張春青，于桂賓，劉春哲，蔡廣新

(承德石油高等?？茖W(xué)校機(jī)械工程系，河北 承德 067000)

材料力學(xué)性能的測(cè)試不僅是高校材料力學(xué)的課程的一部分內(nèi)容，而且也是企業(yè)及科研人員常用的一種材料性能測(cè)試手段，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必做的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之一，因此對(duì)測(cè)試方法和測(cè)量精度要求較高，本試驗(yàn)裝置是采用臺(tái)灣研華的PCI1713高速采集卡和美國國家儀器公司(簡(jiǎn)稱NI公司)的軟件Labview進(jìn)行開發(fā)的，測(cè)試數(shù)據(jù)精確，可移植性好，能進(jìn)行靜動(dòng)態(tài)測(cè)量［1］。

1 測(cè)試系統(tǒng)組成

系統(tǒng)組成以PCI1713高速數(shù)據(jù)采集卡為核心，將應(yīng)變儀的直流電橋輸出的電壓經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路處理來滿足數(shù)據(jù)采集卡對(duì)采集信號(hào)的要求，利用LabVIEW編程完成對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集測(cè)量和數(shù)據(jù)處理?？傮w設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2 應(yīng)變儀

應(yīng)變儀部分主要由測(cè)試梁、粘貼在梁上的應(yīng)變片及加載梁構(gòu)成(如圖2所示)。1～5為測(cè)量片，0為溫度補(bǔ)償片(消除隨著溫度電阻應(yīng)變片的阻值的變化)，位于不受力的梁端，起溫度補(bǔ)償作用。選用應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為2.0，電阻為120 Ω，采用雙面貼片，可構(gòu)成1/4橋，半橋和全橋測(cè)量。

3 信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)

由于應(yīng)變片電橋的輸出為微弱的直流信號(hào)，而PCI1713采集卡需要的是1－5V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，為此設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路將其放大。其次從電橋輸出的信號(hào)易受到噪聲和震動(dòng)的干擾，因此設(shè)計(jì)放大電路時(shí)，應(yīng)考慮到濾波功能。

雙二階環(huán)濾波電路是采用兩個(gè)以上的積分器、加法器等組成的運(yùn)算放大電路，可根據(jù)要求的傳遞函數(shù)，引入適當(dāng)?shù)姆答仯瑯?gòu)成濾波電路。其突出特點(diǎn)是電路靈敏度低，特性非常穩(wěn)定，并可實(shí)現(xiàn)高通、低通、帶通、帶阻等多種濾波功能［2］，本系統(tǒng)采用了 TI公司的四通道運(yùn)放OPA404，設(shè)計(jì)了一個(gè)雙二階環(huán)濾波電路。本系統(tǒng)選用的是低通濾波，具體電路如圖3所示。

構(gòu)成低頻濾波器時(shí)，電路固有頻率和通帶增益如下:

式中，RG:上拉電阻，kΩ，RC:濾波電阻，kΩ，R1，R2:比較器電阻，kΩ，RF1，RF2:反饋電阻，kΩ，C1，C2:濾波電容，PF。

4 數(shù)據(jù)采集卡

信號(hào)調(diào)理單元輸出的信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡并轉(zhuǎn)換為供計(jì)算機(jī)讀取數(shù)字信號(hào)。采集卡選用研華公司的基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡PCI-1713，它有32通道隔離模擬量輸入，其特點(diǎn)如下:

1)具有32路單端輸入或者16路差分輸入，滿足本系統(tǒng)的6個(gè)測(cè)量參數(shù)的要求，同時(shí)留有一定的擴(kuò)展余地。

2)具有12位的A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換精度高，轉(zhuǎn)換時(shí)間為 2.5 μs。

3)采樣頻率可達(dá)100 kHz，能夠?qū)崟r(shí)反映系統(tǒng)參數(shù)的變化。

4)通道增益可編程。

由于來自傳感器或應(yīng)變片的的信號(hào)比較容易受到干擾影響，尤其是共模干擾(主要是由數(shù)據(jù)采集卡PCI1713地電位和信號(hào)源地電位不完全相等造成)，采用模擬量的差分輸入可以消除模擬量的共模干擾。如果信號(hào)源比較干凈，可以采用單端輸入的方式。本系統(tǒng)采用差分輸入模式，其模擬輸入信號(hào)連接方式如圖4所示。

圖4中，Vs為待測(cè)量的模擬信號(hào)，Vcm為待測(cè)量模擬信號(hào)地與PCI1713地之間的共模電壓。

5 數(shù)據(jù)采集及處理

采集軟件采用LabVIEW編程完成實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果，測(cè)試界面見圖5所示。在圖2所示的位置施加載荷，點(diǎn)擊測(cè)試界面的測(cè)量按鈕，就會(huì)測(cè)得該載荷下，5個(gè)點(diǎn)的應(yīng)變情況，然后逐級(jí)增加載荷。

根據(jù)公式 σ =Eε，得 Δσi實(shí)=EΔεi平均(Δεi平均為第 i點(diǎn)應(yīng)變?cè)隽康钠骄?，測(cè)完后點(diǎn)擊數(shù)據(jù)處理就可以由軟件自動(dòng)計(jì)算出結(jié)果，并與理論值進(jìn)行比較。

結(jié)合ansys軟件繪制受力后的變形狀況，圖6所示的是梁彎曲實(shí)驗(yàn)中加載后梁的變形圖，在實(shí)驗(yàn)過程中還可以看到梁變形的動(dòng)畫演示，更加深了學(xué)生對(duì)此內(nèi)容的理解。

本測(cè)試系統(tǒng)不僅可以對(duì)已知梁材料進(jìn)行的測(cè)量，計(jì)算結(jié)果與理論值比較，來驗(yàn)證彎曲正應(yīng)力公式，而且還可以根據(jù)測(cè)試曲線，根據(jù)來反求測(cè)試材料的類型。應(yīng)力增量的理論值由

式中，F(xiàn)a:試驗(yàn)力，N，a:梁支撐間距離，mm，b:梁寬度，mm，h:梁高度，mm，y:測(cè)點(diǎn)距梁端點(diǎn)距離，mm。

按照?qǐng)D2所示的裝置尺寸計(jì)算出σ，由測(cè)試系統(tǒng)可直接測(cè)出應(yīng)變的值，因而由公式σ=Eε可求出被測(cè)梁的彈性模量。在彈性范圍內(nèi)，逐級(jí)增加載荷，分別求出彈性模量的值，取其平均值。根據(jù)測(cè)試軟件繪制的應(yīng)力-應(yīng)變的曲線圖，曲線的斜率即為E，對(duì)比求出的平均值和斜率，從而判斷出梁(被測(cè)構(gòu)件)的材料［3，4］。

6 結(jié)束語

該測(cè)試系統(tǒng)具備以下功能

1)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示測(cè)量曲線。

2)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，與ansys相結(jié)合，繪制受力后的變形圖及應(yīng)力云圖。

3)具有數(shù)據(jù)庫管理功能，可以查詢已做的試驗(yàn)結(jié)果

4)系統(tǒng)適應(yīng)性強(qiáng)，可適應(yīng)各種場(chǎng)合和任何電阻值的應(yīng)變信號(hào)輸入。

5)系統(tǒng)不僅能測(cè)試已知材料的應(yīng)力應(yīng)變，而且還可以根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)繪出的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的求出被測(cè)件材料的彈性模量，從而推斷被測(cè)構(gòu)件的材料。

通過該測(cè)試系統(tǒng)，不僅可以在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上完成應(yīng)力應(yīng)變的自動(dòng)測(cè)試，降低測(cè)試成本，提高測(cè)試效率，增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性，同時(shí)給教學(xué)實(shí)驗(yàn)帶來很大的方便，通過實(shí)時(shí)曲線和變形動(dòng)畫，一方面提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，另一方面也加深了對(duì)理論知識(shí)的理解。同時(shí)該系統(tǒng)在一定程度上為鑒定金屬材料的主要成分提供了一種先進(jìn)可行的辦法。

［1］趙海新，左明偉，孫曉娜.電子點(diǎn)火與電控?zé)嵊蛧娚鋵?shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.承德石油?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2013，15(2):55 －59，62.

［2］張國雄，金篆芷.測(cè)控電路［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

［3］朱玉萍，蘇 虹，戴樂云，等.應(yīng)變電測(cè)的灰色建模方法［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2002，23(6):95－98.

［4］NEEBELDanial J，BLANDINO Joseph R，LAWRENCEDavid J.Stress and strain［J］.College ofIntegratedSci-ence andT-echnologyJamesMadisonUniversity，2002，20(2):103 －110.