基于LabVIEW的應變測量系統的設計與應用

馬志燕

（寶雞文理學院機電工程系，陜西 寶雞721000）

0 引言

應變測量是機械工程中分析零件或結構受力狀態、評價材料力學性能、面內變形場的高精度測量和研究某些物理現象機理的重要手段之一。傳統的應變測量系統以應變儀為主，由電橋、放大器、相敏檢波器、低通濾波器、穩壓電源和振蕩器等組成，同時配備示波器和記錄儀等進行顯示和記錄數據。這樣的測試系統需要的設備比較多，設備之間必須具有很好的兼容性，同時硬件的增加也會是測量誤差增大。因此，傳統測試系統難以滿足多樣性、高精度的要求。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軟件開發平臺。這種圖形化的編程語言可以使用戶不需要編寫煩瑣的程序就可以進行測試系統的編寫，大大縮短了測試任務的開發時間，體現了極高的效率，并且在測試過程中可以用軟件代替硬件，使系統精度提高，穩定性提高［1］。

1 應變測量原理

電阻應變片是將被測件上的應變變化轉換成電信號的敏感器件。其應用最多的是金屬電阻應變片和半導體應變片兩種。電阻應變測試法是測力應用最廣泛的一種測量方法，它就是將這種極薄的應變片貼附在被測構件表面，當被測對象表面產生微小機械變形時，應變片的電阻值也將發生相應的變化，通過轉換電路將其轉換成電量輸出，再換算成應變值或者輸出與此應變成正比的電信號，由記錄儀進行記錄，就可得到所測定的應變或應力［2－3］。

根據材料力學理論可知：

2 系統總體結構

系統以測量紡織機械中的經紗張力為例，詳細分析應變測量系統的組成及其應用。經紗張力測量系統的結構如圖1所示。當紗線穿過軸時，紗線對兩邊的傳力桿有壓力，通過傳力桿將壓力傳給彈性梁，使之產生應變，利用應變片將其應變轉化為電阻的變化［4］。

圖1 測量結構

系統結構框圖如圖2所示。當傳感器采集到零位置信號后，開始循環采集主軸編碼器和應變式傳感器的輸出。按預定的采樣點采集結束后，用軟件的方法判斷每個轉速脈沖即主軸每轉0.5°時的上升沿，將每個上升沿所對應的張力測試值取出。測量時取621根經紗，計算平均單根經紗張力隨轉角的變化。

圖2 測試系統結構框圖

測試系統主要是基于虛擬儀器技術而設計的，結合本課題的實際情況，在充分考慮了性價比及實用性的基礎上，采用計算機和DAQ多功能采集卡組建虛擬儀器的方案。通過應變片式傳感器測量被測對象，將接收到的信號轉換為電量信號，DAQ數據采集卡將采集到的模擬電量信號轉換成計算機能夠處理的數字信號，然后通過設備驅動程序進入計算機，在LabVIEW軟件平臺下，調用信號處理子模塊，編寫儀器功能程序、功能算法，設計虛擬儀器前面板和框圖程序。

3 系統硬件構成

系統硬件部分主要包括電阻應變片式傳感器、數據采集卡、電橋盒和動態應變儀等。

3.1 傳感器

采用MCL－T41型經紗張力傳感器。張力傳感器采用橋式應變片式，其輸出電壓的高低正比于紗線張力大小，經標定后，測出電壓即可換算出紗線張力。

3.2 數據采集卡

在本測試系統中，選取了NI公司研制開發的M系列的PXI－6251型多功能數據采集卡，數據采集卡插入機箱的左端第3個插槽。該數據采集卡是美國NI公司基于計算機的M系列的高精度多功能數據采集（DAQ）設備，它確保了高采樣率時測量的精確性。它提供16路模擬輸入，1.25MS／s單通道采樣速率，2路模擬輸出，24條數據I／O線。

3.3 應變測量電橋設計

金屬電阻應變片應用于力學測量時，需要和電橋電路一起使用。

電橋的基本原理如圖3所示。R1，R2，R3，R44個電阻依次接在A，B，C，D之間，構成電橋的4橋臂。電橋的對角AC接電源，供橋電壓為E；對角BD為電橋的輸出端，其輸出電壓用UDB表示?？梢宰C明UDB與橋臂電阻有如下關系：

若4個橋臂電阻由貼在構件上的4枚電阻片組成，而且初始電阻R1＝R2＝R3＝R4，當輸出電壓UDB＝0時，電橋處于平衡狀態，當構件變形時，各電阻的變化量分別為 ΔR1，ΔR2，ΔR3，ΔR4，輸出電壓的相應變化為：

圖3 電橋的原理

測試系統經傳感器中的應變片接入電橋盒，通過電橋電路將應變片的電阻變化轉換為電壓后輸出。電橋盒接線方法如圖4所示，共有1～8個接線柱。橋盒內部5、8之間接有標準電阻R′3，7、8之間接有標準電阻R′4。在進行單臂、半橋測量時如圖4a所示，將儀器備用的3個短路片分別將1－5、3－7及4－8連接起來，這樣R′3，R′4可作為內半橋使用，R1，R2為傳感器上的應變片的電阻。在作對臂測量或全橋測量時如圖4b所示，將3個短路片全部拆下，4個應變片按（1，2）、（2，3）、（3，4）及（4，1）順序連接即可。

圖4 電橋盒的接線

3.4 放大電路設計

在該測試過程中，傳感器感應的電阻信號經測量電橋后所產生的電壓信號很小，難以直接用來顯示、記錄和控制，必須經過放大。為了提高輸入信號電平，提高測量精度和靈敏度，進行后續的分析處理，選用了YE3815A型單通道動態應變儀。

4 系統軟件設計

4.1 數據采集模塊

數據采集模塊可以進行有關采集的各種設置，如輸入模式、分辨率、輸入范圍、采樣速率和采樣通道等，并顯示采集數據，其測試模塊控制面板如圖5所示。

圖5 數據采集模塊面板

4.2 軟件濾波模塊

經傳感器轉換和放大器放大的信號，由于測試環境的電磁干擾以及傳感器和放大器自身的影響，往往會含有多種頻率成分的噪聲信號，它們會淹沒待提取的輸入信號，為了保證測試精度，就需要對信號進行濾波。系統應用了軟件編程替代傳統硬件完成數字濾波任務，大大簡化系統中信號輸入通道的結構，而且不需要高精度的元件，降低了測試系統的價格。濾波模塊控制面板如圖6所示。

圖6 數據濾波模塊面板

系統采用的3點平均非遞歸型數字濾波器，其數學模型為：

同時選用6階巴特沃思濾波器對瞬時信號濾波。巴特沃思濾波器［5］是一種所謂最平通帶特性逼近低通特性的濾波器，其幅頻特性為：

n＝1，2，3，…為濾波器的階次，n值直接影響到濾波效果。本測試系統選用n＝6。

4.3 數據存儲模塊

對于實時信號測量中所采集的大量數據，一般要求存儲數據以備處理、分析。系統采用專門的輸出數據保存模塊，對測試的結果進行實時存儲，以滿足用戶文檔存儲以及資料攜帶的需要。另外，計算機通過與外圍設備的連接，使得儀器在測試狀態和分析狀態下均可以打印測試報告，測試報告的輸出格式可以自行定義。這個數據保存模塊運行后，以文本格式保存所有的數據，關于保存格式也可以選用其他格式，完全視情況而定。

4.4 系統參量的輸入與顯示

界面是編程者和使用者之間溝通的媒介，本測試系統的輸入參數，包括信號采集過程中的觸發源、觸發方式、采樣率等，以及數據處理過程中的濾波點數、顯示周期等，都可以根據實際情況進行靈活的設置；系統輸出參數，可以根據要求顯示出需要觀察的值，例如最大值、最小值等，從而為測試系統在一定的工作條件下性能、位移等研究提供一定的依據；同時還可以為了提高可視性，提供實時測試的曲線圖和操作按鈕，在數字表明一些主要測試結果參量的基礎之上，可以直觀地觀測出動態測試曲線圖，了解系統實時變化情況，更有利于對于測試對象特性的分析與研究。

5 結束語

基于虛擬儀器技術軟硬件結合構建的應變測量系統，運用其硬件結構簡單，易于功能擴展，性能穩定可靠，軟件界面友好易于操作等功能［6］，滿足了應變測試系統中測試不同參量時對測試儀器提出的各種不同要求，同時用經紗張力測試為例驗證系統的可行性以及準確性。網絡技術的發展，為在此基礎上的遠程測試提供了發展方向。系統具有重要的現實意義和推廣價值，是傳統動態應變儀的理想替代產品。

［1］ 李全江.虛擬儀器設計測控應用典型實例［M］.北京：電子工業出版社，2010.

［2］ 陳 艾.敏感材料與傳感器［M］.北京：化學工業出版社，2004.

［3］ 陳花玲.機械工程測試技術［M］.北京：機械工業出版社，2009.

［4］ 夏金國，李金海.織造機械［M］.北京：中國紡織出版社，1999.

［5］ 曹玲芝.現代測試技術及虛擬儀器［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2004.

［6］ 張 毅，周紹磊，楊秀霞.虛擬儀器技術分析與應用［M］.北京：機械工業出版社，2004.