李建平，李菊霞

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，山西 太谷 030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太谷 030801）

0 引言

虛擬儀器是在計(jì)算機(jī)硬、軟件和總線技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合測試技術(shù)與儀器儀表技術(shù)后產(chǎn)生的一項(xiàng)全新的技術(shù)成果［1］。美國國家儀器公司在20世紀(jì)80年代率先提出了虛擬儀器的概念，認(rèn)為虛擬儀器就是用計(jì)算機(jī)作為硬件平臺，結(jié)合相應(yīng)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(jìn)行測試系統(tǒng)的編寫，大大縮短了測試任務(wù)的開發(fā)時(shí)間，體現(xiàn)了極高的效率［3］。

1 應(yīng)變測量原理

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

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

其中：K為應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)。應(yīng)變片隨被測構(gòu)件發(fā)生的應(yīng)變ε與電阻的相對變化ΔR／R關(guān)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?qū)?yīng)變轉(zhuǎn)換成電信號來進(jìn)行測量。圖1為單臂直流電橋。其中，R1是電阻應(yīng)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(shí)，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(yīng)變片時(shí)則構(gòu)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(yīng)變測量的電標(biāo)定

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

本測量中使用了NI公司的信號調(diào)理模塊與接線盒，接線盒中提供了4個100 kΩ的電阻，可與應(yīng)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(biāo)定。測量時(shí)選用的應(yīng)變片的阻值為120Ω，應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)為2.1。因此，當(dāng)在R2上并聯(lián)一個100 kΩ的電阻RX后，產(chǎn)生了Δε的應(yīng)變變化。即：

在R2上并聯(lián)100 kΩ電阻和在R2應(yīng)變片產(chǎn)生－0.571 4×10－3應(yīng)變時(shí)引起的測量電橋輸出是一樣的，測得相應(yīng)的UBD，就可得到單位電壓表示的被測應(yīng)變系數(shù)K′（K′＝Δε／UBD）。當(dāng)實(shí)測時(shí)，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(yīng)的應(yīng)變值的大小。在實(shí)測采集完成后，再進(jìn)行一次電標(biāo)定來監(jiān)視測量過程的工作狀態(tài)。

3 測量系統(tǒng)硬件構(gòu)成

應(yīng)變測量系統(tǒng)的硬件平臺是在采集卡的基礎(chǔ)上搭建的。首先將構(gòu)件上的應(yīng)變片接入直流測量電橋，當(dāng)應(yīng)變片電阻發(fā)生改變后經(jīng)過電橋進(jìn)行輸出，然后將輸出的電信號接入信號調(diào)理模塊進(jìn)行信號調(diào)理濾去干擾信號，達(dá)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(yīng)變量的實(shí)時(shí)采集［6］。本系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

信號調(diào)理模塊的主要作用是根據(jù)應(yīng)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(chǎn)的SCXI－1520信號調(diào)理模塊。數(shù)據(jù)采集的作用是進(jìn)行模／數(shù)、數(shù)／模轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)框圖

4 測量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 電標(biāo)定VI的設(shè)計(jì)

電標(biāo)定時(shí)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(shí)函數(shù)（DAQmx Timing.vi）、通道調(diào)零、開啟并聯(lián)電阻、啟動任務(wù)函數(shù)（DAQmx star Task.vi）、讀 取 函 數(shù) （DAQmx Read.vi）、清 除 任 務(wù) 函 數(shù)（DAQmx Clear Task.vi）來完成的，并得到電標(biāo)定系數(shù)K′［7，8］。電標(biāo)定信號采集流程圖如圖3所示 。

圖3 電標(biāo)定信號采集流程圖

4.2 實(shí)測信號采集與數(shù)據(jù)存儲

在實(shí)際測量時(shí)，將采集回來的電信號與電標(biāo)定系數(shù)相乘可以得到實(shí)際測量的應(yīng)變值。實(shí)測應(yīng)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(yīng)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(shí)測應(yīng)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(yīng)變值之間的轉(zhuǎn)換，以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的存儲等功能，可以快捷地編制成一個完整的應(yīng)變測量程序［10］。應(yīng)變測量系統(tǒng)前面板如圖5所示。

圖5 應(yīng)變測量系統(tǒng)前面板

5 結(jié)論

搭建的基于虛擬儀器的應(yīng)變測試系統(tǒng)，通過對懸臂梁逐級施加載荷，實(shí)際測得的應(yīng)變值與理論相一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：基于虛擬儀器構(gòu)建的測試系統(tǒng)，具有良好的人機(jī)界面、操作方便、實(shí)用，可以精確地完成應(yīng)變信號的實(shí)時(shí)采集，達(dá)到了預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果。

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

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

［3］ 李江全.虛擬儀器設(shè)計(jì)測控應(yīng)用典型實(shí)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(jī)械測試中的應(yīng)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(yīng)變測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)［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(shù)的應(yīng)變測試系統(tǒng)［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)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(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［8］ 陳錫輝，張銀鴻.Lab VIEW 8.20程序設(shè)計(jì)從入門到精通［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

［9］ 陳數(shù)學(xué)，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(shù)分析與設(shè)計(jì)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.