李建平，鄭德聰，王嘉偉，馮華，田增強

(1.國家電網朔州分公司，山西 朔州 037600；2.山西農業(yè)大學 工學院,山西 太谷 030801)

工程中為了實現(xiàn)對機械的應變、應力以及與之相關物理量的測量，常采用電阻應變式傳感器來對被測量信號進行拾取，使用電橋電路將該信號進行二次變換，通過標定方法來確定兩者之間的比例，從而以輸出電壓的大小來準確反映被測信號的大小。目前工程測量中采用的LabVIEW虛擬儀器系統(tǒng)，利用SCXI-1520應變測試系統(tǒng)模塊及系統(tǒng)內嵌的數(shù)據采集卡組建的應變測試系統(tǒng)，只能采用在測量電橋的某一橋臂上并聯(lián)已知的電阻，實現(xiàn)間接電標定，用以確定電橋輸出電壓與應變的比例關系，測量的精度要受并聯(lián)電阻的影響。為此我們利用LabVIEW 軟件系統(tǒng)開發(fā)平臺，搭建具有直接標定功能的電阻應變信號采集系統(tǒng)，以提高工程測量精度需求[1～5]。

1 測量原理

1.1 電標定原理

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

圖中，+ε-拉伸應變；-ε-壓縮應變；

圖1 電標定測量圖Fig.1 Electrical calibration measurement diagram

S-電阻應變變化的原始電阻值；橋臂原始電阻R1=R2=R3=R4；

RL-線電阻/Ω，電橋連接線較短時，R2=0；

RS-標定電阻值/Ω

VEX-供橋電壓/V

VCH-電橋輸入電壓/V

GF-電阻應變值的靈敏度系數(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-未加載時由于橋臂電阻誤差引起的電橋初始輸出電壓/V；

實測應變值ε表示為：

標定應變值可表示為：

可見，通過電標定，可直接由電橋有效輸出電壓反映被測應變值的大小，但無法確定引起應變的被測非電物理量，需要采用機械標定方法[8]。

1.2 機械標定原理

如圖2所示，為應變測試系統(tǒng)原理圖，機械標定的目的是為了確定系統(tǒng)輸出信號與輸入被測量之間的比例關系。通常是在測量量程范圍內逐級施加已知的輸入量，同時記錄標定的輸出量。利用最小二乘法確定系統(tǒng)靈敏度，并以此確定動態(tài)實測參數(shù)的大小[9,10]。

圖2 應變測試系統(tǒng)原理圖Fig.2 Strain test system principle diagram

標定和實測記錄過程曲線如圖3所示。

圖3 標定和實測記錄過程曲線Fig.3 Calibration and test record process curve

電標定常數(shù)k為：

式中：

系統(tǒng)的靈敏度S為：

式中：

n-加載次數(shù)；

Pi-輸入已知被測量，i=1,2,……，n;

實測信號的大小由以下式確定：

2 系統(tǒng)硬件設計

測試系統(tǒng)的硬件組成如圖4所示。

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

被測量P作用于應變式傳感器的彈性元件，通過應變轉換為貼于其上的應變片電阻變化。電阻應變片由SCXI-1314接線盒組成測量電橋，轉化為電壓信號后，通過SCXI-1520進行信號的放大，阻抗匹配、濾波等調理過程，再由PXI-6251M型數(shù)據采集卡采集電壓信號，通過的LabVIEW軟件顯示結果并存儲有關數(shù)據。

3 軟件實現(xiàn)

3.1 前面板設計

根據應變測試系統(tǒng)標定及數(shù)據采集要求，利用LabVIEW軟件開發(fā)平臺，編寫程序。系統(tǒng)前面板設計結果如圖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置、采樣率設置、采樣點數(shù)設置、電標定輸出顯示、標定波形顯示窗口、動態(tài)采樣波形顯示窗口、動態(tài)采樣按鈕以及機械標定輸入、輸出、控制按鈕。在采樣前對通道、采樣率、采樣點數(shù)進行設置。采樣時在機械標定輸入窗口分別輸入各載荷，依次按下各個標定控制按鈕，可分別得到各對應載荷的采樣輸出，由此計算出標定常數(shù)。而電標定過程則是在后臺程序中設計，只在前面板中顯示電標定輸出值[11,12]。

按下動態(tài)采樣按鈕，可完成所設置的采樣點數(shù)的數(shù)據采集。程序自動將所采集的數(shù)據保存在Excel的數(shù)據表中，方便后續(xù)的數(shù)據分析與處理的調用。標定與動態(tài)采樣波形顯示窗口可對測試過程進行觀察與監(jiān)視。

3.2 后臺設計

后臺設計是實現(xiàn)系統(tǒng)前面板功能的核心。該系統(tǒng)的程序設計主要包括電標定程序、機械標定程序、動態(tài)數(shù)據采集程序與數(shù)據保存等組成。

3.2.1 電標定程序

電標定程序是通過對數(shù)據采集1000個采樣點后后取均值作為電標定的輸出。其信號采集由LabVIEW軟件函數(shù)面板中的創(chuàng)建虛擬通道函數(shù)、定時函數(shù)、通道調零、啟動任務函數(shù)、讀取函數(shù)、清楚任務函數(shù)來完成電標定信號的采集[13,14]。電標定采集VI如圖6所示。

3.2.2 機械標定程序

機械標定程也是通過函數(shù)面板中的各個采集函數(shù)來控制完成機械標定過程的數(shù)據采集。機械標定采集VI如圖7所示。

圖6 電標定采集圖Fig.6 Electrical calibration acquisition diagram

圖7 機械標定采集圖Fig.7 Mechanical calibration acquisition diagram

3.2.3 動態(tài)采集與數(shù)據保存程序

動態(tài)數(shù)據采集與數(shù)據保存可完成懸臂梁震動信號的采集，并可將采集的數(shù)據保存在Excel的表格中。動態(tài)數(shù)據采集與數(shù)據保存VI如圖8所示。

圖8 動態(tài)采集圖Fig.8 Dynamic acquisition diagram

4 結論

(1)根據信號測試要求，設計了具有電標定、機械標定功能的電阻應變信號采集系統(tǒng)。

(2)利用標準等強度懸臂梁及動態(tài)電阻應變儀為核心的測試系統(tǒng)與該系統(tǒng)測量結果進行比較，實驗結果表明，系統(tǒng)穩(wěn)定性和準確性較高，可用于工程實際測量。

參 考 文 獻

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