基于PCI1713和LabVIEW的材料力學綜合試驗裝置

張春青，于桂賓，劉春哲，蔡廣新

(承德石油高等專科學校機械工程系，河北 承德 067000)

材料力學性能的測試不僅是高校材料力學的課程的一部分內容，而且也是企業及科研人員常用的一種材料性能測試手段，是結構設計必做的實驗項目之一，因此對測試方法和測量精度要求較高，本試驗裝置是采用臺灣研華的PCI1713高速采集卡和美國國家儀器公司(簡稱NI公司)的軟件Labview進行開發的，測試數據精確，可移植性好，能進行靜動態測量［1］。

1 測試系統組成

系統組成以PCI1713高速數據采集卡為核心，將應變儀的直流電橋輸出的電壓經過信號調理電路處理來滿足數據采集卡對采集信號的要求，利用LabVIEW編程完成對數據的實時采集測量和數據處理。總體設計框圖如圖1所示。

2 應變儀

應變儀部分主要由測試梁、粘貼在梁上的應變片及加載梁構成(如圖2所示)。1～5為測量片，0為溫度補償片(消除隨著溫度電阻應變片的阻值的變化)，位于不受力的梁端，起溫度補償作用。選用應變片的靈敏系數為2.0，電阻為120 Ω，采用雙面貼片，可構成1/4橋，半橋和全橋測量。

3 信號調理系統

由于應變片電橋的輸出為微弱的直流信號，而PCI1713采集卡需要的是1－5V的標準信號，為此設計信號調理電路將其放大。其次從電橋輸出的信號易受到噪聲和震動的干擾，因此設計放大電路時，應考慮到濾波功能。

雙二階環濾波電路是采用兩個以上的積分器、加法器等組成的運算放大電路，可根據要求的傳遞函數，引入適當的反饋，構成濾波電路。其突出特點是電路靈敏度低，特性非常穩定，并可實現高通、低通、帶通、帶阻等多種濾波功能［2］，本系統采用了 TI公司的四通道運放OPA404，設計了一個雙二階環濾波電路。本系統選用的是低通濾波，具體電路如圖3所示。

構成低頻濾波器時，電路固有頻率和通帶增益如下:

式中，RG:上拉電阻，kΩ，RC:濾波電阻，kΩ，R1，R2:比較器電阻，kΩ，RF1，RF2:反饋電阻，kΩ，C1，C2:濾波電容，PF。

4 數據采集卡

信號調理單元輸出的信號經數據采集卡并轉換為供計算機讀取數字信號。采集卡選用研華公司的基于PCI總線的數據采集卡PCI-1713，它有32通道隔離模擬量輸入，其特點如下:

1)具有32路單端輸入或者16路差分輸入，滿足本系統的6個測量參數的要求，同時留有一定的擴展余地。

2)具有12位的A/D轉換器，轉換精度高，轉換時間為 2.5 μs。

3)采樣頻率可達100 kHz，能夠實時反映系統參數的變化。

4)通道增益可編程。

由于來自傳感器或應變片的的信號比較容易受到干擾影響，尤其是共模干擾(主要是由數據采集卡PCI1713地電位和信號源地電位不完全相等造成)，采用模擬量的差分輸入可以消除模擬量的共模干擾。如果信號源比較干凈，可以采用單端輸入的方式。本系統采用差分輸入模式，其模擬輸入信號連接方式如圖4所示。

圖4中，Vs為待測量的模擬信號，Vcm為待測量模擬信號地與PCI1713地之間的共模電壓。

5 數據采集及處理

采集軟件采用LabVIEW編程完成實時顯示測量結果，測試界面見圖5所示。在圖2所示的位置施加載荷，點擊測試界面的測量按鈕，就會測得該載荷下，5個點的應變情況，然后逐級增加載荷。

根據公式 σ =Eε，得 Δσi實=EΔεi平均(Δεi平均為第 i點應變增量的平均值)，測完后點擊數據處理就可以由軟件自動計算出結果，并與理論值進行比較。

結合ansys軟件繪制受力后的變形狀況，圖6所示的是梁彎曲實驗中加載后梁的變形圖，在實驗過程中還可以看到梁變形的動畫演示，更加深了學生對此內容的理解。

本測試系統不僅可以對已知梁材料進行的測量，計算結果與理論值比較，來驗證彎曲正應力公式，而且還可以根據測試曲線，根據來反求測試材料的類型。應力增量的理論值由

式中，Fa:試驗力，N，a:梁支撐間距離，mm，b:梁寬度，mm，h:梁高度，mm，y:測點距梁端點距離，mm。

按照圖2所示的裝置尺寸計算出σ，由測試系統可直接測出應變的值，因而由公式σ=Eε可求出被測梁的彈性模量。在彈性范圍內，逐級增加載荷，分別求出彈性模量的值，取其平均值。根據測試軟件繪制的應力-應變的曲線圖，曲線的斜率即為E，對比求出的平均值和斜率，從而判斷出梁(被測構件)的材料［3，4］。

6 結束語

該測試系統具備以下功能

1)自動采集數據，實時顯示測量曲線。

2)強大的數據處理功能，與ansys相結合，繪制受力后的變形圖及應力云圖。

3)具有數據庫管理功能，可以查詢已做的試驗結果

4)系統適應性強，可適應各種場合和任何電阻值的應變信號輸入。

5)系統不僅能測試已知材料的應力應變，而且還可以根據測試數據繪出的應力-應變曲線的求出被測件材料的彈性模量，從而推斷被測構件的材料。

通過該測試系統，不僅可以在一臺計算機上完成應力應變的自動測試，降低測試成本，提高測試效率，增強系統的靈活性，同時給教學實驗帶來很大的方便，通過實時曲線和變形動畫，一方面提高學生學習興趣，另一方面也加深了對理論知識的理解。同時該系統在一定程度上為鑒定金屬材料的主要成分提供了一種先進可行的辦法。

［1］趙海新，左明偉，孫曉娜.電子點火與電控熱油噴射實驗教學系統設計［J］.承德石油專科學校學報，2013，15(2):55 －59，62.

［2］張國雄，金篆芷.測控電路［M］.北京:機械工業出版社，2001.

［3］朱玉萍，蘇 虹，戴樂云，等.應變電測的灰色建模方法［J］.江蘇大學學報(自然科學版)，2002，23(6):95－98.

［4］NEEBELDanial J，BLANDINO Joseph R，LAWRENCEDavid J.Stress and strain［J］.College ofIntegratedSci-ence andT-echnologyJamesMadisonUniversity，2002，20(2):103 －110.