基于LabVIEW應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析*

蔣正忠，黃才貴，常青青

（南寧學(xué)院，南寧 530200）

0 引言

機(jī)械設(shè)備中的機(jī)械零件在工作過(guò)程所受到的工作應(yīng)力是影響零件壽命、可靠性的一項(xiàng)重要指標(biāo)。在沒(méi)有可靠手段獲取機(jī)械零件工作應(yīng)力的情況下，出于降低風(fēng)險(xiǎn)考慮，機(jī)械零件的設(shè)計(jì)通常會(huì)保守設(shè)計(jì)。如果設(shè)計(jì)者缺乏強(qiáng)度設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，則較容易出現(xiàn)零件強(qiáng)度設(shè)計(jì)富余過(guò)多或強(qiáng)度設(shè)計(jì)不足這樣的情況。因此，行之有效的獲取零件工作應(yīng)力的方法對(duì)機(jī)械零件的設(shè)計(jì)、分析、研究以及零件的后期改進(jìn)都有著重要的意義。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)應(yīng)力測(cè)量方法進(jìn)行了較多的研究，如文獻(xiàn)[1]分析了電阻應(yīng)變片的種類和及其基本工作特性；文獻(xiàn)[2]運(yùn)用了模擬電路的分析方法闡述了獲取電阻應(yīng)變片應(yīng)變值的思路；文獻(xiàn)[3-4]闡述了電阻應(yīng)變計(jì)將構(gòu)件或彈性體的應(yīng)變量轉(zhuǎn)換為電阻的變化通常極其微小這一現(xiàn)象，提出了必須通過(guò)電路加以放大才能進(jìn)行測(cè)量的思想。由于傳統(tǒng)的應(yīng)變、應(yīng)力測(cè)量分析研究一般都是從應(yīng)力測(cè)量整個(gè)流程中的一個(gè)具體環(huán)節(jié)做深入分析，而沒(méi)有形成一套完整的應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)。

本文將以應(yīng)變片為基礎(chǔ)，充分運(yùn)用電路分析技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集技術(shù)，設(shè)計(jì)一套機(jī)械零件工作應(yīng)力實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)將統(tǒng)籌電阻應(yīng)變片工作特點(diǎn)、電阻應(yīng)變片電阻變化量測(cè)量電路結(jié)構(gòu)及其輸出信號(hào)、電壓放大電路以及最后階段的電壓模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理，使之各銜接環(huán)節(jié)的輸入輸出參數(shù)相匹配，形成一套完整的應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)。

1 電阻應(yīng)變片的工作原理

在彈性形變范圍內(nèi)，材料所受到的應(yīng)力和材料的應(yīng)變之間的關(guān)系如式（1）所示：

式中：σ為應(yīng)力；E為材料的彈性模量；ε為應(yīng)變。

因此，要獲取材料的應(yīng)力信息，可以轉(zhuǎn)而獲取材料的應(yīng)變，然后再通過(guò)式（1）換算出應(yīng)力值。這樣，電阻應(yīng)變片就應(yīng)運(yùn)而生。電阻應(yīng)變片的構(gòu)造如圖1所示。

圖1 電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)

圖中，敏感柵是一條細(xì)長(zhǎng)的電阻絲，當(dāng)該電阻絲被牢固的黏貼在物體表面時(shí)，它就會(huì)跟隨被貼表面做同步變形，電阻絲的相對(duì)變化量就與被黏貼物體表面的相對(duì)變化量一致。電阻絲被拉長(zhǎng)或壓短后，其電阻值會(huì)相應(yīng)地變大或減小，所以電阻絲阻值的變化與其形變是相關(guān)的。由于敏感柵是被絕緣的黏貼在物體表面，所有電阻絲變形前后的電阻值的變化量可以間接反映被測(cè)材料的表面形變。

對(duì)于一根等截面的金屬絲，其電阻值為：

式中： ρ為電阻絲的電阻率；L為電阻絲的長(zhǎng)度；S為電阻絲的截面積。

當(dāng)在電阻絲上施加一個(gè)拉力F時(shí)，其長(zhǎng)度變化ΔL，橫截面積反向變化ΔS，忽略電阻絲變形導(dǎo)致其電阻率的變化Δρ的影響[5-6]，根據(jù)式（2）得：

當(dāng)電阻絲在彈性范圍內(nèi)變形時(shí),金屬絲受軸向力作用，其沿軸向的變化量和其沿徑向的變化量存在比例關(guān)系[7]，即：

由式（7）可知，如果獲取受力前后電阻絲的電阻相對(duì)變化量，結(jié)合式（1），則可以計(jì)算出電阻應(yīng)變片黏貼處材料的表面應(yīng)力值。

2 應(yīng)變測(cè)量電路分析

為了測(cè)量電阻應(yīng)變片的電阻相對(duì)變化量，將電阻應(yīng)變片接入到特定的電路中，通過(guò)測(cè)量電路的電壓參數(shù)來(lái)獲取電阻應(yīng)變片的電阻值變化信息[8]。圖2所示為電阻相對(duì)變化量的測(cè)量電路。在圖中，將R1置換為電阻應(yīng)變片，當(dāng)給a、c兩點(diǎn)間加入供電電源Ue時(shí)，則在b、d端的輸出電壓Uo為：

圖2 電阻阻值變化量測(cè)量電路

如果令R1=R2，R3=R4，則當(dāng)電阻應(yīng)變片R1受力被拉伸或壓縮后，則有：

由于機(jī)械零部件受力變形時(shí)的絕對(duì)變形量非常微小，該絕對(duì)變形量引起的電阻值變形量ΔR1相對(duì)于式（9）分母中的2R1可以忽略不計(jì)，結(jié)合式（7），有：

在式（10）中，（1+2μ）通常稱為電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。由于該值與電阻應(yīng)變片敏感柵的材料有關(guān)，由式（10）可知，當(dāng)電阻應(yīng)變的材料唯一確定后，只需要測(cè)量圖2電路中的輸出電壓Uo，就可以換算出被測(cè)物體的表面應(yīng)變，再結(jié)合式（1），便可以獲取被測(cè)物體的表面應(yīng)力值。

3 電壓放大電路設(shè)計(jì)

對(duì)于目前常用的電阻應(yīng)變片，電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)一般在2左右[9]。對(duì)于普通用途的鋼材，如Q345，如果取安全系數(shù)為1.3，則其許用應(yīng)力為：

材料Q345的彈性模量約為2×1011Pa。如果將圖2中的供電電壓Ue取值5 V，則由式（1）、式（10）可知，圖2中電路的輸出電壓Uo為：

由此可見(jiàn)，即使Q345材料已經(jīng)工作在許用應(yīng)力狀態(tài)，圖2電路的輸出電壓Uo也只有約3.3 ms，而常見(jiàn)的AD轉(zhuǎn)換器的量程較大一部分都在-10～10 V之間。由于圖2電路的原始輸出電壓Uo相對(duì)AD轉(zhuǎn)換器的量程較小，如果此時(shí)用AD轉(zhuǎn)換器直接對(duì)Uo進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換并不利于獲得高精度的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果。因此，應(yīng)將圖2電路的原始輸出電壓放大適當(dāng)?shù)谋稊?shù)后再進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。具體放大倍數(shù)，可以根據(jù)實(shí)際需求確定。假設(shè)被測(cè)對(duì)象的工作應(yīng)力最大可能會(huì)達(dá)到345 MPa，則根據(jù)式（12）可以大概計(jì)算出原始電路的的最大輸出電壓為4.31 mV左右。若AD轉(zhuǎn)換器的量程為-10～10 V，考慮給測(cè)量系統(tǒng)留有一定的測(cè)量余量，若給AD轉(zhuǎn)換器預(yù)留1 V的測(cè)量余量，則放大電路的放大倍數(shù)應(yīng)達(dá)到：

實(shí)際放大電路的放大倍數(shù)不一定要與式（13）的計(jì)算結(jié)果完全一致，而是與式（13）的計(jì)算結(jié)果基本吻合即可。如果被測(cè)對(duì)象的實(shí)際參數(shù)和受力狀態(tài)等與上述的假設(shè)值不相符，只需將上述計(jì)算用的假設(shè)值和材料參數(shù)值等更改為實(shí)際被測(cè)對(duì)象的值和參數(shù)值再計(jì)算一遍即可，可以大概換算出需要的放大倍數(shù)。

如圖2所示，將電路的輸出電壓放大指定的倍數(shù)，可以選擇測(cè)量放大器AD620。AD620測(cè)量放大器是一種帶有精密差動(dòng)電壓增益的器件，它具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、強(qiáng)抗共模干擾能力、低溫漂、低失調(diào)電壓和高穩(wěn)定增益等特點(diǎn)，在檢測(cè)微弱信號(hào)的系統(tǒng)中，被廣泛用作前置放大器[10]。基于AD620的電壓放大電路如圖3所示，根據(jù)芯片AD620的技術(shù)文檔，圖中所示放大電路的放大倍數(shù)和輸出電壓分別為：

由式（14）可知，為了計(jì)算圖3所示放大電路的實(shí)際放大倍數(shù)，需要測(cè)量電阻RG的準(zhǔn)確值。對(duì)于相同的RG電阻值的測(cè)量誤差ΔRG，當(dāng) RG取值較小時(shí)，ΔRG對(duì)式（14）中放大倍數(shù)的計(jì)數(shù)結(jié)果影響較大。因此，當(dāng)預(yù)期的放大倍數(shù)較大時(shí)，如（13）式所示要求放大2 088倍的情況，為了降低RG電阻值的測(cè)量誤差對(duì)電路放大倍數(shù)計(jì)算結(jié)果的影響，可以進(jìn)行兩級(jí)電壓放大，電路圖如圖4所示。此時(shí)電路的輸出電壓為：

圖3 AD620電壓放大電路

由式（16）可知，如果將其中的RG1和RG2設(shè)置為可調(diào)電阻，那么可以通過(guò)調(diào)節(jié)RG1和RG2的不同組合得到更為寬廣的電壓放大范圍，以滿足不同應(yīng)力等級(jí)的測(cè)量放大倍數(shù)要求。

圖4 基于AD620的兩級(jí)電壓放大電路

4 基于LabVIEW的測(cè)量軟件設(shè)計(jì)

在通過(guò)實(shí)際測(cè)量獲得式（16）的輸出電壓后，便可以反算出應(yīng)變片所在位置處被測(cè)材料的當(dāng)前應(yīng)力值。在這里可以借助LabVIEW平臺(tái)開(kāi)發(fā)桌面虛擬儀器，配合NI的數(shù)據(jù)采集卡，完成對(duì)放大電路輸出電壓的采集，完成由電壓到應(yīng)力的反算以及應(yīng)力數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)展現(xiàn)和數(shù)據(jù)保存，實(shí)現(xiàn)了人性化的人機(jī)交互應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)。這種基于LabVIEW的虛擬儀器，配合配套的數(shù)據(jù)采集卡的應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)，具有高度的可擴(kuò)展性和靈活的功能可變更性。應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)可分為數(shù)據(jù)采集參數(shù)配置模塊、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)保存模塊、數(shù)據(jù)展現(xiàn)模塊。數(shù)據(jù)采集參數(shù)配置模塊主要完成數(shù)據(jù)集采集卡AD轉(zhuǎn)換輸入通道、轉(zhuǎn)換電壓范圍等參數(shù)的設(shè)置，如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集參數(shù)配置

數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理模塊主要完成模數(shù)轉(zhuǎn)換以及對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行應(yīng)力還原計(jì)算、最大應(yīng)力值計(jì)算、平均應(yīng)力值計(jì)算等工作。其主要的操作代碼如圖6所示。

數(shù)據(jù)保存模塊用于將測(cè)量的所有數(shù)據(jù)保存到磁盤文件內(nèi)，以便后期隨時(shí)查閱。數(shù)據(jù)顯示模塊用于將測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)、歷史測(cè)量數(shù)據(jù)的最大值和平均值等信息動(dòng)態(tài)地顯示在顯示屏上，方便用戶及時(shí)獲取這些數(shù)據(jù)信息。最終完成的測(cè)量系統(tǒng)的用戶操作界面及其虛擬仿真情況如圖7所示。在圖7所示的操作界面中主要完成一些實(shí)際測(cè)量參數(shù)、最大應(yīng)力值等信息的輸入或測(cè)量結(jié)果的展現(xiàn)。

圖7 應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)虛擬仿真界面

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以LabVIEW和NI數(shù)據(jù)采集卡為工具，配合具體電阻應(yīng)變片電阻值變化量檢測(cè)電路和放大倍數(shù)可調(diào)的電壓放大電路，設(shè)計(jì)了一套應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)。該測(cè)量系統(tǒng)可以對(duì)應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)保存。由于該系統(tǒng)是基于軟件編程實(shí)現(xiàn)的，因此具有較高的結(jié)構(gòu)調(diào)整靈活性和功能擴(kuò)展性，可根據(jù)用戶對(duì)應(yīng)力測(cè)試的不同需求對(duì)測(cè)量系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)展現(xiàn)等操作方式靈活調(diào)整，便于應(yīng)力測(cè)試人員開(kāi)展測(cè)試工作。