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基于虚拟仪器技术的应变测量
点击次数:2409 发布时间:2009-10-20
0 虚拟仪器技术与LabVIEW
   
虚拟仪器技术是利用高性能的模块化硬件,结合灵活的软件完成各种测试、测量和自动化的应用。虚拟仪器技术具有性能高,扩展性强,开发时间少及出色的集成能力等优势。基于虚拟仪器技术可以开发适应不同应用场合的虚拟仪器测试方案,更好地组建自动化程度较高,数据处理分析能力较强的测试系统口。Lab-VIEW是一个具有革命性的图形化开发环境,内置信号采集测量分析与数据显示功能,摒弃了传统开发工具的复杂性,在提供强大功能的同时,还保证了系统的灵活性;LabVIEW将广泛的数据采集、分析与显示功能集中在同一个环境中,可以在自己的平台上无缝地集成一套完整的应用方案Ⅲ。正因为具有如此巨大的优点,使它成为建立测试与测控系统的zui佳选择。
1 应变测量原理
   
半导体应变片可用于应力测量和应力分析,以及作为各种传感器的力一电转换元件,它基于金属丝在受拉或受压后发生弹性形变,其阻值也随之产生相应的变化这一物理特性实现的。
    在金属丝变形的弹性范围内,
电阻的相对变化△R/R与应变△L/L成正比,因而△R/R=K△L/L。其中,K为电阻应变片的灵敏系数。用应变片测量应变或应力时,是将应变片粘贴于被测对象上,在外力作用下,被测对象表面产生微小机械变形,粘贴在其表面上的应变片亦随其发生相同的变化,因此应变片的电阻也发生相应的变化。当压力F在一定范围内时,应变εx以一个常数正比于F。
   
     L为两孔中心距的50%;E为梁的弹性模量;b为梁的宽度;h为孔上下zui薄处的厚度。当力F使单个应变片的电阻变化△R时,全桥测量电路的输出电压U0=U△R/R.
    其中,信号调理电路包括信号放大和滤波,其作用是对信号进行必要的调理。如果选用NI公司具有信号调理模块的数据采集卡,则不必再另外设计信号调理电路.
2 应变片选用——BP型半导体应变片
   
BP型半导体应变片可用于应力测量和应力分析,并作为各种传感器的力-电转换元件。它们具有灵敏度高(比金属应变片大50~100倍左右),机械滞后小,体积小,耗电少等优点。其高的灵敏度使输出信号电平增大几十倍,所以不必采用放大器而直接用电压表或
示波器等简单仪表就可以直接记录测量结果,因而使得测量仪表大为简化;再加上它的机械滞后小,可以测量静态应变、低频应变等,在许多新技术中,如火箭、导弹、飞机等制造工业及遥测系统中,半导体应变片具有独特的应用价值。
    BP-6-120型半导体应变片技术参数:
    硅丝尺寸为6mm×0.4 mm×0.05 mm;基底尺寸为10 mm x 6 mm;灵敏系数120;电阻温度系数小于0.2%;灵敏度温度系数小于0.16%;允许工作电流25 mA;允许zui大应变2 000με;极限工作温度100℃。

3 信号滤波电路
   
从应变片组成的
电桥电路中出来的电压信号通常会伴随着噪声、振动等于扰,为了得到较为准确的低频应变信号,在将采集到的应变信号送到计算机之前,需要进行滤波处理。双二阶环滤波电路利用两个以上的加法器、积分器等组成的运算放大电路,根据要求的传递函数,引入适当的反馈,构成滤波电路。其突出特点是电路灵敏度低,特性非常稳定,并可实现多种滤波功能,这里使用低通滤波.
   
41 电阻片的温度效应
   
电阻片由金属材料制成,它的阻值随着温度的变化也将产生变化。另外,由于试件和电阻材片的线性膨胀系数不同,从而会使电阻片的阻值发生变化。温度变化引起的电阻变化是客观存在的,但不希望在测量结果中反映出来。
4.2 温度补偿
    作为测量电桥的四个臂,当称重时受到负载F的作用后,R1,R2受拉伸阻值增加,R3,R4受压缩阻值下降,四个应变片组成差动电桥,输出特性的线性度好,并且还具有温度补偿作用。输出应变信号电压为:
43 桥路预调零点
   
为测量方便起见,在试件变形前,要求电桥起始输出电压等于零,即U0=0。要挑选完全一样的电桥电阻是很困难的,可以采取在电桥上调零的措施来达到使其平衡的目的。
5 测量系统硬件组成和软件设计
    系统硬件部分主要包括双孔梁、BP-6-120型半导体应变片、全桥电路、通用PC机、数据采集卡,信号调理电路 。利用NI公司的LabVIEW 8.0软件作为程序设计编译环境和工具。
   
    启动应用程序,输入相关测试参数和采样数据存放路径,点击“采集数据”开始,进行应变量的采集,点击处理数据,程序对所采样数据进行计算处理,得出在力F作用下的应变值。
    基于LabVIEW图形化的编程方式直接简便,使得程序更加简洁,降低程序的开发难度,减少程序的开发时间。本软件设计主要完成应变信号数据的采集、管理、处理分析与结果输出等。 
6
    介绍在LabVIEW平台下设计应变测量系统的方法。LabVIEW在测试测量领域有着的优势,是仪器开发领域的一个新的发展方向。该文给出了它的一个简单应用,实现了对应力应变信号的实时数据采集和检测。
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