基于LabVIEW的應(yīng)變測量系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

馬志燕

（寶雞文理學(xué)院機電工程系，陜西 寶雞721000）

0 引言

應(yīng)變測量是機械工程中分析零件或結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)、評價材料力學(xué)性能、面內(nèi)變形場的高精度測量和研究某些物理現(xiàn)象機理的重要手段之一。傳統(tǒng)的應(yīng)變測量系統(tǒng)以應(yīng)變儀為主，由電橋、放大器、相敏檢波器、低通濾波器、穩(wěn)壓電源和振蕩器等組成，同時配備示波器和記錄儀等進行顯示和記錄數(shù)據(jù)。這樣的測試系統(tǒng)需要的設(shè)備比較多，設(shè)備之間必須具有很好的兼容性，同時硬件的增加也會是測量誤差增大。因此，傳統(tǒng)測試系統(tǒng)難以滿足多樣性、高精度的要求。Lab VIEW是美國國家儀器公司推出的一款圖形化編程語言測試系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺。這種圖形化的編程語言可以使用戶不需要編寫煩瑣的程序就可以進行測試系統(tǒng)的編寫，大大縮短了測試任務(wù)的開發(fā)時間，體現(xiàn)了極高的效率，并且在測試過程中可以用軟件代替硬件，使系統(tǒng)精度提高，穩(wěn)定性提高［1］。

1 應(yīng)變測量原理

電阻應(yīng)變片是將被測件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成電信號的敏感器件。其應(yīng)用最多的是金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。電阻應(yīng)變測試法是測力應(yīng)用最廣泛的一種測量方法，它就是將這種極薄的應(yīng)變片貼附在被測構(gòu)件表面，當(dāng)被測對象表面產(chǎn)生微小機械變形時，應(yīng)變片的電阻值也將發(fā)生相應(yīng)的變化，通過轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換成電量輸出，再換算成應(yīng)變值或者輸出與此應(yīng)變成正比的電信號，由記錄儀進行記錄，就可得到所測定的應(yīng)變或應(yīng)力［2－3］。

根據(jù)材料力學(xué)理論可知：

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)以測量紡織機械中的經(jīng)紗張力為例，詳細分析應(yīng)變測量系統(tǒng)的組成及其應(yīng)用。經(jīng)紗張力測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)紗線穿過軸時，紗線對兩邊的傳力桿有壓力，通過傳力桿將壓力傳給彈性梁，使之產(chǎn)生應(yīng)變，利用應(yīng)變片將其應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電阻的變化［4］。

圖1 測量結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。當(dāng)傳感器采集到零位置信號后，開始循環(huán)采集主軸編碼器和應(yīng)變式傳感器的輸出。按預(yù)定的采樣點采集結(jié)束后，用軟件的方法判斷每個轉(zhuǎn)速脈沖即主軸每轉(zhuǎn)0.5°時的上升沿，將每個上升沿所對應(yīng)的張力測試值取出。測量時取621根經(jīng)紗，計算平均單根經(jīng)紗張力隨轉(zhuǎn)角的變化。

圖2 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

測試系統(tǒng)主要是基于虛擬儀器技術(shù)而設(shè)計的，結(jié)合本課題的實際情況，在充分考慮了性價比及實用性的基礎(chǔ)上，采用計算機和DAQ多功能采集卡組建虛擬儀器的方案。通過應(yīng)變片式傳感器測量被測對象，將接收到的信號轉(zhuǎn)換為電量信號，DAQ數(shù)據(jù)采集卡將采集到的模擬電量信號轉(zhuǎn)換成計算機能夠處理的數(shù)字信號，然后通過設(shè)備驅(qū)動程序進入計算機，在LabVIEW軟件平臺下，調(diào)用信號處理子模塊，編寫儀器功能程序、功能算法，設(shè)計虛擬儀器前面板和框圖程序。

3 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

系統(tǒng)硬件部分主要包括電阻應(yīng)變片式傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、電橋盒和動態(tài)應(yīng)變儀等。

3.1 傳感器

采用MCL－T41型經(jīng)紗張力傳感器。張力傳感器采用橋式應(yīng)變片式，其輸出電壓的高低正比于紗線張力大小，經(jīng)標(biāo)定后，測出電壓即可換算出紗線張力。

3.2 數(shù)據(jù)采集卡

在本測試系統(tǒng)中，選取了NI公司研制開發(fā)的M系列的PXI－6251型多功能數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡插入機箱的左端第3個插槽。該數(shù)據(jù)采集卡是美國NI公司基于計算機的M系列的高精度多功能數(shù)據(jù)采集（DAQ）設(shè)備，它確保了高采樣率時測量的精確性。它提供16路模擬輸入，1.25MS／s單通道采樣速率，2路模擬輸出，24條數(shù)據(jù)I／O線。

3.3 應(yīng)變測量電橋設(shè)計

金屬電阻應(yīng)變片應(yīng)用于力學(xué)測量時，需要和電橋電路一起使用。

電橋的基本原理如圖3所示。R1，R2，R3，R44個電阻依次接在A，B，C，D之間，構(gòu)成電橋的4橋臂。電橋的對角AC接電源，供橋電壓為E；對角BD為電橋的輸出端，其輸出電壓用UDB表示。可以證明UDB與橋臂電阻有如下關(guān)系：

若4個橋臂電阻由貼在構(gòu)件上的4枚電阻片組成，而且初始電阻R1＝R2＝R3＝R4，當(dāng)輸出電壓UDB＝0時，電橋處于平衡狀態(tài)，當(dāng)構(gòu)件變形時，各電阻的變化量分別為 ΔR1，ΔR2，ΔR3，ΔR4，輸出電壓的相應(yīng)變化為：

圖3 電橋的原理

測試系統(tǒng)經(jīng)傳感器中的應(yīng)變片接入電橋盒，通過電橋電路將應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓后輸出。電橋盒接線方法如圖4所示，共有1～8個接線柱。橋盒內(nèi)部5、8之間接有標(biāo)準(zhǔn)電阻R′3，7、8之間接有標(biāo)準(zhǔn)電阻R′4。在進行單臂、半橋測量時如圖4a所示，將儀器備用的3個短路片分別將1－5、3－7及4－8連接起來，這樣R′3，R′4可作為內(nèi)半橋使用，R1，R2為傳感器上的應(yīng)變片的電阻。在作對臂測量或全橋測量時如圖4b所示，將3個短路片全部拆下，4個應(yīng)變片按（1，2）、（2，3）、（3，4）及（4，1）順序連接即可。

圖4 電橋盒的接線

3.4 放大電路設(shè)計

在該測試過程中，傳感器感應(yīng)的電阻信號經(jīng)測量電橋后所產(chǎn)生的電壓信號很小，難以直接用來顯示、記錄和控制，必須經(jīng)過放大。為了提高輸入信號電平，提高測量精度和靈敏度，進行后續(xù)的分析處理，選用了YE3815A型單通道動態(tài)應(yīng)變儀。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊可以進行有關(guān)采集的各種設(shè)置，如輸入模式、分辨率、輸入范圍、采樣速率和采樣通道等，并顯示采集數(shù)據(jù)，其測試模塊控制面板如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集模塊面板

4.2 軟件濾波模塊

經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換和放大器放大的信號，由于測試環(huán)境的電磁干擾以及傳感器和放大器自身的影響，往往會含有多種頻率成分的噪聲信號，它們會淹沒待提取的輸入信號，為了保證測試精度，就需要對信號進行濾波。系統(tǒng)應(yīng)用了軟件編程替代傳統(tǒng)硬件完成數(shù)字濾波任務(wù)，大大簡化系統(tǒng)中信號輸入通道的結(jié)構(gòu)，而且不需要高精度的元件，降低了測試系統(tǒng)的價格。濾波模塊控制面板如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)濾波模塊面板

系統(tǒng)采用的3點平均非遞歸型數(shù)字濾波器，其數(shù)學(xué)模型為：

同時選用6階巴特沃思濾波器對瞬時信號濾波。巴特沃思濾波器［5］是一種所謂最平通帶特性逼近低通特性的濾波器，其幅頻特性為：

n＝1，2，3，…為濾波器的階次，n值直接影響到濾波效果。本測試系統(tǒng)選用n＝6。

4.3 數(shù)據(jù)存儲模塊

對于實時信號測量中所采集的大量數(shù)據(jù)，一般要求存儲數(shù)據(jù)以備處理、分析。系統(tǒng)采用專門的輸出數(shù)據(jù)保存模塊，對測試的結(jié)果進行實時存儲，以滿足用戶文檔存儲以及資料攜帶的需要。另外，計算機通過與外圍設(shè)備的連接，使得儀器在測試狀態(tài)和分析狀態(tài)下均可以打印測試報告，測試報告的輸出格式可以自行定義。這個數(shù)據(jù)保存模塊運行后，以文本格式保存所有的數(shù)據(jù)，關(guān)于保存格式也可以選用其他格式，完全視情況而定。

4.4 系統(tǒng)參量的輸入與顯示

界面是編程者和使用者之間溝通的媒介，本測試系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)，包括信號采集過程中的觸發(fā)源、觸發(fā)方式、采樣率等，以及數(shù)據(jù)處理過程中的濾波點數(shù)、顯示周期等，都可以根據(jù)實際情況進行靈活的設(shè)置；系統(tǒng)輸出參數(shù)，可以根據(jù)要求顯示出需要觀察的值，例如最大值、最小值等，從而為測試系統(tǒng)在一定的工作條件下性能、位移等研究提供一定的依據(jù)；同時還可以為了提高可視性，提供實時測試的曲線圖和操作按鈕，在數(shù)字表明一些主要測試結(jié)果參量的基礎(chǔ)之上，可以直觀地觀測出動態(tài)測試曲線圖，了解系統(tǒng)實時變化情況，更有利于對于測試對象特性的分析與研究。

5 結(jié)束語

基于虛擬儀器技術(shù)軟硬件結(jié)合構(gòu)建的應(yīng)變測量系統(tǒng)，運用其硬件結(jié)構(gòu)簡單，易于功能擴展，性能穩(wěn)定可靠，軟件界面友好易于操作等功能［6］，滿足了應(yīng)變測試系統(tǒng)中測試不同參量時對測試儀器提出的各種不同要求，同時用經(jīng)紗張力測試為例驗證系統(tǒng)的可行性以及準(zhǔn)確性。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，為在此基礎(chǔ)上的遠程測試提供了發(fā)展方向。系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義和推廣價值，是傳統(tǒng)動態(tài)應(yīng)變儀的理想替代產(chǎn)品。

［1］ 李全江.虛擬儀器設(shè)計測控應(yīng)用典型實例［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

［2］ 陳 艾.敏感材料與傳感器［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［3］ 陳花玲.機械工程測試技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

［4］ 夏金國，李金海.織造機械［M］.北京：中國紡織出版社，1999.

［5］ 曹玲芝.現(xiàn)代測試技術(shù)及虛擬儀器［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

［6］ 張 毅，周紹磊，楊秀霞.虛擬儀器技術(shù)分析與應(yīng)用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004.