具有標(biāo)定功能的電阻信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李建平，鄭德聰，王嘉偉，馮華，田增強(qiáng)

(1.國(guó)家電網(wǎng)朔州分公司，山西 朔州 037600；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院,山西 太谷 030801)

工程中為了實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械的應(yīng)變、應(yīng)力以及與之相關(guān)物理量的測(cè)量，常采用電阻應(yīng)變式傳感器來(lái)對(duì)被測(cè)量信號(hào)進(jìn)行拾取，使用電橋電路將該信號(hào)進(jìn)行二次變換，通過(guò)標(biāo)定方法來(lái)確定兩者之間的比例，從而以輸出電壓的大小來(lái)準(zhǔn)確反映被測(cè)信號(hào)的大小。目前工程測(cè)量中采用的LabVIEW虛擬儀器系統(tǒng)，利用SCXI-1520應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)模塊及系統(tǒng)內(nèi)嵌的數(shù)據(jù)采集卡組建的應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)，只能采用在測(cè)量電橋的某一橋臂上并聯(lián)已知的電阻，實(shí)現(xiàn)間接電標(biāo)定，用以確定電橋輸出電壓與應(yīng)變的比例關(guān)系，測(cè)量的精度要受并聯(lián)電阻的影響。為此我們利用LabVIEW 軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，搭建具有直接標(biāo)定功能的電阻應(yīng)變信號(hào)采集系統(tǒng)，以提高工程測(cè)量精度需求[1～5]。

1 測(cè)量原理

1.1 電標(biāo)定原理

利用SCXI-1520應(yīng)變測(cè)試模塊，組建應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，通過(guò)SCXI-1314連接SCXI-1520模塊與測(cè)量電橋，以全橋Ⅰ型工作為例，其測(cè)量電路及電標(biāo)定原理如圖1所示[6,7]。

圖中，+ε-拉伸應(yīng)變；-ε-壓縮應(yīng)變；

圖1 電標(biāo)定測(cè)量圖Fig.1 Electrical calibration measurement diagram

S-電阻應(yīng)變變化的原始電阻值；橋臂原始電阻R1=R2=R3=R4；

RL-線(xiàn)電阻/Ω，電橋連接線(xiàn)較短時(shí)，R2=0；

RS-標(biāo)定電阻值/Ω

VEX-供橋電壓/V

VCH-電橋輸入電壓/V

GF-電阻應(yīng)變值的靈敏度系數(shù)；

電橋的有效輸出電壓與供橋電壓的比值定義為：

式中：

VCHS-加載后橋臂電阻變化引起的電橋輸出電壓/V；

VCHU-未加載時(shí)由于橋臂電阻誤差引起的電橋初始輸出電壓/V；

實(shí)測(cè)應(yīng)變值ε表示為：

標(biāo)定應(yīng)變值可表示為：

可見(jiàn)，通過(guò)電標(biāo)定，可直接由電橋有效輸出電壓反映被測(cè)應(yīng)變值的大小，但無(wú)法確定引起應(yīng)變的被測(cè)非電物理量，需要采用機(jī)械標(biāo)定方法[8]。

1.2 機(jī)械標(biāo)定原理

如圖2所示，為應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)原理圖，機(jī)械標(biāo)定的目的是為了確定系統(tǒng)輸出信號(hào)與輸入被測(cè)量之間的比例關(guān)系。通常是在測(cè)量量程范圍內(nèi)逐級(jí)施加已知的輸入量，同時(shí)記錄標(biāo)定的輸出量。利用最小二乘法確定系統(tǒng)靈敏度，并以此確定動(dòng)態(tài)實(shí)測(cè)參數(shù)的大小[9,10]。

圖2 應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)原理圖Fig.2 Strain test system principle diagram

標(biāo)定和實(shí)測(cè)記錄過(guò)程曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 標(biāo)定和實(shí)測(cè)記錄過(guò)程曲線(xiàn)Fig.3 Calibration and test record process curve

電標(biāo)定常數(shù)k為：

式中：

系統(tǒng)的靈敏度S為：

式中：

n-加載次數(shù)；

Pi-輸入已知被測(cè)量，i=1,2,……，n;

實(shí)測(cè)信號(hào)的大小由以下式確定：

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)的硬件組成如圖4所示。

圖4 測(cè)試系統(tǒng)硬件組成框圖Fig.4 The test system hardware block diagram

被測(cè)量P作用于應(yīng)變式傳感器的彈性元件，通過(guò)應(yīng)變轉(zhuǎn)換為貼于其上的應(yīng)變片電阻變化。電阻應(yīng)變片由SCXI-1314接線(xiàn)盒組成測(cè)量電橋，轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)后，通過(guò)SCXI-1520進(jìn)行信號(hào)的放大，阻抗匹配、濾波等調(diào)理過(guò)程，再由PXI-6251M型數(shù)據(jù)采集卡采集電壓信號(hào)，通過(guò)的LabVIEW軟件顯示結(jié)果并存儲(chǔ)有關(guān)數(shù)據(jù)。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 前面板設(shè)計(jì)

根據(jù)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)標(biāo)定及數(shù)據(jù)采集要求，利用LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，編寫(xiě)程序。系統(tǒng)前面板設(shè)計(jì)結(jié)果如圖5所示。

圖5 程序前面板圖Fig.5 Program front panel diagram

前面板中包括通道選擇設(shè)置、采樣率設(shè)置、采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)置、電標(biāo)定輸出顯示、標(biāo)定波形顯示窗口、動(dòng)態(tài)采樣波形顯示窗口、動(dòng)態(tài)采樣按鈕以及機(jī)械標(biāo)定輸入、輸出、控制按鈕。在采樣前對(duì)通道、采樣率、采樣點(diǎn)數(shù)進(jìn)行設(shè)置。采樣時(shí)在機(jī)械標(biāo)定輸入窗口分別輸入各載荷，依次按下各個(gè)標(biāo)定控制按鈕，可分別得到各對(duì)應(yīng)載荷的采樣輸出，由此計(jì)算出標(biāo)定常數(shù)。而電標(biāo)定過(guò)程則是在后臺(tái)程序中設(shè)計(jì)，只在前面板中顯示電標(biāo)定輸出值[11,12]。

按下動(dòng)態(tài)采樣按鈕，可完成所設(shè)置的采樣點(diǎn)數(shù)的數(shù)據(jù)采集。程序自動(dòng)將所采集的數(shù)據(jù)保存在Excel的數(shù)據(jù)表中，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)分析與處理的調(diào)用。標(biāo)定與動(dòng)態(tài)采樣波形顯示窗口可對(duì)測(cè)試過(guò)程進(jìn)行觀察與監(jiān)視。

3.2 后臺(tái)設(shè)計(jì)

后臺(tái)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)前面板功能的核心。該系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)主要包括電標(biāo)定程序、機(jī)械標(biāo)定程序、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集程序與數(shù)據(jù)保存等組成。

3.2.1 電標(biāo)定程序

電標(biāo)定程序是通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)采集1000個(gè)采樣點(diǎn)后后取均值作為電標(biāo)定的輸出。其信號(hào)采集由LabVIEW軟件函數(shù)面板中的創(chuàng)建虛擬通道函數(shù)、定時(shí)函數(shù)、通道調(diào)零、啟動(dòng)任務(wù)函數(shù)、讀取函數(shù)、清楚任務(wù)函數(shù)來(lái)完成電標(biāo)定信號(hào)的采集[13,14]。電標(biāo)定采集VI如圖6所示。

3.2.2 機(jī)械標(biāo)定程序

機(jī)械標(biāo)定程也是通過(guò)函數(shù)面板中的各個(gè)采集函數(shù)來(lái)控制完成機(jī)械標(biāo)定過(guò)程的數(shù)據(jù)采集。機(jī)械標(biāo)定采集VI如圖7所示。

圖6 電標(biāo)定采集圖Fig.6 Electrical calibration acquisition diagram

圖7 機(jī)械標(biāo)定采集圖Fig.7 Mechanical calibration acquisition diagram

3.2.3 動(dòng)態(tài)采集與數(shù)據(jù)保存程序

動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)保存可完成懸臂梁震動(dòng)信號(hào)的采集，并可將采集的數(shù)據(jù)保存在Excel的表格中。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)保存VI如圖8所示。

圖8 動(dòng)態(tài)采集圖Fig.8 Dynamic acquisition diagram

4 結(jié)論

(1)根據(jù)信號(hào)測(cè)試要求，設(shè)計(jì)了具有電標(biāo)定、機(jī)械標(biāo)定功能的電阻應(yīng)變信號(hào)采集系統(tǒng)。

(2)利用標(biāo)準(zhǔn)等強(qiáng)度懸臂梁及動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀為核心的測(cè)試系統(tǒng)與該系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性較高，可用于工程實(shí)際測(cè)量。

參 考 文 獻(xiàn)

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