虛擬儀器高溫應變測量系統(tǒng)

尹曰雷，王文瑞，胡　挺，任　欣

虛擬儀器高溫應變測量系統(tǒng)

尹曰雷，王文瑞，胡挺，任欣

（北京科技大學機械工程學院，北京100083）

高溫環(huán)境下進行應變測量時，溫度會對應變片的靈敏度、熱輸出、零漂和蠕變等參數(shù)特性產(chǎn)生影響，需要采取有效措施來保證測量結果的準確度。該文針對高溫對應變片參數(shù)特性的影響，采用標定數(shù)據(jù)跟蹤及自動處理的方法對應變測量數(shù)據(jù)進行修正補償，并開發(fā)配套的高溫應變測量系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)可對應變測試數(shù)據(jù)進行自動補償修正，從而得到滿足測量準確度要求的應變數(shù)據(jù)，此外該系統(tǒng)還可實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的實時顯示、存儲、回放和打印輸出等功能。試驗驗證表明：該測試系統(tǒng)對高溫應變測量具有較好的適用性，能有效地提高高溫應變測量的準確度。

高溫應變；虛擬儀器；應變測量系統(tǒng)；自動補償

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2015.09.018

0　引言

高溫應變測量技術在航空航天、化學、冶金工業(yè)等部門的應用越來越普遍，高溫環(huán)境對應變準確測量的影響往往是工程中的難點［1］。在高溫環(huán)境下，溫度會對應變片的靈敏度、熱輸出、零漂及蠕變等參數(shù)特性產(chǎn)生影響，測量數(shù)據(jù)的誤差往往比真實值還大，從而難以獲得高準確度的測量結果［2］。傳統(tǒng)的測量系統(tǒng)使用儀器多、儀器之間必須匹配，且難以對測量過程中的誤差進行有效的修正，存在技術更新周期長、開發(fā)維護費用高等缺點，難以滿足高溫測量的要求［3-5］。虛擬儀器技術作為儀器領域的新興技術，為高溫應變的測量提供了一種新的方法和途徑。虛擬儀器技術是計算機技術與儀器技術深層次結合而產(chǎn)生的全新概念的技術，它把現(xiàn)成即用的商業(yè)技術與創(chuàng)新的軟硬件平臺相集成，從而為工業(yè)控制及測量提供了一種新的解決方案［6-8］。

由于高溫測量的特殊性，目前尚缺少對高溫應變測量數(shù)據(jù)根據(jù)應變片參數(shù)特性進行實時補償修正、顯示的測量系統(tǒng)。本文針對高溫環(huán)境下應變測量的特點，開發(fā)了基于虛擬儀器技術的高溫應變測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)測量結果的自動修正、補償、顯示及自動回放等功能。通過實驗驗證了測量系統(tǒng)對于高溫應變測量的適用性，為高溫應變測量提供了一種可行的方法，且測試系統(tǒng)簡單方便，軟件是該系統(tǒng)的核心，整個系統(tǒng)的更新只需要通過軟件升級即可實現(xiàn)。

1　高溫應變測量系統(tǒng)原理

高溫應變測量系統(tǒng)主要由傳感器、應變信號調(diào)理儀、數(shù)據(jù)采集卡、計算機以及應用軟件組成，如圖1所示。硬件部分主要完成應變數(shù)據(jù)的采集，由軟件對采集到的信號進行修正補償，得到滿足要求的測量數(shù)據(jù)。

圖1　高溫應變測試系統(tǒng)

高溫環(huán)境下，當構件受力產(chǎn)生應變時，貼在構件上的電阻應變片會將應變信號轉(zhuǎn)化為電阻的變化，應變信號調(diào)理儀將應變片阻值的變化轉(zhuǎn)化為電信號，同時應變信號調(diào)理儀收到熱電偶傳來的溫度信號，應變調(diào)理儀將傳過來的應變信號和溫度信號進行放大等處理，使之達到數(shù)據(jù)采集卡的采集范圍并傳遞給數(shù)據(jù)采集卡；數(shù)據(jù)采集卡對信號調(diào)理儀傳過來的信號進行采樣、量化和編碼，將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，經(jīng)過轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號被送入計算機；由軟件部分對采集到的應變數(shù)據(jù)進行補償修正、存儲回放等功能，并將修正后的結果實時顯示出來。

2　高溫應變測量系統(tǒng)硬件設計

應變測量系統(tǒng)的硬件主要由傳感器、應變信號調(diào)理儀、數(shù)據(jù)采集卡以及計算機4部分組成。

與常溫應變測量相比，高溫應變測量需要采用專門的電阻應變片，本文采用的應變片柵絲材料為高溫鐵鉻鋁，該應變片經(jīng)試驗驗證可用于1000℃內(nèi)高溫應變測量。應變信號調(diào)理儀為1861應變調(diào)理器，可實現(xiàn)8通道動態(tài)應變測量，內(nèi)含橋壓供給、信號放大、低通濾波、預平衡等單元，可將應變信號進行放大、濾波處理，以達到數(shù)據(jù)采集卡的采集范圍。數(shù)據(jù)采集卡采用USB2821數(shù)據(jù)采集卡，該采集卡具有12位轉(zhuǎn)換精度，其連接方式可為AD單端輸入連接方式和AD雙端輸入連接方式，最大可實現(xiàn)32通道數(shù)據(jù)的同時采集（單端輸入連接方式）。由計算機對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，得到修正后的應變信號。

3　高溫應變測量系統(tǒng)軟件設計

軟件是高溫應變測量系統(tǒng)的核心，收到的應變信號在計算機軟件中完成自動修正補償、顯示、分析處理等。根據(jù)實際測量的需求，軟件主要包括參數(shù)設置模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、波形顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和波形回放模塊，如圖2所示。

圖2　測量軟件模塊圖

參數(shù)設置模塊：參數(shù)設置模塊是軟件的重要組成部分，該模塊的功能是根據(jù)測量環(huán)境和要求的不同來設置采集參數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)、材料參數(shù)以及通道參數(shù)等，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析處理、顯示等提供參數(shù)依據(jù)。

數(shù)據(jù)處理模塊：數(shù)據(jù)處理模塊是高溫應變測試模塊的核心，該模塊根據(jù)標定的靈敏度、熱輸出、零漂及蠕變的值，對采集到的應變信號進行補償修正，從而得到滿足精度要求的測量結果。

波形顯示模塊：波形顯示模塊是利用圖形來顯示測量結果，可以更加直觀地看出被測量的數(shù)據(jù)變化趨勢。

數(shù)據(jù)存儲模塊：高溫應變測試系統(tǒng)從測試開始到結束都需要一定的時間，而且是適時高速的數(shù)據(jù)采集，這將會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲模塊是對采集到的數(shù)據(jù)進行存儲以方便后期數(shù)據(jù)分析處理。

波形回放模塊：波形回放模塊可以完成對數(shù)據(jù)存儲模塊存儲的數(shù)據(jù)的查看分析，可以同時顯示4個通道的應變值，同時還可以顯示每個通道的應變平均值和最大值。軟件的界面如圖3所示。

測量軟件對測量數(shù)據(jù)采用曲線修正法［9］。數(shù)據(jù)測量之前，數(shù)據(jù)處理模塊將從常溫到最高溫度之間應變片的靈敏度、熱輸出、零漂和蠕變值保存到軟件的數(shù)據(jù)庫中。測量時，首先根據(jù)測量環(huán)境的不同對參數(shù)設置模塊進行設置，數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)數(shù)據(jù)采集卡采集到的溫度信號對標定的數(shù)據(jù)進行三次樣條插值［10-11］，找出對應溫度下的熱輸出、靈敏度、零漂和蠕變，對采集到的應變信號進行補償修正，從而得到滿足測量精度的測量結果，波形顯示模塊將修正后的結果顯示出來。數(shù)據(jù)存儲模塊負責將修正的數(shù)據(jù)和參數(shù)設置模塊設置的參數(shù)進行保存。波形回放模塊利用存儲的應變數(shù)據(jù)和設置的參數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的回放。軟件數(shù)據(jù)處理的流程圖如圖4所示。

圖4　高溫測量系統(tǒng)界面圖

圖4　數(shù)據(jù)處理流程圖

4　實驗驗證

在采用標定裝置標定應變片在不同溫度下的靈敏度、熱輸出、零漂、蠕變之后利用測量系統(tǒng)進行試驗。測試實驗用梁材料為GH99，尺寸為420mm× 30mm×5.70mm。首先，實驗需要在常溫下加載70 kg的載荷，并經(jīng)過3次預加載。然后分別在常溫、200℃、400℃、600℃、800℃下進行測試試驗，在20℃和800℃環(huán)境下加載70kg時，測試構件的指示應變?nèi)鐖D5、圖6所示。實驗進行了3組，每組有4個應變片，12組數(shù)據(jù)應變的平均值如表1所示。

表1　測量應變值和測量誤差

圖5　20℃時測試系統(tǒng)的指示應變

圖6　800℃時測試系統(tǒng)的指示應變

實驗采用位移加載的加載方式將位移加載到5.900mm，得到在常溫、200℃、400℃、600℃、800℃下應變片的測量誤差，分別為-1.3%、4.66%、8.62%、-12.51%、-14.15%隨著溫度的增加，測量誤差也隨之增加。在工程測試中，600℃以下要求測量誤差＜20%，在600～800℃要求測量誤差＜30%，因此測試系統(tǒng)可以滿足測量要求。

5　結束語

基于虛擬儀器的高溫應變測量系統(tǒng)可以實現(xiàn)溫度和應變的同時測量，能夠自動補償測量數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)的自動補償修正，減小了高溫環(huán)境測量時靈敏度、熱輸出、零漂和蠕變等對測量結果準確度的影響，從而得到了能夠滿足測量精度要求的數(shù)據(jù)，完成了高溫環(huán)境下的應變測試。實驗結果表明該系統(tǒng)對常溫至800℃下的構件的應變進行測量時均具有良好的測量結果。

［1］張佳明，王文瑞，聶帥.高溫電阻應變片特性參數(shù)標定實驗研究［J］.中國測試，2014，40（5）：25-28.

［2］陸敏恂，粟亮，劉曉東.高溫應變測試方法與測試系統(tǒng)開發(fā)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2006，25（12）：39-42.

［3］馬紅，羅群生，何建榮，等．高溫下基于虛擬儀器技術的應變、溫度測試［J］.核電子學與探測技術，2003，23（6）：596-598．

［4］高占鳳，杜彥良.基于虛擬儀器技術的光纖應變測試系統(tǒng)［J］.傳感技術學報，2006，19（6）：2396-2398.

［5］王文軍.機械量虛擬儀測試系統(tǒng)研究與開發(fā)［D］.西安：西安工業(yè)大學，2001.

［6］秦樹人，張思復，湯寶平.集成測試技術與虛擬儀器［J］.中國機械工程，1999，10（1）：77-80．

［7］盧亞峰，陳義軍，溫新岐，等.虛擬儀器技術研究與展望［J］.國外電子測量技術，2010，29（11）：30-32．

［8］王憬琦.基于虛擬儀器的自動測試系統(tǒng)開發(fā)方法的研究［D］．成都：四川大學，2005.

［9］吳東，陳德江，張松賀，等.高超聲速飛行器典型部件高溫應變測量［J］.導彈與航天運載技術，2013（6）：30-34.

［10］陳文略，王子羊.三次樣條插值在工程擬合中的應用［J］.華中師范大學學報，2004，38（4）：418-424.

［11］徐小勇，鐘太勇.三次樣條插值函數(shù)的構造與Matlab實現(xiàn)［J］.自動測量與控制，2006，25（11）：76-78.

H igh tem perature strain measurement based on virtual instrument technology

YIN Yuelei，WANG Wenrui，HU Ting，Ren Xin
（School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China）

Strain measurement is difficult to be conducted through engineering tests at high temperature.Temperature will influence the sensitivity，thermal output，zero drift and creep characteristics of strain gauges.A targeted measure needs applying to ensure the accuracy of test data.A calibration data tracking and automated processing method has been adopted in this paper to correct the data measured.A high temperature strain measurement system has been designed on the basis of a virtual instrument to match the above method.This system can automatically compensate the measured strain data so as to improve the accuracy of the measuring results. Moreover，it can display，store and print the corrected data as well.Experiments have proved that the system for high temperature strain measurement can be applied to enhance the accuracy of test results.

high temperature strain；virtual instrument；strain measurement system；automatic compensation

A

1674-5124（2015）09-0079-03

2014-12-27；

2015-02-02

航空科學重點實驗室基金項目（20145674004）北京市高校青年英才計劃（YETP0368）

尹曰雷（1990-），男，山東聊城市人，碩士研究生，專業(yè)方向為高溫構件/材料應變場的測量及其熱機耦合的研究。