何吉祥+++樊可清

摘 要：測(cè)試一輛自行車遭遇正面沖撞時(shí)，車架橫梁、斜梁、豎梁等關(guān)鍵部位的受力大小以及不同部位沖擊力之間的相互關(guān)系。將應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)處理結(jié)果與理論分析的結(jié)論進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)在自行車三個(gè)梁的關(guān)鍵部位粘貼應(yīng)變片，分析三個(gè)梁的變形方式。同時(shí)比較各處受力峰值之間的時(shí)間差，最后判斷車架斷裂危險(xiǎn)情況。文章以虛擬儀器LabVIEW為平臺(tái)開(kāi)發(fā)了應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多通道數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)管理，實(shí)時(shí)顯示自行車沖撞受力過(guò)程的波形，實(shí)時(shí)顯示應(yīng)變量值。關(guān)鍵詞：自行車；應(yīng)變測(cè)試；LabVIEW；數(shù)據(jù)采集

引言

傳統(tǒng)儀器系統(tǒng)由特定的硬件系統(tǒng)構(gòu)成，功能、性能固定，而且不能進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算處理。與之對(duì)比的是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)化的儀器測(cè)控系統(tǒng)，它所用到的傳感器件與傳統(tǒng)儀器相同，功能由軟件編程實(shí)現(xiàn)，可進(jìn)行復(fù)雜控制，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)化群控。由此，虛擬儀器技術(shù)得到迅速發(fā)展，形成了以計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，以軟件為核心的信息測(cè)試、分析、存儲(chǔ)、傳輸與控制技術(shù)。虛擬儀器技術(shù)借助于計(jì)算機(jī)對(duì)采集和調(diào)理后的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算、分析、處理和顯示，從而構(gòu)成具有測(cè)試功能的計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)[1]。美國(guó)NI（National Instruments）公司的LabVIEW（Virtual Instrument Engineering Workbench），LabVIEW作為一種圖形化編程軟件，直觀、易行，更加貼近儀表系統(tǒng)的物理意義，可直接驅(qū)動(dòng)硬件系統(tǒng)，降低了對(duì)開(kāi)發(fā)者硬件能力的要求。特別的是，它開(kāi)發(fā)周期短，可現(xiàn)場(chǎng)編程、調(diào)試[2]。

本論文設(shè)計(jì)是將應(yīng)變測(cè)試技術(shù)應(yīng)用在一輛超靜定結(jié)構(gòu)的自行車，在生活中自行車是一種方便的交通工具，如果自行車遭遇碰撞，需要分析它的受力大小以及各部位的變形方式。因?yàn)樽孕熊嚊_撞時(shí)受力很復(fù)雜，研究自行車在碰撞過(guò)程中受力情況是非常有必要的。

1 電阻應(yīng)變測(cè)量原理

1.1 電阻應(yīng)變片的傳感原理

電阻應(yīng)變測(cè)量的方法是電測(cè)法，即將物理量、力學(xué)量和機(jī)械量等非電量通過(guò)敏感元件轉(zhuǎn)換成電量來(lái)進(jìn)行測(cè)量的一種實(shí)驗(yàn)方法[3]。

均勻電阻絲的阻值R可以表示為：

于是電橋輸出電壓與應(yīng)變的關(guān)系為：v=■V·K·A（？著1-？著2+？著3-？著4），其中A為增益（靈敏度）。正是由于橋臂阻值變化，得到正比變化的輸出電壓，再由輸出電壓與應(yīng)變的關(guān)系求出應(yīng)變，然后根據(jù)胡克定律得知應(yīng)力與應(yīng)變成正比，即可由應(yīng)變值計(jì)算出被測(cè)處所受的應(yīng)力值。

2 硬件系統(tǒng)搭建

應(yīng)變測(cè)試硬件系統(tǒng)由自行車、應(yīng)變片與輪輻式稱重傳感器、BZ2210系列多通道動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、NI公司的NI PCIe-6361數(shù)據(jù)采集卡與NI SCB-68屏蔽接線盒、計(jì)算機(jī)五部分組成。由傳感器件測(cè)得的電壓經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)，再由數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集電壓信號(hào)，在計(jì)算機(jī)上利用LabVIEW編程完成對(duì)應(yīng)變量的實(shí)時(shí)測(cè)量。總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

2.1 車架橫梁、斜梁及豎梁等主梁受力形式測(cè)試示意圖

2.2 稱重力傳感器

美國(guó)TRANSCELL（傳力）輪輻式傳感器，優(yōu)質(zhì)合金鋼材質(zhì)，高精度、高穩(wěn)定性，安裝簡(jiǎn)便、快速，表層鍍鎳防腐處理。本設(shè)計(jì)使用的力傳感器量程為2t，額定輸出為3.0mv/V，偏差±0.25%。量程2t，3.0mv/V，它的原理是：如果供橋電壓為1V，當(dāng)稱重2t時(shí)電橋輸出是3.0mv。如果選擇應(yīng)變儀的供橋電壓為4V，靈敏度為10（即1000倍放大），調(diào)零。這時(shí)，傳感器稱重2t時(shí)電橋輸出12.0mV，經(jīng)過(guò)1000倍放大后得到12.0（伏）電壓，得到比例系數(shù)是（2t/12.0，kg/伏）。把一個(gè)未知的重量的物體放在傳感器上，讀應(yīng)變儀的輸出電壓，假設(shè)讀到的電壓是U（伏），那么該物體的重量是U*（2000/12.0），單位為kg。使用力傳感器的目的是明顯看到人推自行車的用力大小情況。

2.3 信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)

由于自行車碰撞所產(chǎn)生的應(yīng)變信號(hào)微弱，需要信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)將其放大和濾波。本設(shè)計(jì)使用的動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀為自動(dòng)平衡應(yīng)變儀，并且可以組成多通道。橋盒與應(yīng)變儀是配套使用的，應(yīng)變片通過(guò)橋盒接成惠思登電橋，圖3為橋盒的結(jié)構(gòu)，橋盒結(jié)構(gòu)接口①和⑤、⑤和⑥、③和⑦之間的電阻為120歐標(biāo)稱電阻，可以接任何方式的橋。

圖3中，A1、A2測(cè)量電橋相對(duì)的兩個(gè)臂；D1、D2測(cè)量電橋相對(duì)的兩個(gè)臂。將貼在自行車上的應(yīng)變片接入橋盒，再輸入應(yīng)變儀，調(diào)零，再通過(guò)調(diào)節(jié)應(yīng)變儀前面板的供橋電壓和靈敏度（即增益，x 100）來(lái)控制輸出電壓 。應(yīng)變儀輸出電壓范圍為±10Vp。

2.4 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括NI公司的PCIe6361數(shù)據(jù)采集卡與NI SCB-68屏蔽接線盒兩部分。數(shù)據(jù)采集卡是將預(yù)處理以后的模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，存到指定的地方，其核心是A/D轉(zhuǎn)換器[5]。PCIe6361數(shù)據(jù)采集卡具有16路模擬輸入通道，分別是AI 0～AI 15，16位分辨率。量程±10V，滿足信號(hào)從通過(guò)應(yīng)變儀調(diào)理后輸出的電壓的要求。NI SCB-68是一款屏蔽式I/O接線盒，采集卡結(jié)合屏蔽式電纜時(shí)，屏蔽電纜關(guān)鍵提供堅(jiān)固且噪音極低的信號(hào)終端。

選擇以上硬件做自行車碰撞試驗(yàn)，成本比較大，因?yàn)樵囼?yàn)是在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，故選擇以上硬件已滿足了做試驗(yàn)的條件。如果應(yīng)用在工業(yè)上，不建議選擇NI公司的采集卡，可以使用其他方法采集數(shù)據(jù)。

3 軟件系統(tǒng)平臺(tái)

3.1 前面板設(shè)計(jì)

前面板是圖形用戶界面，經(jīng)過(guò)修飾優(yōu)化，總共五個(gè)波形顯示圖，對(duì)于自行車的三個(gè)梁分為不同通道實(shí)時(shí)顯示自行車沖撞的受力過(guò)程變化，實(shí)時(shí)顯示應(yīng)變數(shù)值及峰值時(shí)間。前面板如圖4所示。

3.2 程序框圖設(shè)計(jì)

程序框圖包括數(shù)據(jù)采集模塊、采集電壓轉(zhuǎn)換成應(yīng)變值選擇功能模塊、數(shù)值顯示模塊以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理模塊幾部分組成。本設(shè)計(jì)采用供橋電壓為4V，靈敏度選擇為1000，靈敏系數(shù)為2，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，自行車碰撞一般為幾百微應(yīng)變，部分自行車能達(dá)到700-1000微應(yīng)變左右?？傮w程序框圖如圖5所示[6]。

4 數(shù)據(jù)處理與分析

4.1 分析三個(gè)梁的變形方式

根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)有限元分析的理論，選中自行車的三個(gè)關(guān)鍵部位貼應(yīng)變片。根據(jù)自行車的高度，安裝好力傳感器在墻上的高度。力傳感器穩(wěn)定固定在墻上，理論上不能有任何移動(dòng)，否則會(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。把自行車的輪胎緩沖作用忽略，默認(rèn)力傳感器測(cè)量到的沖擊力就是自行車輪胎受到的沖擊力。人推著自行車往力傳感器沖撞，重復(fù)沖撞多次，拿出三次典型數(shù)據(jù)分析，同時(shí)三次人推自行車用力大小逐漸增加，由于惠思登電橋不是完全理想平衡和包括底噪的干擾以及儀器誤差和系統(tǒng)誤差，每次碰撞前都需記錄下應(yīng)變初始值，應(yīng)變初始值，即均值，測(cè)試系統(tǒng)前面板顯示的應(yīng)變均值就是這個(gè)目的，將自行車碰撞之后的最大值減去應(yīng)變初始值，即三個(gè)梁分別受到的最大應(yīng)變量。

三次應(yīng)變初始值如表1所示，單位為微應(yīng)變。

三次自行車試驗(yàn)碰撞后的最大應(yīng)變值如表2所示，單位為微應(yīng)變。

前文已提到，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，自行車碰撞一般為幾百微應(yīng)變，性能差一點(diǎn)的自行車能達(dá)到700-1000左右微應(yīng)變，故本次試驗(yàn)是成功的，數(shù)據(jù)是可靠的。測(cè)試系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示自行車沖撞的受力過(guò)程，第三次自行車碰撞受力過(guò)程如圖6所示。

從表1、表2及圖6，可以得出以下結(jié)論：

（1）隨著人推自行車用力的增加，受到的應(yīng)變量也是遞增的，這符合實(shí)際情況；（2）車架受力最大的部位是斜梁，橫梁次之，豎梁最小，也符合實(shí)際情況，因?yàn)樾绷焊囕喬プ罱咏?，自行車一碰撞，斜梁產(chǎn)生的變化最大，而豎梁處于自行車的后部，自然受到的沖擊最??；以第三次試驗(yàn)橫梁為例，碰撞后的受力值減去初始值大約為800微應(yīng)變，應(yīng)變片是貼在橫梁的上下表面，且對(duì)稱，上表面為R1，下表面為R2，接的是相鄰橋臂。實(shí)驗(yàn)前假設(shè)橫梁是彎曲變形，且由上表面往下表面方向彎曲，即一個(gè)微小的弓形，具體力分析圖見(jiàn)圖7所示。碰撞過(guò)程中上表面的應(yīng)變片被拉伸，而下表面的應(yīng)變片同比例同時(shí)壓縮，所以如果是相鄰橋臂，輸出電壓為半橋電壓，如果是拉壓變形，上表面和下表面的應(yīng)變片同時(shí)被拉伸，而接的還是相鄰橋臂，那么輸出電壓就為0。由于此次試驗(yàn)有明顯的應(yīng)變量變化，代表橫梁受到的變形方式為彎曲變形，可以這樣說(shuō)，在存在彎曲變形和拉壓變形的情況下，彎曲變形占主導(dǎo)變形方式。其他梁類似分析，也都是彎曲變形。

4.2 比較各處受力峰值之間的時(shí)間差

各處受力峰值時(shí)間如表3所示，單位為秒。

由表3可以得出：每次碰撞，力傳感器肯定是先受力的，然后橫梁和斜梁幾乎同步受力，而豎梁每次受到的沖擊作用時(shí)間稍微滯后。

由自行車車架沖撞時(shí)受力的大小不同以及沖擊受力時(shí)間的不同，可以判斷自行車在受到較大碰撞接近斷裂時(shí)，橫梁和斜梁比豎梁會(huì)先出現(xiàn)危險(xiǎn)斷裂情況。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)在自行車三個(gè)主梁的合適位置的上下表面貼應(yīng)變片，分析出車架橫梁、斜梁和豎梁三個(gè)梁的變形方式主要是彎曲變形，也分析出自行車每次碰撞的受力最大的部位是斜梁。同時(shí)比較各處受力峰值之間的時(shí)間差，得到三個(gè)梁分別作用時(shí)間先后。綜合以上分析，可以判別出橫梁和斜梁最先出現(xiàn)斷裂情況。受到的應(yīng)變?cè)酱?，作用時(shí)間越早，證明接近斷裂的程序越快。本論文以虛擬儀器技術(shù)為平臺(tái)，設(shè)計(jì)出應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多通道數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)管理，實(shí)時(shí)顯示自行車沖撞受力過(guò)程的波形，實(shí)時(shí)顯示應(yīng)變量值。

參考文獻(xiàn)

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