（机械电子工程专业论文）基于虚拟仪器技术的应变测试仪的研究与开发.pdf

中文摘要 摘要 应变测基是机械工程中分析零件或缩构受力状态、验证设计豹芷确性、确定整 机在实酥工作时负载情况和研究某些物理现象机理的重要手段之一，因此，快速 开发高性能应变测试仪十分必要。本文首先介绍了国内外应变测量仪器的现状和 发展趋势分析了传统硬件化成变测量仪器的主要特点及其存在的不足。随后介 绍了应变测量的理论、方法以及相关的信号处理知识，浏时还介绍了虚拟仪器技 术的概念、特点以及虚拟仪器的开发技术，并和传统硬件化仪器做了对比，突出 了虚拟仪器的优越性。虚拟仪器代表着从传统硬件为主的测量系统到以软件为中 心的测量系统的根本性转变，是对传统仪器概念的重大突破。然后提出用虚拟仪 器技术来改造传统硬件纯应变测量仪器，开笈了基于虚拟仪器技术的应变测试仪。 在本文中，详细阐述了虚拟式应变测试仪系统的逻辑结构和软硬件设计，并以 v i s u a lc + + 为开发平台，运用面向对象( o o p ) 的软件设计方法，掏建出了图形逼 真、功能强大的虚拟式应变授4 试仪。该系统的软件由主控制模块、初始他模块、 数据采集模块、数据处理模块、图形显示模块、存储打印模块和辅助功能摸块七 部分组成，实现了对应变信号进行采集、处理、分析和显示。系统可对与应变浏 璧有关的多类型参量进行实时铡量，将信息的采集和处理一体化，数据和结果实 现可视化，其价格比传统应变测量仪器低廉，大大提高了工作效率。同时对测试 仪器进行了现场测试实验，并对测试结果进行了误差分析，提出了解决的方法和 措施。通过对该系统的研究t 突出了软件才是虚拟仪器的核心，强调了基于虚拟 仪器技术的应变测试仪的实际应用价值。最履提出了系统进步开发的设想，即 网络化分布式测试系统。 本文介绍的虚拟式应变钡4 试仪，是在秦树人教授但导下将虚拟仪器技术应用于 涮试系统酌一次成功的尝试。工程实践表明，虚拟式应变测试仪具有功能强、精 度高、效率商、成本低、歼故性和扩展性好等优点，完全可以替代传统的硬件化 应变测量仪器，是一种可以广泛推广应用的测量仪器。 关键词；应变测量，软件开发，虚拟仪器 a b s t r a c t s t r a i nm e a s u r e m e n ti so n eo ft h ei m p o r t a n tm e a n s 嫩a ta n a l y s e sa c c e s s o r yo r s t r u c t u r es t r e s s , v a l i d a t e sd e s i g nc o r r e c t n e s s ，c o n f i r m sc o m p l e t em a c h i n et o a ds t a t u s w h e n w o r k i n g o rs t u d i e sp h y s i c a lp h e n o m e n o nm e c h a n i s mi nm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g s ow i t hq u i c ks p e e dd e v e l o p i n gh i g h - p o w e r e ds t r a i nm e a s u r i n gi n s t r u m e n t si sn e e d e d ， t h e p a p e rf i r s t l y i n t r o d u c e st h es t r a i nm e a s u r e m e n t p r e s e n ts t a t u sa n dd e v e l o p i n g t r e n d a th o m ea n d a b r o a d ，a n a l y s e s t r a d i t i o n a lh a r d w a r e - b a s e di n s t r u m e n tf o rs t r a i n m e a s m x a 器e n tk e yf e a t u r ea n de x i s t i n gs h o r t a g e s s u b s e q u e n t l yi n t r o d u c et h et h e o r y , m e t h o do f s t r a i nm c a s u r e m e i a ta n dc o r r e l a t i v es i g n a lp r o c e s s i n g k n o w l e d g e a t t h es a m e t i m ei _ n t r o d u e e s c o n c e p t i o n , c h a r a c t e r i s t i c o fv i r t u a li n s t n m a e n t t e c h n o l o g y a n d d e v e l o p m e n tt e c h n i q u e o fv i r t u a li n s t r u m e n t 1 1 1 ev i r t u a li n s t r u m e n ta n d h a r d w a r e b a s e di n s m m a e n ta r ec o m r a s t 舔w h i c hs t a n d so u tt h es u p e r i o r i t yo fv i r t u a l i n s t r u m e n t 1 n l ev i r t u a li n s t r u m e n ti 8as i g nt h a tm e a s u r c t n e n ts y s t e mi st r a n s f o r m i n g f r o mh a r d w a r e - b a s e ds y s t e mt os o f t w a r e - b a s e ds y s t e m 。i th a sb r o k e n t h r o u g h t r a d i t i o n a l c o n c e p t o fi n s t r u m e n t t h e n b r i n g f o r w a r d c h a n g i n g t r a d i t i o nh a r d w a r e - b a s e d i n s t r u m e n tf o rv i m a a ii n s t r u m e n t t e c h n o l o g y , d e v e l o p t h es t r a i nm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t b a s e do i lv i r t u a li n s t r u m e n t t e c h n o l o g y i nt h i sp 氍i t e x p a t i a t el o g i cs t r u c t u r ea n ds o f t w a r ea n dh a r d w e x ed e s i g no f v i r m a ls t r a i nm e a s u r e m e n ts y s t e m a tv i s u a lc + + d e v e l o p m e n tp l a t f o r l t lu s i n go o p s o f t w a r ed e s i g nm e t h o dd e v e l o pt h ev i r t u a ls t r a i nm 龉瓢簌燃e 蛙i n s t r u m e n t 馕蛀i 挺 f i g u r ei st r u et on a t u r e i t sf u n c t i o ni sp o w e r f u l t h es o f t w a r eo f s y s t e mi sc o m p o s e d o f c e n t e rc o n t r o lm o d u l e , i n i t i a l i z a t i o nm o d u l e , d a t ap r o c e s s i n gm o d u l e , d a t a p r o c e s s i n g m o d u l e ，g r a p h i c a ld i s p l a ym o d u l e ，d a t as t o r a g em o d u l ea n dt h ea u x i l i a r yf u n c t i o n s m o d u l e i tf u l f i l ss i g n a la c q u i s i t i o n , p r o c e s s i n g , a n a l y s i sa n dd i s p l 移t h es y s t e mc a n 砖啦i z er e a l - t i m em e a s u r e m e n tf o rm a n yp a r a m e t e r st h a tc o r r e l a t ew i t hs t r a i n 。i tc a l l r e a l i z ei n t e g r a t i o nf o rs a m p l i n ga n dp r o c e s s i n go f s i g n a l ，v i s u a l i z a t i o nf o rd a t aa n d r e s u l t 。t h es y s t e mi sl o w e rc o s ta n dh i g h e rw o r ke f f i c i e n c ya tt h es a m et i m ew i t h i n s t r u m e n td oe x p e r i m e n to i ls i t et e s t i n g , 如e 舯r a n a l y s i st ot e s tr e s u l t , b r i n gf o r w a r d r e s o l v em e t h o da n dl 箍鬏塔蹴巍s t a n do u tt h a ts o f t w a r ei sap i t ho fv i r t u a li n s t r u m e n t 1 1 1 ea p p l i e dc o s to fv i r t u a ls t r a i nm e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do n c o m p o n e n tt e c h n o l o g y i ss t r e s s e d l a s t l yb r i n gf o r w a r d t h e 融晒嚣d e v e l o p m e n t o f s y s t e m t h a ti sd i s t r i b u t i n g n e t w o r km e a s u r e m e n t m 重庆大学硕士学位论文 i n t r o d u c e dv i r t u a ls t r a i nm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n ti nt h ep a p e ri sas u c c e s s f u lt r y t h a tp r o f is h u r e nq 证t a k et h ei n i t i a t i v e a p p l y v i r t u a li n s t r u m e n t t e c h n o l o g y t o m e a s u r e m e n ts y s t e m e n g i n e e r i n gp r a c t i c em a k es h o wt h a tv i r t u a ls t r a i nm e a s u r e m e n t i n s t r u m e n th a v et h ef e a t u r e st h a ti t sf u n c t i o ni s p o w e r f u l ，i t sp r e c i s i o ni sh i g h , i t s e f f i c i e n c yi sh i g h ，i t sc o s ti sl o wa n di t so p e n n e s sa n de x p a n s i b i l i t yi sg o o d i tc a n r e p l a c et r a d i t i o n a lh a r d w a r e - b a s e di n s t r u m e n tf o rs t r a i nm e a s u r e m e n tc o m p l e t e l y , i sa m e a s u r e m e n ti n s t n j m e n tt h a tc a nb ee x t e n d e da b r o a d k e y w o r d s ：s t i 血lm e a s u r e m e n t , s o r w a r e d e v e l o p m e n t , v i r t u a li n s t r u m e n t 1 绪论 1 绪论 l 。l 测试领域磷稿韵挑战与j c 壹策箨】 随蓿糯代科学技术的发展，计算机、微电子技术、现代新型传感器锩技术在 溅试溪竣巾麓褒溺，太大强裹了祷试系统鹣现代稳隶平。现代黉l 试技术矗大大不 同于传统测试技术，它包撤信号采集、信姆变换岛传输、信号处蠼与分析、信号 记袋与显器靛综合技寒，绘蒋统测试带寒了一系裁麴蓊弱煮、新方法采舔技术。 近年来，随着测试对象的多元化和集成化，使产品结构日趋复杂，产。绉性能不 甄箍毫，以爱枣塌瓣残本、对鼓槛疆裁熬鼹蓥严禚，产器灞试溺簇已戏菇大多魏 厂窳关注的焦点。从用户的观点来讲，今天的测试领域耐临着三大主要挑战是： 溅试袋本不凝堪瓤；溅试系绞蘧寒蘧复杂薄蘸试援囊戆绦护要蕊越来越强嚣； 虽然增加产品的电气稷度可以增加其功能与性能，提扦产品升级，但怒，所增 黧戆凌毙与缝能帮器要逶过灏试寒像涯箕壤鐾，嚣筵，涟饕产品岛气程度懿增黧， 测试成本璁在不断增大，如何降低测试成本越来越爨到广泛的关注。 袋在谗多矮户搜震熬溅试系统楚簧统谈嚣意义上豹测试系统，擒麓这撵一书溅 试系统需赘多台设备，设错之间必颁很好的匹配，设备的选型、调试和使用比较 寒媛，瑟且设备功鼹单一、露定，不雾扩瀑。虽然传统瘟变佼在溺壁粒耩度、稳 定靛和可繇性等方面都己簸比较成熟，但惩是难以满足成变测量内容的多样性对 应变测量仪器提出的各种不霹斡要求。这糖传统豹溅试系绞往往瓣不蓑容，又不 栽蔽享软、硬件瓷源，所l ；l ，传统仅器的缺点归税到底在于无法向用户提供统一 的期l 试策赂。 在产品豹研究、开发等研和、生产的垒过程申，不同阶段有不同的测试要求。 在研究、搿发阶段，技术爨任单位不仅嚣要用离矬鼹懿测试设备米检查翼没诗是 否这笺技术勰捂书上静要求，甭鼠还要确融箕安全裕量是褥足够：在生产阶段对 溅试系统的主要要求是易予使用釉溅试快捷，薅攀驮现场使熙的测试设备受4 要求 爰携、鏊瀚，并其商快速、准确静诊断能力，这势必使用户的测试投资雅于得到 有效的保护。 蒡了搽决臻试镶凌群蕊赣魏阏题与挑战，鑫戳莰器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称 v i ) 技术馒孕育而生。美国n i ( n a t i o n a l i n s t r u m e n t ) 公司予1 9 8 6 华酋先提逝虚拟 纹嚣翡赣念，与簧统铰器稳诧，盎撵役嚣在性藐、器蘑往、扩震佼滋及成本等方 面飙有更多优点，成拟仪器代表着从传统硬件为主的测量絮统到以软件为中心的 溅爨暴缝静粳奉链转交。蕊螽l 虚弧仪器霹获大大缩短蘑户菰释豹开发霜黧，增翔 程胯的可复用性，从而降低测试成本。而且，由于艨拟仪器是基于模块化软件标 重庆大学硕士学位论文 凇的开放系统，用户可以选择他认为最遮含于其应用要求的任何测试硬件。例如， 你完全可鞋自毫定义最邋含予俗生产线t 雳的低成本溺试系统，或为臻究与开发 项目设计高性能的测试系统，而这些系统的软件或硬件平台可能是相同戍兼容的。 容了痍羧仪器，王程舞黧辩学家赣虿戳宠全校攒蠹己静嚣求组建淀量霸鑫动纯系 统，而不用再受功能固愆( 完全由厂家提供) 的传统仪器的限制。所以，虚拟仪 器技本翳发震檬恚着叁动测试嚣瞧子溅鬃壤域援寒发震豹一令崭新方惫，在发遮 翻家，以虚拟仪器为代表的测试技术已缀成为一个研究的热点。 本潆蘧是将嶷攘纹器技术运耀于痰变测量，牙发了蒺予p c 。d a q 体系结搦豹 廉拟式威变测试仪，为威变测量的新方向做了一些初步的探索，并对撼于虚拟仪 糕技本戆斑变测爨技拳懿内容、方法寒臻势有了魄较深入靛扶鼋筵。 l 。2 国内外应变测量发展的历史与现状【2 4 】 1 2 1j 盘变测蠢的特点 2 - 3 应变测量是分板研究机械绥梅和机械强度阀题的豢要手段，对缳谖极壤设蚕 蜜全运彳予、实现自动检测和自动控制等方面都舆有重要的作用。在各种应变测覆 方法中，电阻应交式电测法是最基本和癍用最广泛的测攮方法。应交测量的圭蒙 优点有以下几点： ( 1 ) 测量技术较为简单，易于掌握和使用，其价格较低。 ( 2 ) 用途广泛。戳应交灏爨为基础，可制成多种传感器件，用于测量应力、 力、力矩、压力、位移等非电物理量，易于实现多点同步测量、远距离测量和遥 测，虽黥用于生产过程的自动检测和鲁动控制。 ( 3 ) 动态特性好。因其尺寸小，重壤轻，瓣本上不干扰试件的应力状态，几 擎无惯瞧，还霹缀合成务静应交花，濑鬣复杂斑力款杰，其动态应交范围可这 0 5 0 0 l 出i z 。 赝澳l 褥熬应变傻是其敏感攘覆燕嚣酸疼稳俘表露静孚戆应变，对于应力 梯度大的构件表丽或应力集中的情况，测量误差较大。如果应选用栅长很小的殿 2 1 绪论 燮毒 ，爨4 以使溅薰值尽督能地接近溅煮黝实球旋交镬。 1 2 2 应变测量装置的种类硎 蘑疆庭变溅爨装置，曼籀鞋魄辍应交诗为簸惑嚣俘熬寂力瘟变潮量纹器。按照 测摄仪器的工作频率范围以及测爨对象的频带，大致可以分为以下几种： ( 1 黪态瘟窝坟 主要用于静态应变蛾静力实黢中有荧力学的测量，邀凝应燮仪问世嫩早。当 多点涎量鲸，必须熬竣多赢预壤警循籍戬褥决多焘韬换裙零点平缀麓霹藏，壹予 测蹩静态威变对测定时劂没有要求，故可以手动平衡。图1 1 为扬卅泰司电子有限 公蠲生产懿t s 3 8 6 0 静态疲变便。 图1 1 静态应燮仪 f i g 。t ，1s t a t i cs 垃蕾ng a u g e ( 2 ) 辫、懿悫痤变仪 除了可戳溺静态应交矫，还w 以测量频率在1 0 0 h z 一2 0 0 h z 以下的动态应变， 霹以输出彀滚信号，虫零波器袋其它记录仪器记录，其输出信号豁频豢为 d c 一2 0 0 h z ( 如国产y j d 1 篷) 。 ( 3 ) 动态应变仪 主要孀子各斡祝械箍韵所弓j 越豹动态成交的测量，其结果必须用相戚的记录 装避。这类仪器道耀于测擞频率在1 0 0 0 h z 一5 0 0 0 h z 以下的撅动戏力测量，烟欧美 六撼纹器设备串蚕有聚公霹生产的d c - 9 6 a 动态藏交仅。 ( 4 ) 瞬态应变仪 逶焉予爆炸箴离速；孛漭对耱蔽交滔鳖，箕经掰的过糕往往只簧几十蓬秒，有 的箍至更斑，测量频带达至4 几豳如以至几鞭k h z 。 5 ) 数字建交搜 利用数字化拽术，将成变信号转换成数字信号，在仪器魄面授上显承或由拄 露戮手露爨谗录缝暴。 ( 6 ) 成变数攒采集系统 羹庆大学硕士学位论文 将低电平的应变信母先经必瑟的信母调理，再经过多通道切换和a d 转换器 变成数字信号，并经接鞠电路送入计算祝作迸一步楚璞，褥到凝后酶分析结栗。 这类测试系统不仅能测擞应变，而且还能测量濑度、位糁、力( 或重量) 、扭矩等 多耱参羹，麴东牮d h 3 8 1 7 应交信号溺试分辑系统。 1 2 3 成变测鬃仪器与系统的发展【4 j 欧姆定律使英鏊久懑赣矮( cw h e a t s t o n e ) 予1 8 4 3 年发袋了枣豢顿泡挢电潞， ，莳是至今仍被采用的应鼗计测量的标准呶路。自从1 8 5 6 年汤姆逊发表了在外力作 惩下金滋毫阻丝发生邀瓣交纯黪掰谓瘦燮一毫嚣效应 冀嚣，壹劐1 9 3 8 冬，美嚣豹 话蒙斯和鲁奇才发明粘贴式金属应变计，相伴出现了专门的应变测量仪器。5 0 年 代褪麓，瑞士载壤偿熬巍热式邀予管应燹纹彝甏兰飞裂灌懿交滤毫予篱痘变饺穗 继推向市场。但是，由于电阻成变计在感受应变后产生的电阻变化极其微小，所 转诧后熬电信号瞧提擞联，霹越必须将傣号绘学放大，方裁用蒋逶模攒撵承仪表 成记录仪厦示。 1 9 4 3 年h a t h w a y 缀据载波谖幅溅毽磷卷成了电阻应变仪，其测璧电撬奎泼 波振荡器供电，成变计的电阻变化在电桥的输出端产生调制波，经载波交流放大 瓣放大聪，用相敏检波器烬调还原成与嗽阻相对变化鬏成正魄豹售号。由予袋 确载波调幅的原耀，因而避开了唐流放火器所存在的零漂的问题。早期的应变测 擞都是采用该方嶷，如豳1 2 所泳。 图1 2 交流载波式电阻应变仪方框匿 f i g 1 2b l o c kd i a g r a mo f s 打a i ng a u g eo f a l t e r n a t i n gc u r r e n tc a t i e rw a v e 夔麓毫整澎交诗在工程蓑零孛静广泛应嗣，邂瑗了备释各样静应交彼。1 9 4 6 颦，r e d s h o w 对各种应变仪作了归纳，将应变仪分为静态单点、静态多点、动态 擎逶遵及动态多遴遴等嚣类。鑫麸半导体应变诤瓣整磊，1 9 6 3 年d r h m m g 鬏瓣 半导体应变计的特点，设计出了一种半爵体应变计专用的应变仪，该仪器与一般 懿载波应变役不蠲，对放大器戆要求簿 蔻了，毽瓣毫滚鹣要求卡分严臻，静要求 电源稳定。 扶5 0 年代寒到弛铝找，薅簧数字仪表熬凌现，爨游遣遗蠛了各静数字瘦变 仪。直接用数字鼹示应交值，其结果可用打印机作记录，大大撼高了测试效率。 4 l 绪论 八十年代，智能仪器和个人仪器的出现，使自动测试系缆褥以实现藩取樽革命性 魏突破。崧稍充分发挥原有微杭较、硬件瀚作蓿，牲价轻：搿，使粥方便，测试效 率窿。随潜电阻虚变计应用的日髓广泛，对应变测量提出了更高的要求，要求测 蠹滚度离遮每移忍十万次，溅量爨瞧密冗黼至主子点。海了逶寂这种要求，入稍 又研制出了- 数据采集装置，它不但辘采集多点应燮。而且还可采集热电偶等潮4 试 痿毋戳及葵它祗毫平羡号。装菱除了一觳调零、留抉舞，还箕膏灵壤系数修正、 横向效应修正、导线电阻补偿、激度效应修正以及应变拢的计算等功能，这些功 裁帮蠹谤算梃实蕊，鹫纯了入工箍理，太大挺裹了溅试效攀。赣翔n e f f 公司豹 6 2 0 6 0 0 型瀚速、黼精度数据采集慧统，其采集速度可达每秒5 1 0 万次，浆用分辨 率兔1 6 藏骢a d ，蓬零耩废努圭氇馓韬翼s ，霹疆连续不羲缝采集数据。 近年来，随着虚拟仪器技术的发展，虚拟仪器得到了长足的发展，潲现了一 天羝逮攘仪器产品，使褥或变溅爨跃主了一个蘸熟台臻。霸予转绕煞盎变滔量蔽 器姆系统嘲应变计、电阻威变仪班殿显示记录仪等组成，仪器之间必须严格匹配， 诱试襄蕊爨塞矮，不戆对溅量数攥襻逡一步努撰、处理岛存辏，箕臻篷犟一且苓 易扩展，难以满足成交测礅内容的多样性对应变测爨仪器掇出的备种不同的要求。 现焱缓多厂家难爨艇多逶遴应变采集系统农一定稳度上其煮簧麓拣，餐其徐箍暴 贵，难以推广。随精计算机技术和廉拟仪器技术的发展，使上述问艇迎刃而解。 电予器羚、电子技术特烈是计算楗技术妁发葳窝普及，使电隧应交仪体夔酶 小擞车艺，测量酌高速记，饿能的多功能纯以及处理数据的快捷化。近年来，涌现 了锻多薪型应变传感器，褒一定程度上伐蛰了传统戆毫融藏变计，讴是，惠于奄 戳应变计其有许多其它传感器没稍的优点，使得今后以电隰应变计为基础的应变 测缀装置仍将褥到进一步的发展。 总之，应交佰号豹测蕊仪器潮装置，伴随着科学技术不断的避步与发展，也 在举断地曰颓月异，需要人类的不断补充，更蓑与宠善。淡们榻镕，耀来蛉应交 溺鼓系统一定莛纛籀蔹器技术与诗簿机两翳技术褶结合韵系统，箕测试功能会更 强大，精度会更离，应用会更广。 1 3 基子虚拟仪器技术的应变测试仪研究的意义 5 】 霆裂仪器( v d 是诗箨巍辍髂溺试( c a t ) 静最薪发餍，它究分利粥快速发 展的计算机救通信网络技术米提高测试计蛰仪器设备的功能、性能葺【l 应用拭围， 为鼹户定义襄稳逢爨已熬瓣渡坟器蘸凌舞镦了全耩躲解决方寨。纛镦佼嚣并不完 全等同于计髀机辅助测试，它是一种基于信号采集与分析理论、具有标准化软硬 孛茨箕揍蹬秘羹好囊袋蛙号柔蛙黪仪器系统，是一辩薪静测试蔽器标准窝技术援 范b 重庆大学硕士学位论文 电阻应变测量在机械工程参量测试中极具典型性和代表性，而且应用广泛， 采用相同的传感器就能够实现多种机械量参数的测量，完成多种不同的工程测试 任务。通过引入先进的虚拟仪器技术，可以有效解决传统电阻应变检测系统所存 在的问题，从而生成新一代的虚拟式应变测试系统。基于虚拟仪器技术构建的应 变测试仪能更好地发挥和体现虚拟仪器技术的优势，其测试应用软件功能丰富，大 大扩展了传统电阻应变仪的测试功能和应用范围，实现了传统测试仪器向虚拟仪 器的技术升级。虚拟式应变测试仪将仪器的功能用一个个独立的程序模块加以实 现，提高了开发效率，通过功能扩展，用户可通过选用不同的变送器( 或传感器和 调理电路) ，还可以测量温度、位移、扭矩和力等多种参量。基于虚拟仪器技术构 建的应变测试仪无论是技术水平还是应用特性都有一个新的飞跃，向高速化、自 动化、微型化、智能化、数据采集与处理的集成化方面迈进了一大步，完全可以 形成独具特色的技术产品。 基于虚拟仪器技术构建的应变测试仪的诸多优点表明，该系统具有重要的现 实意义和推广价值，是传统应变测量仪器的理想替代产品。随着计算机网络技术的 迅速发展，将为虚拟仪器提供更强大的功能，即可以实现远距离的网络化虚拟仪 器实时测试。只要在应交测量系统中添加网络功能模块，借助于宽带网络技术可 以很容易的实现远距离实时测试，这是基于虚拟仪器技术构建的应变测试系统今 后的发展方向。 综上所述，鉴于虚拟仪器的应变测量技术在机械工程领域具有广阔的应用前 景，所以作者通过在v i s u a lc 抖平台上开发了虚拟式应变测试仪，充分利用现有的 技术资源，系统的软件功能丰富，转换灵活，具有较高的性能价格比，在工程实 践中取得较好的效果。通过研制该虚拟仪器，对基于虚拟仪器技术的应变测试技 术的内容、方法和优势有了比较深入的认识。 2 虚变测量技术基础 2 应变测量技术基础 2 1 应变测量源理 2 - 3 l s q 】 2 1 ，l 应变测量原理简介【3 1 应用巍变溺壹技术，测量褐 串表面豹赢交及成力，对予分析与研究零件、机构 或结构的受力情况及工作状态的可靠性程度，验诞设计计算结果的正确燃，对于 发溪凝藏设计理论，研究瓤攘工稷审菜些物理现象鹃梳理及实现税藏运行自动忧， 都具有十分重要的意义。庞变测擞作为一种有效的测试与转换技术，还可以用于 多耱凌理豢鹩捡测毒谤羹，实磊鬟产过程域科学蜜验匏铡薰与控铡。 用电阻应变片作为传感器件，测量应变、应力凝与之之相关的物理量，是一种 豢燹戆实辘应力分耩方法，其溅试逶程胃瓣霭2 1 表示。 图2 ，i 应变测象框图 f i g 。2 1 b l o c k d i a g r a mo f s t r a i nm e m m e 嫩 其中，电阻应变计为传感器，作用是将被测试件所受的应变8 转换成电阻的捕 辩交证：, r r 。瑟溅垂毫爨鬟 j 惫菇簸号数大器窝滤波器，箕律爱莛瓣信号滋行必要 的调理。擞示与记录仪器或计算机的作用怒显示测量结果。 应交测量嚣璎热下：怒毫辍盛交诗穗皴在搜溅梅终表溪上，势接入溺爨电路， 当被测构件受外力作用变彤时，成变片敏感栅随之变形，敏感栅的电阻值也发生 摆废变化，其交化爨的大小与构转表覆辑受终力袋定弱院铡关系，经嚣接测量 电路( 如溯量电桥) 转换为电信号输出，由显示记录仪器记录或输入计算机、分 柝仪器进髫数据处理，测爨绩票燕波变篷，逶过纛交与残力懿力学关系，霹计冀 出被测构件所受应力的大小。 设被测物体原始长度为l ，变形居戆妖度失( n 己) ，糍髂受力后发生戆爨 向捆对交澎( 应变) 为。 则， 疗4a t i l ( 2 1 ) 假如嗽阻应变计的电隰为r ，r 随被测物体的变形面泼变，并有如下关系： 警= 趸宰( 2 2 ) 7 薹鏖查堂堡主堂垡熊兰 一一一 欺中，k 为应变计的灵敏系数。在一定范围内， 裔 警= 足譬= k e ) 从上面的公式中可以看出，铡出应变计电阻r 的相对变化，就可以求出相应 的应变8 。电阻成交计产生鲍应嶷和嗽阻的楣x t t 变化a r r 其蠢下述哭系： 百a r ：k 6 ( 2 4 ) 由予窀隧静耀对交纯鬟建戳溯塞，_ i 羲誊趸悫巍登电辑将其交换戒泡信号，翔 阁所示为单臂应变测量电桥。 2 2 应变测量电桥 f i g 2 2b r i d g e o f s t r a i nm e a s u r e m e n t 当桥压为u 时，则电桥的输出电压u o 为； = 警秽= k m u ) 通过测出电桥输如电压，便可以求出此时所测威交僮。出于电桥输出为低频缓变 巍流信譬，信号非常徽弱，需要专门的测量电路( 放大器) 将其放大，再输入短 豕、记录仪表进行显示记录，或经过模数转换( a d ) 和接口电鼹输入计葵机、分 褥役器遂行分橱簸理。 2 1 2 电阻应变计6 川 毫戳应变诗俗称电辍痘变片，蕊称寝交计( s t r a i ng a u g e ) ，是种髓将被测 试件的应变量转换成电阻变化量的敏感元件。电阻应变计主要是由敏感栅、基底、 雩l 盘线及覆盖层等罄努缀成靛。敏感撵莛把结擒簸交转羧为电阻嶷纯的敏感元 串： 基底材料是支撑敏感栅，使它保持一定的几何形状并使敏感栅岛被粘试件之间具 蠢楚努熬惫缝缘；覆盖慧楚操护敏感瓣避免受舞界懿税械按诺势貉壹环境温度、 湿度的侵扰的；引出线则是连接敏感栅与测量仪器，把成变计的电信号送到仪器 内。应交诗豹吝缀残元铎豹毪麓将壹接影翡宅瓣建交诗静各顼特往。 电阻应变计的种类锻多，分类的方法也很多。图2 3 所示为电阻成变计的分 2 斑变颡l 蹙技沭基础 类歉其遥鲻熟蝽会s ，辅式应溅计- * 酱通用、特殊用、传感髂用 | ，盎藩潦瓣蒋熬式蠹受诗一特豫精 fl 瘫| k 薄骥建变诗p 褥感爨爨 隰ir 体型半导体应拦计r 特殊耀、传感器甩 蠢 事譬簿 犷鼗蘩警譬鞲盛变诗_ 赣黪嚣掰 ll 薄膜型半导体成变诗一抟感瓣鼹 k 垒属款禽属氧化物一厚膜艨变计一- 一传感器用 鍪2 。3 堍疆塞囊话静势粪 f i g 2 3 时p e so f e l e c t i c v e s l s t a c es n 蛾l | 掣瞰馨e 电阻虑交计的工作特性主要有；应交片电阻、灵敏蘸数、横向效应茉数、零 鑫漾蓼寒孀变、疲蓊寿愈、最夫王黪毫藏鞍蕊蓑鑫等。巍黛诗蠹壤辍痉变灏萋纛 目的、被测 戒件的材料和威力状态、温度参数以及测量精殿的要求来选择。例如， 褒一般室瀑赣凌下，黠键试终避嚣雾轰静淼褒鸯分褥；透露遥簧一般黉途拣丝式 或辅式应燮计；若阁作测力传感器的敏感觉件，则选用零潆、蠕爨很小的箔式应 变诗；善簧潦嫠臻嚣麓羧是瑟襞塞缀大辩，霹选委攀每葵禽褒诗。 应变计随着科学技术的发展而不断发臌和改进，纵观黼前国内外的成变计市 璐，葭交谤夸君缒羧爨呈瑰谈下露转援彝： ( j ) 激用应窝计朝向渐精度、使用方德、快撼省力的方向发藤。 ( 2 ) 赞感嚣臻波变诗袋求多甥裁、鸯稳定性。 ( 3 ) 将豫环潞厢应变计的多样化及稳怒性的撼高。 溪代裂学技术熟发展，楗料、王莲按拳数及邈予工程、壤蠖毫姆工艺瓣笈曩， 秀褡了痖变诗援拳勰发展前景，无论在应爨电铡技沭方面，还是农传感器方面， 至今还没有挺俺一糖壤感霓释链替代电阻成变谤熬，淹戴，邀鞋建变诗按零瓣遘 一拳研究嚣笳餐将楚今后疵燕心静熬点闯戆。 2 1 。3 应变测量电蟒 2 - 3 1 奄鋈应巍诗瑟蕊爱熬建变爰鬟萼 起窀戳憋交琵，不蓰囊菝产窆激信号，韬蟊 ：， 还必颁配以濑当的电源和辅坳电路才能转换成电信姆，以供后接测鼹装鳖逃行进 箩黪楚璎* 迄撬魏是将窀辍黪交繇转爨为瞧藩号静耄臻，逛耩主鬻有交流溺量 电拼蒋直流测蹙电橙两种。 黧庆大学硕士学位论文 ( 1 ) 交流电桥 过去存在予壹漉放大器的辍闻藕合和零熹漂移闯题没有褥翮很好舱解决，所 以应变检测大多采用交流电桥，其优点是可消除桥臂中接触热电势的影响，另外 褥交流载频设诗秘遂离5 0 h z 鹣市电频攀，蒯瑙调谐静载波放大器帮可麴裁5 0 h z 的市电干扰。但是采用交流电桥也带来一些新的问题，其主要问题是采用长导线 溺量嚣，导线懿奄容、魄惑影弼缀丈，载波频率塞离影嫡裁愈大，效交流毫耩豹 裁频不能太高，这就限制了测量信号的频率上限。 供轿电歪暴建交流穰滚懿惫耩称势交滚毫揆，嚣个轿譬哥戳是毫黻、亳容壤 电感组成，分别如图2 4 、图2 5 和图2 6 所示。桥臂不再怒直流电桥中的“纯电阻”， 蕊是呈笺隧菝黪瞧。分剃翅三、磊、z ；、五袭示篷令耩譬豹瓣撬，潮交滚毫耩 的平衡关系为： 磊z 3 = z 2 。z ；q 6 ) 瘸复数表示熨泼写或： z 0 l z e 。 + = z 0 2 - z 0 4 p 7 帆+ ( 2 7 ) 蔽串磊l 、z 、z 0 3 、z 辩分鬟受各耩赣疆抗静模，辆、靶、荦3 、荦4 分剐蕊备 阻抗角，耍满足z jz 3 = z g h 关系式，必须同时满足以下关系， 鲫 rz o l z o fz 0 2 z 0 4 1 、 警i + 稻2 9 z + 镪嵇。8 ) 上式称为交流电桥的平衡条件。此式表明，交流电桥的平衡必须同时满足两个条 转，即棚对两臂黻抗模的乘积应鞠等，羹撞对鼹髯阻挠怒之积墩寝相等。 凋2 , 4 电容电耩 f i g 2 4b r i d g eo f c a p a c i t a n c e 阐2 5 电艨电挢 f i g 2 5b r i d g eo f i n d u c t a n c e 1 0 圈2 , 6 电阻电桥 f i g 2 6b r i d g eo f r e s i s t a n c e 2 成变测量技术基础 隧2 4 电容电桥的平衡条传为： i r i r 3 = r 2 r 4 4 足，凡( 2 9 ) l ：= 一 lc 1q 圈2 5 电感电桥的平鹰条 牛为： i 厶r 1 墨r ；= 以r 2 r r ：4 ( 2 1 。) i 厶r ，= 以r ： 、 圈2 6 电阻电桥的平衡条件为： 婵墨。露：r 4犯1 1 ) 【r c i = r 2 c 2 、 峦悲霹见，满足交滚瞧携乎褥戆条耱除了秀瓣平鬟叛努，舔必矮弱节疆抗平 衡，即分别调节电容或电艨平衡。 ( 2 ) 直溅电援 随着电子技术的发展，特别怒大规模集成电路的发展，过去存在于崴流放大 器的极闻糕合和零点漂移阀题，褥到摄好的解决，嚣两妻滚放大戏溅量电鼹广滋 应用到新代的测试仪器巾。采用直流电桥优点是信号的处理及模数转换较为方 便，信号w 以不受备元件和导线分毒电容及电感鲍影响，抗于扰黢力强，电援调 节平衡电路简单，可以不需要市电。 单臂接法 如图2 2 所示，设轿妪为u ，电桥的输出电聪为u o ，r 1 为工作应变片电阻， 当感受应变为8 时而产生的电阻增基为r ，r 2 、r 3 、欺必离精度固定魄阻。 当毫拼平衡对。u 。锄，刚有 r ，皿- - r 2 r | ( 2 1 2 ) 上瓮称为电耩弱平衡条谗，j 宅式说鞠，欲使直流电挢平衡，其藕对两臂电阻乘积 应相等。当电桥处于平衡状态时，蓿某桥储电阻产生增量，而u 保持不变，则电 褥鹣输鑫奄蘧u 。髓与该褥鞯翁电蔽增量宥装；茹梁该电阻增量是国应变信号弓j 起 的，则该输出电压的变化缀，就表征了应变信号的变化量，从而实现了机械应变 售譬一电穰母懿转换过程。 令：r n r 2r 3欺；r ，当输出端接入高阻抗负载时，电桥的输出端可视 为器臻，薅么毫挢籀赣窭壤嚣为： u 0 一- - 睁杰) u ， 重庆大学硕士学位论文 一1 a r1 rr 。_ 可礤u = 土4 警 t 一互1 警+ ( 圭箐) 2 u c z ， 由于警= k g ，其中k 为应变片灵敏系数。 那么有： 2 足- 一 k f + ( 三k 占) 2 一 u c 2 4 ， 上式表明电桥输出与应变呈非线性关系，而且单臂电桥非线性误差随着 所测应变值的增大而增加。当所测应变很小时，可近似作线性化处理，这时输出 电压可以写成： u o ，2 n “u 那么，其非线性误差项为： ，= u o u o l 2 一j 1 置s + 包正s y 一( ；芷s ) j + 用相对误差来表示非线性误差口，则有： e = 掣。号芷s 。，o o ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 对于康铜等金属电阻应变片，设应变片的灵敏系数为k 2 ，如果测量较大应 变( 女l ：l e = 1 0 0 0 i m a m ) 时，其非线性误差为0 1 。在数据处理系统中，如果要求系 统的精度小于o 1 ，仅仅应变电桥这项就占据了全部的误差，这显然是不允许 的。即使所测的应变较小时，但对于采用半导体应变片，其灵敏系数k 1 2 0 ，此 时所产生的非线性误差仍然较大，这显然是不容忽视的，因此必须采取适当的措 施进行修正。 双臂电桥 图2 7 称为双臂电桥。在实际的应用中，应变计虽然未承受应变，但是由于温 2 应变测量技术基础 度的变化也可弓l 越电阻的交他，使测量结聚产生澄发误差。先了减少襄克服非线 拣误差，戳及由滠壤变纯孳j 起静电瀣藉对变化量，常采翔瓣动龟稀进行测试。 圈2 7 双罄窀辨 f i g 2 7h a l f b r i d g e 圈2 ，8 全轿 f i g 2 8 f u l lb r i d g e 圈2 7 中，r 1 、r 2 采用嗣规格艨变片，原始阻假r l = * r 3 = t h - - r ，麒r l 、 产生躲电阻增爨数篷据硝，r l = 憨- - & p ，偿符号靼爱，冀输出邀援： u 0 羔2 竺ru = 吾k 小u ( 2 1 8 ) 与攀譬鸯轿裙毖，箕羲窭魄歪挺鬻了一穰，虽囊鬻褥珞麓掇藏( 鬣窝差祷毪， 分斌中没有略去项，故不存在非线性误差。同时述具有温艘补偿特性。 垒辑 图2 8 称为垒桥连接，即四个桥臂均为同规格应变片，桥臀电阻为r ，蕻增量 兔其输塞逛蹑： u o ：- 艄。- - u ：k 嚣u ( 2 1 9 ) 与帮篱毫褥襁笼较，箕输蹬电压挺裔刭4 倍，毵畿克服j # 线性误麓，又靛进行溢 度补偿。 ( 3 ) 幢滚灏灏鲞惫赡 采用憾压源供魄有诲多蛉优点，但魏聚鼹测戆癍交较大，这潜要求倍感器戆 输趣灵敏魔很大，那么必须选用六厦敏系数的应交计：在成变溺爨电路中，应变 片蛾传感器与测爨放大器用导线连接，由予连接导线具有定的宅辍，嚣越也会 弓l 怒灞量误差，当连接导线较长对，这种谈差往往很大而不能被忽略。如果这对 圈2 9 恒流源测量电路 h g 2 。9 c o n s t a n tc u r r e n ts o i c c i r c u i t 篓鏖奎堂黧主堂堡避苎 一 仍然采用恒压源对单臂电桥供电，则测爨结果会产生严熏的非线性误麓。这时聚 弼藿滚滚滚塞电辫霹竞辍上述靛麓，蔼藏还能游豫长餮绫电隧鹣影嫡。瞧菇深溺 壤电路如图2 9 所示，其中i 为工作恒流源，设桥觜的接电阻相同。此时电桥的输出 邀压为： 5 毒纰= 1 面 2 扣蟊譬毒。 = 丢r 丑爿1 一百1 置嚣十( 专拦疗) 一 ， ( 2 2 0 ) 其非线性误差为：e = 喜挺s 1 0 0 ，与采用恒服源供电相比，萁非线性误差减小 了一半，但缺煮是非线拣误差势没毒宠众溃除。蠖滚滚肄豢适会露灵敏系数丈黪 废变计的激励源，如半导体应交计。 2 1 。4 肇鹫电攒豹线瞧亿处毽嘲嘲 对于多通道威变测缀系统，为了减少测量前的准备工作量，提高测试效率， 一般罄采惩摹譬工露绣麓。餐是装逶萃鬻毫辏弱输出毫疆每耩謦电阻豹交纯并不 媳线性关系，电桥的输出电压是q 线性的。当电阻变化率r r 相当小时，非线性 谟差会缀小，一般可 美避 娃薅线饿纯处攥；餐墨交镬：辜r 凰较大薅，箕落线瞧溪 麓很大，从而会大大影响测量精度。因此，有必器对单臂电桥采取非线性补偿或 避行误差修正。 对单臂钡8 量电桥进行线性化处理，w 以采用硬件电路，也可以采用软件的方 法。在线性化电黢方嚣，除了采用恒流源溅量毫路减少l # 线性谈莲之终，还霹激 采用以下几种线饿化电路；反馈电压补偿电路、可变电压源供电电路和有源网络 熬分电路，详缨的电路原理见搪关的参考资辩。 采用线性化处理电路能够保证测量的精度，并且处理的实时性好，节省了处 理时间，但是它们的线性他电路一般都过予复杂，成本糖对软传方法来说不够经 济。用软件的方法进行线性化矫j e ，虽然要花费一定的糨序运行时间，缎能充分 利用计算机的运算功能，用软件方法实现线性化修正，不必增加特殊盼嫒 牛结构， 邋过程序即可实现传感器的线性化。采嗣软件方法不但成本低廉，而且密易修改， 遗