基于Lab VIEW 的應變測量及靜態(tài)試驗?

李建平，李菊霞

（1.山西農業(yè)大學 工學院，山西 太谷 030801；2.山西農業(yè)大學 信息科學與工程學院，山西 太谷 030801）

0 引言

虛擬儀器是在計算機硬、軟件和總線技術的基礎上，結合測試技術與儀器儀表技術后產生的一項全新的技術成果［1］。美國國家儀器公司在20世紀80年代率先提出了虛擬儀器的概念，認為虛擬儀器就是用計算機作為硬件平臺，結合相應的測試軟件組成的測控系統(tǒng)。由于儀器的專業(yè)化功能和面板控件都是由軟件形成，因此，提出了“軟件就是儀器”的概念［2］。

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繁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的開發(fā)時間，體現(xiàn)了極高的效率［3］。

1 應變測量原理

在被測構件的表面粘貼上電阻應變片，對被測構件進行施加載荷之后，構件會發(fā)生變形，應變片敏感柵的電阻值也發(fā)生相應的變化，電阻值的變化量與構件表面所受載荷的大小成一定的比例關系，通過接入測量電路后轉換成電信號進行輸出，將數(shù)據(jù)輸入到計算機上進行處理與分析，該測量結果就是應變值［4］。

設被測構件的原始長度為L，構件變形之后的長度為（L＋ΔL），構件在施加載荷后發(fā)生的軸向相對變形（應變）為ε，應變片的電阻為R，則R隨構件的變形改變?yōu)椋?/p>

其中：K為應變片的靈敏度系數(shù)。應變片隨被測構件發(fā)生的應變ε與電阻的相對變化ΔR／R關系為：

即：

電阻變化量ΔR的大小很難直接去測量，在工程中經(jīng)常采用惠斯通直流電橋將應變轉換成電信號來進行測量。圖1為單臂直流電橋。其中，R1是電阻應變片，R2、R3、R4是3個大小相等的電阻，阻值與R1的阻值相同［5］。單臂直流電橋的電壓為UE時，直流電橋的輸出電壓為：

將R2、R3、R4都換成與R1大小相等的應變片時則構成了四臂直流測量電橋，電橋的輸出電壓為：

由式（4）與式（5）可以看出，四臂工作的電橋輸出是單臂工作電橋輸出的4倍，所以四臂工作的電橋輸出靈敏度最高，故測量系統(tǒng)采用四臂工作的測量電橋。

圖1 單臂直流電橋

2 應變測量的電標定

電標定是在電橋的某個臂上串聯(lián)或并聯(lián)一個適當?shù)碾娮?，使其產生電阻變化，這個電阻的變化相當于是由某個已知的應變值引起的。通過測量電橋，記錄相應的電壓值，從而可以得到衡量被測應變大小的標準尺度。

本測量中使用了NI公司的信號調理模塊與接線盒，接線盒中提供了4個100 kΩ的電阻，可與應變片組成并聯(lián)電路，并可由軟件來控制電阻的通斷。本測量系統(tǒng)采用在R2上并聯(lián)該電阻作為電標定。測量時選用的應變片的阻值為120Ω，應變片的靈敏度系數(shù)為2.1。因此，當在R2上并聯(lián)一個100 kΩ的電阻RX后，產生了Δε的應變變化。即：

在R2上并聯(lián)100 kΩ電阻和在R2應變片產生－0.571 4×10－3應變時引起的測量電橋輸出是一樣的，測得相應的UBD，就可得到單位電壓表示的被測應變系數(shù)K′（K′＝Δε／UBD）。當實測時，將采集到的電壓值乘以該系數(shù)就可以確定電壓值所對應的應變值的大小。在實測采集完成后，再進行一次電標定來監(jiān)視測量過程的工作狀態(tài)。

3 測量系統(tǒng)硬件構成

應變測量系統(tǒng)的硬件平臺是在采集卡的基礎上搭建的。首先將構件上的應變片接入直流測量電橋，當應變片電阻發(fā)生改變后經(jīng)過電橋進行輸出，然后將輸出的電信號接入信號調理模塊進行信號調理濾去干擾信號，達到數(shù)據(jù)采集卡的采集要求后，通過Lab VIEW編程軟件控制采集卡完成對應變量的實時采集［6］。本系統(tǒng)總體結構框圖如圖2所示。

信號調理模塊的主要作用是根據(jù)應變片粘貼情況測量電路組橋，并為電橋提供激勵電壓與并聯(lián)電阻，將微弱的電信號放大、濾波。本系統(tǒng)選用美國國家儀器公司生產的SCXI－1520信號調理模塊。數(shù)據(jù)采集的作用是進行模／數(shù)、數(shù)／模轉換以及采樣保持等，本系統(tǒng)同樣選用美國國家儀器公司的PXI－6251M系列的數(shù)據(jù)采集卡。

圖2 測量系統(tǒng)總體結構框圖

4 測量系統(tǒng)的軟件設計

4.1 電標定VI的設計

電標定時的電信號UBD采集是通過Lab View軟件函數(shù)面板中的創(chuàng)建虛擬通道函數(shù)（DAQmx Create Channel.vi）、定時函數(shù)（DAQmx Timing.vi）、通道調零、開啟并聯(lián)電阻、啟動任務函數(shù)（DAQmx star Task.vi）、讀 取 函 數(shù) （DAQmx Read.vi）、清 除 任 務 函 數(shù)（DAQmx Clear Task.vi）來完成的，并得到電標定系數(shù)K′［7，8］。電標定信號采集流程圖如圖3所示 。

圖3 電標定信號采集流程圖

4.2 實測信號采集與數(shù)據(jù)存儲

在實際測量時，將采集回來的電信號與電標定系數(shù)相乘可以得到實際測量的應變值。實測應變采集流程圖如圖4所示。

利用Lab VIEW中的“寫入測量文件”功能完成對采集的應變量的存儲，該VI位于函數(shù)面板下的“編程—文件I／O—寫入測量文件”［9］。

圖4 實測應變采集流程圖

4.3 測試程序的前面板

Lab VIEW的前面板是圖形化的用戶界面，通過上文介紹的信號采集、電信號與應變值之間的轉換，以及實驗結果的存儲等功能，可以快捷地編制成一個完整的應變測量程序［10］。應變測量系統(tǒng)前面板如圖5所示。

圖5 應變測量系統(tǒng)前面板

5 結論

搭建的基于虛擬儀器的應變測試系統(tǒng)，通過對懸臂梁逐級施加載荷，實際測得的應變值與理論相一致。實驗結果表明：基于虛擬儀器構建的測試系統(tǒng)，具有良好的人機界面、操作方便、實用，可以精確地完成應變信號的實時采集，達到了預期的實驗效果。

［1］ 鄧振杰，齊建玲.基于Lab VIEW的虛擬儀器構建技術［J］.國外電子測量技術，2002，21（5）：24－34.

［2］ 賈民平，張洪亭，周劍英.測試技術［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［3］ 李江全.虛擬儀器設計測控應用典型實例［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

［4］ 柏林，王見，秦樹人.虛擬儀器及其在機械測試中的應用［M］.北京：科技出版社，2007.

［5］ 康天文，孫浮，石明江，等.基于Lab VIEW的應變測試系統(tǒng)設計［J］.儀器儀表用戶，2009，16（5）：54－56.

［6］ 羅開玉，李伯全，孫杰.基于虛擬儀器技術的應變測試系統(tǒng)［J］.江蘇大學學報：自然科學版，2005，26（2）：106－109.

［7］ 侯國屏，王坤，葉齊鑫.Lab VIEW 7.1編程與虛擬儀器設計［M］.北京：清華大學出版社，2004.

［8］ 陳錫輝，張銀鴻.Lab VIEW 8.20程序設計從入門到精通［M］.北京：清華大學出版社，2007.

［9］ 陳數(shù)學，劉萱.Lab VIEW 寶典［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

［10］ 張重雄.虛擬儀器技術分析與設計［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.