基于LabVIEW的应变测试系统设计

0　引言

    20世纪80年代后期以来随着计算机进入测试领域而诞生的虚拟仪器技术,形成了以计算机及网络为基础,以软件为核心的信息测试、分析、存储、传输与控制技术。该技术是应用I/O接口设备完成信号的采集与调理,借助于计算机对采集和调理后的信号进行计算、分析、处理和显示,从而构成具有测试功能的计算机仪器系统.美国NI(National Instruments)公司的LabVIEW (Virtual Instrument EngineeringWorkbench),由于其开发效率高、程序修改维护简便、产品具有丰富的功能和很好的集成性,成为最流行的虚拟仪器开发环境。

    应变测量是分析研究机械结构和机械强度问题的重要手段,以及保证机械设备安全运行、实现自动检测和自动控制等都具有重要的作用。在各种应变测量方法中,电阻应变式测量法是最基本和应用最广泛的测量方法。以应变测量为基础,还可以测量多种参量,如力、扭矩、温度以及位移等。传统的应变测量系统由应变计、电阻应变仪以及显示记录仪等组成,仪器之间必须严格匹配,调试和使用麻烦,不能对测量数据作进一步分析、处理与存储,其功能单一且不易扩展,难以满足应变测量内容的多样性对应变测量仪器提出的各种不同的要求。随着计算机技术和虚拟仪器技术的发展,使解决上述问题成为可能。

1　应变测量原理

    电阻应变片的工作原理是基于金属导体的电阻-应变效应,即当金属导体在外力作用下发生机械变形时,其电阻值将相应的发生变化。金属导体的电阻-应变效应应用应变灵敏系数K描述,它决定于导体电阻的相对变化△R△R /R与其长度相对变化△l/l之比值:

l/l=△R /Rε

式中,ε=△l/l-轴向应变,在实际应用中,电阻应变片的灵敏系数K为2.0左右的常数。

    使用应变片测量应变时,是将应变片牢固的粘贴在被测试件表面上,当试件受力变形时,引起了应变片电阻的变化。应力-应变的关系是:

    σ=E·ε

式中,E为试件材料弹性模量;σ为试件的应力;ε为试件的应变。

    应变片将被测试件的应变转换成电阻相对变化△R /R ,借助测量电路将其电阻变化进一步转换成电压或电流信号用电测仪表进行测量或用计算机进行数据采集实现自动检测。通常采用的测量电路为直流电桥电路,图1为单臂直流电桥。R₁为应变片,R₂、R₂、R₄三个电阻的阻值与R₁在未受力时的阻值相等,且负载电阻R_L为无穷大。当电桥电压为Ui时,电桥的输出电压为:

    由上式可见,直流电桥将应变转换为电压的输出。

2　硬件构成