基于虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)變測(cè)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(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用。虛擬儀器技術(shù)具有性能高，擴(kuò)展性強(qiáng)，開發(fā)時(shí)間少及出色的集成能力等優(yōu)勢(shì)。基于虛擬儀器技術(shù)可以開發(fā)適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)合的虛擬儀器測(cè)試方案，更好地組建自動(dòng)化程度較高，數(shù)據(jù)處理分析能力較強(qiáng)的測(cè)試系統(tǒng)口。Lab-VIEW是一個(gè)具有革命性的圖形化開發(fā)環(huán)境，內(nèi)置信號(hào)采集、測(cè)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(fù)雜性，在提供強(qiáng)大功能的同時(shí)，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(gè)環(huán)境中，可以在自己的平臺(tái)上無(wú)縫地集成一套完整的應(yīng)用方案Ⅲ。正因?yàn)榫哂腥绱司薮蟮膬?yōu)點(diǎn)，使它成為建立測(cè)試與測(cè)控系統(tǒng)的最佳選擇。

1 應(yīng)變測(cè)量原理
    半導(dǎo)體應(yīng)變片可用于應(yīng)力測(cè)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(shí)現(xiàn)的。
    在金屬絲變形的彈性范圍內(nèi)，電阻的相對(duì)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(cè)量應(yīng)變或應(yīng)力時(shí)，是將應(yīng)變片粘貼于被測(cè)對(duì)象上，在外力作用下，被測(cè)對(duì)象表面產(chǎn)生微小機(jī)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(dāng)壓力F在一定范圍內(nèi)時(shí)，應(yīng)變?chǔ)舩以一個(gè)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(duì)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(cè)量電路。這種橋式測(cè)量電路，可以靈敏地測(cè)量極微小的電阻變化。當(dāng)彈性體受物體作用時(shí)，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(huì)引起電橋的不平衡，因而輸出電壓信號(hào)，該信號(hào)與梁端的受力F成正比。

    當(dāng)力F使單個(gè)應(yīng)變片的電阻變化△R時(shí)，全橋測(cè)量電路的輸出電壓U0=U△R／R。應(yīng)變測(cè)試過(guò)程如圖2所示。

    其中，信號(hào)調(diào)理電路包括信號(hào)放大和濾波，其作用是對(duì)信號(hào)進(jìn)行必要的調(diào)理。如果選用NI公司具有信號(hào)調(diào)理模塊的數(shù)據(jù)采集卡，則不必再另外設(shè)計(jì)信號(hào)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(jì)信號(hào)調(diào)理電路。

2 應(yīng)變片選用——BP型半導(dǎo)體應(yīng)變片
    BP型半導(dǎo)體應(yīng)變片可用于應(yīng)力測(cè)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(jī)械滯后小，體積小，耗電少等優(yōu)點(diǎn)。其高的靈敏度使輸出信號(hào)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(jiǎn)單儀表就可以直接記錄測(cè)量結(jié)果，因而使得測(cè)量?jī)x表大為簡(jiǎn)化；再加上它的機(jī)械滯后小，可以測(cè)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(dǎo)彈、飛機(jī)等制造工業(yè)及遙測(cè)系統(tǒng)中，半導(dǎo)體應(yīng)變片具有獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值。
    BP-6-120型半導(dǎo)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(hào)濾波電路
    從應(yīng)變片組成的電橋電路中出來(lái)的電壓信號(hào)通常會(huì)伴隨著噪聲、振動(dòng)等于擾，為了得到較為準(zhǔn)確的低頻應(yīng)變信號(hào)，在將采集到的應(yīng)變信號(hào)送到計(jì)算機(jī)之前，需要進(jìn)行濾波處理。雙二階環(huán)濾波電路利用兩個(gè)以上的加法器、積分器等組成的運(yùn)算放大電路，根據(jù)要求的傳遞函數(shù)，引入適當(dāng)?shù)姆答?，?gòu)成濾波電路。其突出特點(diǎn)是電路靈敏度低，特性非常穩(wěn)定，并可實(shí)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(shí)，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(huì)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(cè)量結(jié)果中反映出來(lái)。
4．2 溫度補(bǔ)償
    作為測(cè)量電橋的四個(gè)臂，當(dāng)稱重時(shí)受到負(fù)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(gè)應(yīng)變片組成差動(dòng)電橋，輸出特性的線性度好，并且還具有溫度補(bǔ)償作用。輸出應(yīng)變信號(hào)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(yù)調(diào)零點(diǎn)
    為測(cè)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(lái)達(dá)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(dá)到調(diào)零的作用。

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

    啟動(dòng)應(yīng)用程序，輸入相關(guān)測(cè)試參數(shù)和采樣數(shù)據(jù)存放路徑，點(diǎn)擊“采集數(shù)據(jù)”開始，進(jìn)行應(yīng)變量的采集，點(diǎn)擊處理數(shù)據(jù)，程序?qū)λ蓸訑?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)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(cè)量實(shí)驗(yàn)前面板。

    基于LabVIEW圖形化的編程方式直接簡(jiǎn)便，使得程序更加簡(jiǎn)潔，降低程序的開發(fā)難度，減少程序的開發(fā)時(shí)間。本軟件設(shè)計(jì)主要完成應(yīng)變信號(hào)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(jì)框圖如圖7所示。 

6 結(jié) 語(yǔ)
    介紹在LabVIEW平臺(tái)下設(shè)計(jì)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的方法。LabVIEW在測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域有著卓越的優(yōu)勢(shì)，是儀器開發(fā)領(lǐng)域的一個(gè)新的發(fā)展方向。該文給出了它的一個(gè)簡(jiǎn)單應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)力應(yīng)變信號(hào)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和檢測(cè)。