、缺陷尺寸測量和分級評定等功能,基本上實現(xiàn)了材料

缺陷檢測、分級評定的全部自動化。

⑷M黃N袈院X.Z.Lin

12:572011-12-317/29Ini"””,“Svience*

(1)計算機(jī)材料缺陷評定系統(tǒng)硬件配置

投影儀(低倍放大)打印機(jī)

機(jī)

機(jī)

顯微鏡(高倍放大)顯示器

計算機(jī)材料缺陷評定系統(tǒng)硬件配置示意圖

12:572011-12-318/29⑷M黃N袈院X.Z.Lin

Sicbt*ofSvien"*SSftSSHEI

(2)計算機(jī)材料缺陷評定系統(tǒng)軟件構(gòu)成

1)圖像采集及存儲模塊

用于實現(xiàn)參數(shù)定義、采集及存儲圖像。用此模塊,計算機(jī)控制投影儀、顯

微鏡、攝像機(jī)、采集和實時顯示欲分析的材料圖像,并以文件形式存儲該圖像

備案。

2)圖像預(yù)處理模塊

主要用于圖像增強(qiáng)。此模塊主要包括:圖像數(shù)字化、消噪處理、圖像增強(qiáng)、

銳化處理、二值化等計算機(jī)圖像技術(shù)處理,以改善缺陷的圖像質(zhì)量。

3)特征提取模塊

用于針對缺陷的特征,提取被采集部位的圖像的缺陷信息,采用合適的識

別準(zhǔn)則判定缺陷的類型、位置等,列出缺陷的主要特征參數(shù)表格。

4)分析模塊

主要用于列出各種缺陷分布情況結(jié)果,負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲并評定級別。

⑷M黃N袈院X.Z.Lin

12:572011-12-319/29Ini"””,“Svience*

(三)材料顯微組織的計算機(jī)仿真

在大量的材料顯微組織檢測后,了解了材料組織以及其與性能之

間的關(guān)系和變化規(guī)律的基礎(chǔ)上,就可進(jìn)行計算機(jī)仿真,建立材料的顯

微組織模型(三維模型),然后反過來又可用該顯微組織模型推測

(而不是檢測)材料的性能。

例:顆粒復(fù)合材料顯微組織的計算機(jī)仿真

顆粒復(fù)合材料的性能對其顯微組織是特別敏感的,建立兩者之間的關(guān)系已

經(jīng)成為顆粒復(fù)合材料顯微組織設(shè)計的重要內(nèi)容。

由于材料是不透明的,直接從實際材料觀測其三維顯微組織很困難,目前

可用的方法包括從材料二維截面推測其三維織織特征及參量的體視學(xué)方法、以

及材料的系列金相截面進(jìn)行三維重建的方法等。其中體視學(xué)方法是間接的,試

樣要滿足一定的條件,而系列金相截面進(jìn)行三維重建法工作量很大;可以用計

算機(jī)仿真模擬具有不同顆粒和基體組織參數(shù)的顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料顯微組織。

⑷M黃N袈院X.Z.Lin

12:572011-12-320/29Ini"””,“Svience*

(1)增強(qiáng)粒子的空間分布

顆粒復(fù)合材料中顆粒的組織結(jié)構(gòu)參數(shù)包括粒子形狀、尺寸、位置及

空間分布、數(shù)量(體積分?jǐn)?shù)和總顆粒分?jǐn)?shù))等,這些顆粒的幾何特征參

數(shù)都會影響到材料的性能??梢杂脭?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來表示顆粒的幾何特征參數(shù)。

其中,模擬實際復(fù)合材料中顆粒的空間分布是要著重解決的問題,

因為顆粒分布對材料的性能有重要影響。對于不同的空間分布,可采

用的顆粒坐標(biāo)計算方法如下:

周期分布:X二是,F(xiàn)=K,Z=Z&(i,j,卜=1,2,…,W);

隨機(jī)分布:X=RAND(0,九),丫:RAND(0,%),2=RAND(0,

層狀分布:X=RAND(0,V=RAND(0,%),Z=Z*+RAND(0,

2),(L=1,2,…,N)i

線狀分布:X=RAND(0,X3RAND(0,7J,Z-+RAND

(0,Z,n),(j,k=l,2,…,N)\

團(tuán)聚分布:犬=凡+RAND(0,M),丫:"+RAND(0,兀),Z=4+

RAND(0,ZJ,(i,j,k=1,2,…,A);

12:572011-12-321/29⑷M篋產(chǎn)$院x.z.Lin

(2)基體的MONTECARLO(蒙特卡羅)仿真

蒙特卡羅法亦稱為隨機(jī)模擬或隨機(jī)抽樣技術(shù)。所謂蒙特卡羅法是把

某一問題作出一個適當(dāng)?shù)碾S機(jī)過程,把隨機(jī)過程的參數(shù)用由隨機(jī)樣本計

算的統(tǒng)計量值來估計,從而由這個參數(shù)找出最初所述問題中包含的未知量

的方法。

顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的基體組織一般是多晶聚集體,其晶粒的形狀、尺

寸及尺寸分布等參數(shù)對其性能有著重要的影響。多晶基體的晶粒長大過

程可認(rèn)為是一隨機(jī)過程,可以利用蒙持卡羅仿真方法來模擬。一些材料科

學(xué)工作者運用蒙特卡羅方法模擬晶粒長大過程已取得了較大的進(jìn)展??砂?/p>

這類模擬組織作為顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的基體組織的一種模型,這種仿真方

法所得到的多晶基體組織與實際上的近似等軸的晶粒組織非常接近。

⑷M黃N袈院X.Z.Lin

12:572011-12-322/29Ini"””,“Svience*

(3)三維可視仿真結(jié)果

由上述第一步產(chǎn)生不同形狀、尺寸、位置及空間分布、數(shù)量(體積

分?jǐn)?shù)和總額粘分?jǐn)?shù))的顆粒組織數(shù)據(jù);

再將其與第二步(蒙持卡羅方法)結(jié)合,在顆粒組織的基礎(chǔ)上產(chǎn)生

基體組織,得到了具有不同平均晶粒尺寸的顆粒增強(qiáng)復(fù)合樹料的顯微組

織。

在仿真程序中,顆粒的形狀可以選擇為球狀、橢球體、圓柱體、規(guī)

則多面體等。顆粒的空間分布可以選擇為周期分布、隨機(jī)分市、層狀分

布、線狀分布、團(tuán)聚分布等,通過改變顆粒和基體組織參數(shù),可以仿真

出各種實際顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的顯微組織。

三維可視仿真結(jié)果出來后,就可以作任意的二維截面,從而用于顆

粒組織和多晶聚集體的體視學(xué)研究;可以用于顆??臻g分布的表征問題

的研究;可以將三維仿真組織轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)文件,并賦予其中各相以材料

性質(zhì),作為顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料計算的材料模型。

12:572011-12-323/29⑷M健三$院x.z.Lin

4.4材料力學(xué)性能的檢測

---------------------------------------------------------

材料的力學(xué)性能指標(biāo)是工程結(jié)構(gòu)安全設(shè)計的基礎(chǔ),主要包括

屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度、沖擊韌度、硬度、疲勞強(qiáng)度和

蠕變強(qiáng)度,以及伸長率、斷面收縮率等。

隨著科學(xué)技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,材料的力學(xué)性能的檢測范

圍變得越來越廣,檢測技術(shù)的要求也越來越高。電子技術(shù)、計算

機(jī)技術(shù)的引入,使材料力學(xué)性能檢測的實驗設(shè)備的自動化程度幾乎

達(dá)到了智能化,測量精度也大大提高。

⑷M黃N袈院X.Z.Lin

12:572011-12-324/29Sicbm*Ini""",ofSvien**

例:萬能材料試驗機(jī)的計算機(jī)輔助測試系統(tǒng)

(1)系統(tǒng)工作原理及主要裝置

r

力傳感器計---顯示器

;一放;轉(zhuǎn)算

檢,大卜換機(jī)

:—器,板

測引伸儀I打印機(jī)

圖7.3萬能材料試驗機(jī)的計算機(jī)輔助測試系統(tǒng)組成國

采用特殊的PWM數(shù)控電液比例微小流量閥:即可實現(xiàn)緩慢或

微小的位移控制,又能實現(xiàn)一定速度的試驗過程控制;既能作應(yīng)力

控控制,也能作應(yīng)變控制,還能作二者復(fù)合控制,且其控制范圍相當(dāng)

制寬

"由計算機(jī)、PWM流量閥和直接驅(qū)動流量閥的多功能板卡構(gòu)成

材料試驗機(jī)的PWM數(shù)字伺服系統(tǒng),使材料試驗機(jī)的控制精度、控

制穩(wěn)定性、控制范圍和軟件設(shè)汁的難易程度都有較大的改善。

⑷M黃N袈院X.Z.Lin

12:572011-12-325/29SiCtuUni""",oCence*

(2)系統(tǒng)軟件的組成

■多層菜單形式——有試驗參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和試

驗結(jié)果輸出等子菜單;

【二實時軟件濾波程序——在采樣過程中運行實時軟件濾波程序,

消除試驗過程中隨機(jī)干擾信號和周期性高

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