基于虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)變測量

0 虛擬儀器技術(shù)與LabVIEW
    虛擬儀器技術(shù)是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用。虛擬儀器技術(shù)具有性能高，擴展性強，開發(fā)時間少及出色的集成能力等優(yōu)勢?；?strong>虛擬儀器技術(shù)可以開發(fā)適應(yīng)不同應(yīng)用場合的虛擬儀器測試方案，更好地組建自動化程度較高，數(shù)據(jù)處理分析能力較強的測試系統(tǒng)口。Lab-VIEW是一個具有革命性的圖形化開發(fā)環(huán)境，內(nèi)置信號采集、測量分析與數(shù)據(jù)顯示功能，摒棄了傳統(tǒng)開發(fā)工具的復雜性，在提供強大功能的同時，還保證了系統(tǒng)的靈活性；LabVIEW將廣泛的數(shù)據(jù)采集、分析與顯示功能集中在同一個環(huán)境中，可以在自己的平臺上無縫地集成一套完整的應(yīng)用方案Ⅲ。正因為具有如此巨大的優(yōu)點，使它成為建立測試與測控系統(tǒng)的最佳選擇。

1 應(yīng)變測量原理
    半導體應(yīng)變片可用于應(yīng)力測量和應(yīng)力分析，以及作為各種傳感器的力一電轉(zhuǎn)換元件，它基于金屬絲在受拉或受壓后發(fā)生彈性形變，其電阻值也隨之產(chǎn)生相應(yīng)的變化這一物理特性實現(xiàn)的。
    在金屬絲變形的彈性范圍內(nèi)，電阻的相對變化△R／R與應(yīng)變△L／L成正比，因而△R／R=K△L／L。其中，K為電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。用應(yīng)變片測量應(yīng)變或應(yīng)力時，是將應(yīng)變片粘貼于被測對象上，在外力作用下，被測對象表面產(chǎn)生微小機械變形，粘貼在其表面上的應(yīng)變片亦隨其發(fā)生相同的變化，因此應(yīng)變片的電阻也發(fā)生相應(yīng)的變化。當壓力F在一定范圍內(nèi)時，應(yīng)變εx以一個常數(shù)正比于F。

   
式中：L為兩孔中心距的50％；E為梁的彈性模量；b為梁的寬度；h為孔上下最薄處的厚度。
    如圖1所示，在雙孔梁的上下兩端面分別對應(yīng)孔的頂端處貼上電阻應(yīng)變片，將它們按圖1(b)所示的方式組成全橋測量電路。這種橋式測量電路，可以靈敏地測量極微小的電阻變化。當彈性體受物體作用時，彈性體便產(chǎn)生彈性形變，粘在其表面的電阻應(yīng)變片則隨其同步變形，因而改變了它們的電阻值。由于電阻應(yīng)變片組成的橋式電路是平衡的，而電阻應(yīng)變片的電阻變化會引起電橋的不平衡，因而輸出電壓信號，該信號與梁端的受力F成正比。

    當力F使單個應(yīng)變片的電阻變化△R時，全橋測量電路的輸出電壓U0=U△R／R。應(yīng)變測試過程如圖2所示。

    其中，信號調(diào)理電路包括信號放大和濾波，其作用是對信號進行必要的調(diào)理。如果選用NI公司具有信號調(diào)理模塊的數(shù)據(jù)采集卡，則不必再另外設(shè)計信號調(diào)理電路。本文選用LabJack公司的U12數(shù)據(jù)采集卡作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，設(shè)計信號調(diào)理電路。

2 應(yīng)變片選用——BP型半導體應(yīng)變片
    BP型半導體應(yīng)變片可用于應(yīng)力測量和應(yīng)力分析，并作為各種傳感器的力-電轉(zhuǎn)換元件。它們具有靈敏度高(比金屬應(yīng)變片大50～100倍左右)，機械滯后小，體積小，耗電少等優(yōu)點。其高的靈敏度使輸出信號電平增大幾十倍，所以不必采用放大器而直接用電壓表或示波器等簡單儀表就可以直接記錄測量結(jié)果，因而使得測量儀表大為簡化；再加上它的機械滯后小，可以測量靜態(tài)應(yīng)變、低頻應(yīng)變等，在許多新技術(shù)中，如火箭、導彈、飛機等制造工業(yè)及遙測系統(tǒng)中，半導體應(yīng)變片具有獨特的應(yīng)用價值。
    BP-6-120型半導體應(yīng)變片技術(shù)參數(shù)：
    硅絲尺寸為6mm×0．4 mm×0．05 mm；基底尺寸為10 mm x 6 mm；靈敏系數(shù)120；電阻溫度系數(shù)小于0．2％；靈敏度溫度系數(shù)小于0．16％；允許工作電流25 mA；允許最大應(yīng)變2 000με；極限工作溫度100℃。

3 信號濾波電路
    從應(yīng)變片組成的電橋電路中出來的電壓信號通常會伴隨著噪聲、振動等于擾，為了得到較為準確的低頻應(yīng)變信號，在將采集到的應(yīng)變信號送到計算機之前，需要進行濾波處理。雙二階環(huán)濾波電路利用兩個以上的加法器、積分器等組成的運算放大電路，根據(jù)要求的傳遞函數(shù)，引入適當?shù)姆答?，?gòu)成濾波電路。其突出特點是電路靈敏度低，特性非常穩(wěn)定，并可實現(xiàn)多種濾波功能，這里使用低通濾波。具體電路如圖3所示。

    構(gòu)成低頻濾波器時，電路固有頻率和通帶增益如下：

   
4．1 電阻片的溫度效應(yīng)
    電阻片由金屬材料制成，它的阻值隨著溫度的變化也將產(chǎn)生變化。另外，由于試件和電阻材片的線性膨脹系數(shù)不同，從而會使電阻片的阻值發(fā)生變化。溫度變化引起的電阻變化是客觀存在的，但不希望在測量結(jié)果中反映出來。
4．2 溫度補償
    作為測量電橋的四個臂，當稱重時受到負載F的作用后，R1，R2受拉伸阻值增加，R3，R4受壓縮阻值下降，四個應(yīng)變片組成差動電橋，輸出特性的線性度好，并且還具有溫度補償作用。輸出應(yīng)變信號電壓為：

   
式中：ε1，ε2，ε3，ε4分別為各橋臂應(yīng)變片感受的應(yīng)變量；εT為各應(yīng)變片隨溫度變化所產(chǎn)生的應(yīng)變量。
4．3 橋路預調(diào)零點
    為測量方便起見，在試件變形前，要求電橋起始輸出電壓等于零，即U0=0。要挑選完全一樣的電橋電阻是很困難的，可以采取在電橋上調(diào)零的措施來達到使其平衡的目的。這里采用并聯(lián)電阻法，如圖4所示。調(diào)整電位器Ra，使R3，R4上并聯(lián)的電阻得到調(diào)整，以達到調(diào)零的作用。

5 測量系統(tǒng)硬件組成和軟件設(shè)計
    系統(tǒng)硬件部分主要包括雙孔梁、BP-6-120型半導體應(yīng)變片、全橋電路、通用PC機、數(shù)據(jù)采集卡、信號調(diào)理電路。利用NI公司的LabVIEW 8.0軟件作為程序設(shè)計編譯環(huán)境和工具。
    本系統(tǒng)選用較簡單的測量程序流程，如圖5所示。

    啟動應(yīng)用程序，輸入相關(guān)測試參數(shù)和采樣數(shù)據(jù)存放路徑，點擊“采集數(shù)據(jù)”開始，進行應(yīng)變量的采集，點擊處理數(shù)據(jù)，程序?qū)λ蓸訑?shù)據(jù)進行計算處理，得出在力F作用下的應(yīng)變值。圖6所示為雙孔梁應(yīng)變測量實驗前面板。

    基于LabVIEW圖形化的編程方式直接簡便，使得程序更加簡潔，降低程序的開發(fā)難度，減少程序的開發(fā)時間。本軟件設(shè)計主要完成應(yīng)變信號數(shù)據(jù)的采集、管理、處理分析與結(jié)果輸出等。程序設(shè)計框圖如圖7所示。 

6 結(jié) 語
    介紹在LabVIEW平臺下設(shè)計應(yīng)變測量系統(tǒng)的方法。LabVIEW在測試測量領(lǐng)域有著卓越的優(yōu)勢，是儀器開發(fā)領(lǐng)域的一個新的發(fā)展方向。該文給出了它的一個簡單應(yīng)用，實現(xiàn)了對應(yīng)力應(yīng)變信號的實時數(shù)據(jù)采集和檢測。