（机械电子工程专业论文）基于虚拟仪器的应变测试仪的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 应变测试技术作为机械工程中重要的测量手段之一，在零件或机构的受力分 析、结构的强度和刚度验证以及可靠性设计等众多方面中都有着广泛的应用。但 随着时代的进步，传统的应变测试仪器已不能满足快速发展的测试需求，因此， 快速开发出高性能的虚拟式应变测试仪器是十分必要的。随着虚拟仪器的快速发 展和在测试领域的广泛应用，运用虚拟仪器技术完全可以实现硬件和软件资源的 共享，快速、方便地构建各种测试系统。 本文在对应变测试技术和虚拟仪器技术进行了充分研究的基础上，利用 l a b v i e w 软件平台开发了虚拟式应变测试仪。根据传统应变测试系统的结构以及 虚拟式仪器的设计特点，本文将系统的设计分为硬件设计和软件设计两大部分， 硬件设计主要是对信号调理模块和数据采集模块的选择分析，软件则是在“事件 循环一状态机”的结构框架中完成对初始化模块、系统标定模块、数据采集模块、 数据分析模块、图形显示模块、存储回放模块、报表打印模块以及在线说明模块 的开发。最后，将测试仪器进行集成和测试，利用现有的设备对系统作了实验测 试和实际应用。 通过对该测试系统的研究和开发，充分体现了虚拟仪器在应变测量中的应用 价值。它强大的功能、简捷高效的开发方式、丰富的函数资源以及良好的开放性 和扩展性，再依托计算机的强大计算能力，使得虚拟仪器完全替代传统的应变测 试系统成为一种可能，是一种值得推广应用的测量仪器。 关键词：虚拟仪器，应变测试，l a b v i e w 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t s t r a i nm e a s u r e m e n tt e c h n i q u e sa so n eo ft h ei m p o r t a n tm e a n so fm e a s u r e m e n ti n m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ，h a v eaw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n si ns t r e s sa n a l y s i so f m e c h a n i c a lp a r t s ，m e c h a n i s ma n di nt h ev a l i d a t i o no fs t r u c t u r a ls t r e n g t h ，s t i f f n e s sa n d r e l i a b i l i t y b u t 埘1t h ep r o g r e s so ft h et i m e s ，t h et r a d i t i o n a ls t r a i nt e s te q u i p m e n tc a n n o tm e e tt h er a p i dd e v e l o p m e n to ft e s tr e q u i r e m e n t s ；t h e r e f o r e ，i ti sv e r yn e c e s s a r yt o q u i c k l yd e v e l o ph i g hp e r f o r m a n c ev i r t u a ls t r a i n t e s te q u i p m e n t w i t ht h e r a p i d d e v e l o p m e n to fv i r t u a li n s t r u m e n t sa n dw i d e l yu s e di nt h et e s tf i e l d ，i ti sa b s o l u t e l yt o a c h i e v et h es h a r i n go fh a r d w a r ea n ds o f t w a r er e s o u r c e sa n dt ob u i l da l lk i n d so ft e s t s y s t e m sf a s ta n de a s i l yu s i n gt h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , o nt h eb a s i so faf u l ls t u d yo ft h es t r a i nt e s tt e c h n o l o g ya n dv i r t u a l i n s t r u m e n tt e c h n o l o g y , av i r t u a ls t r a i nt e s t e rw a sd e v e l o p e du s i n gt h el a b v i e w s o f t w a r ep l a t f o r m a c c o r d i n gt ot h et r a d i t i o n a ls t r u c t u r eo ft h es t r a i nt e s ts y s t e ma n dt h e f e a t u r e so fv i r t u a li n s t r u m e n t ，t h es y s t e mi sd i v i d e di n t ot w op a r t si n c l u d i n gh a r d w a r e d e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g n t h eh a r d w a r ed e s i g ni st h ec h o i c eo fs i g n a lc o n d i t i o n i n g m o d u l e sa n dd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ；t h es o f t w a r ed e s i g ni st o a c c o m p l i s ht h e d e v e l o p m e n to fi n i t i a l i z a t i o nm o d u l e ，s y s t e mc a l i b r a t i o nm o d u l e ，d a t aa c q u i s i t i o n m o d u l e ，d a t aa n a l y s i sm 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 ，s t o r a g ea n dp l a y b a c km o d u l e ， r e p o r tp r i n t i n gm o d u l ea n do n l i n eh e l pm o d u l eo nt h ef r a m e w o r ko ft h ee v e n t s c y c l e s t a t em a c h i n e f i n a l l y , t h es y s t e me q u i p m e n tw a si n t e g r a t e da n dt e s t e d ，u s i n go f e x i s t i n ge q u i p m e n t ，a n de x p e r i m e n t a lt e s t sa n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o nw e r em a d e t h r o u g ht h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h et e s ts y s t e m ，i tt o t a l l yr e f l e c t st h e v a l u eo ft h ev i r t u a li n s t r u m e n ti nt h es t r a i nm e a s u r e m e n t t h ea d v a n t a g eo fp o w e r f u l f e a t u r e s ，s i m p l ea n de f f i c i e n td e v e l o p m e n t , r i c hf u n c t i o nr e s o u r c e sa n dg o o do p e n n e s s a n ds c a l a b i l i t y , a n dt h e nr e l y i n go nt h ep o w e r f u lc o m p u t i n gc a p a b i l i t i e so ft h ec o m p u t e r , m a k et h ev i r t u a li n s t r u m e n tc o m p l e t e l yr e p l a c et h et r a d i t i o n a ls y s t e mi st o t a l l yp o s s i b l e i ti sw o r t ht op r o m o t et h ei n s t r u m e n t si na p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ，s t r a i nm e a s u r e m e n t ，l a b v i e w i i 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 应变测试技术的发展及国内外现状 1 1 1 国内外应变测试技术的发展历史 德国人欧姆( g s o h m ) 于1 8 2 7 年发现了电路定律，即电阻、电流和电压之间 的关系。1 8 4 3 年英国人惠斯顿( c 啪e a t s t o n e ) 在欧姆定律的基础上发明的惠斯顿 电桥，它至今仍作为应变测量的标准电路在使用【l 】。之后威廉汤姆逊( w i l l i a m t h o m s o n ) 于1 8 5 6 年在大西洋指导敷设海底电缆时，证实了金属丝在机械应变作用 下会产生电阻变化，即所谓的应变一电阻效应。这些发现成果为电阻应变计的诞 生和发展奠定了很重要理论基础，但由于当时电子技术还不能够将金属电阻丝的 微小电阻进行有效放大，这导致近百年的时间内人们未能将应变技术实用化。终 于，在1 9 3 6 1 9 3 8 年间，美国加利福尼亚理工学院( c a l i f o r n i ai n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y ) 的西蒙斯( e e s i m m o n s ) 教授和麻省理工学院( m a s s a c h u s e r si n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y ) 的鲁奇( a c r u g e ) 教授分别同时研制出了电阻丝式纸基应变片。这 一项目的专利权随即由美国鲍尔温公司( b a l d w i n s o u t h w o r k ，即现今的b l h 公司) 取得，并成为世界上第一家应变片专业生产厂家。为了表彰西蒙斯和鲁奇以及助 手等人的功绩，公司将应变片取名为s r 4 。从此，应变片技术也逐步传到世界各 地，1 9 3 8 年也作为粘贴式电阻应变片的诞生年被大家所认同口j 。 我国电阻应变片的研究和生产始于2 0 世纪5 0 年代，是从前苏联、英、美等国传 入的【3 】。最早开始研制和生产的是原机械科学研究院的黄述章老师和北京航空学院 ( 现北航) 的徐德治老师，初步实现了电阻丝应变片、胶粘剂、静态应变仪等产 品的市场化。到了6 0 年代初，北京钢铁学院和现在的7 0 2 研究所成功研制了箔式应 变片，为应力测量和传感器方面的发展提供了良好的技术基础。同时，国内也建 立了首家以应变片、应变仪以及传感器为主要产品的专业生产厂商一华东电子仪 器厂。但我国对于各类电阻应变片研究最为活跃的时期还要属1 9 6 5 1 9 8 5 年。在 这一期问，国内各个研究机构，例如7 0 2 研究所、上海有色金属研究所、北京钢铁 研究院、昆明贵金属研究所、北京冶金研究所、天津冶金材料研究所、武汉冶金 研究所等等，都在积极展开对应变片的高温、低温和新型材料等各方面的研究工 作【4 - - - 6 1 。其中由北京航空学院和昆明贵金属研究所共同研制的高温应变片技术处于 世界先进水平，7 0 2 研究所研制的低温自补偿应变片也开拓了国内深低温领域的应 变测量。至1 9 9 9 年，国内的传感器生产企业已有8 0 采用国产应变片，国外企业如 日本、韩国、以色列以及欧洲、北美等用户也大批量采用我国生产的应变片用于 传感器制造。同一时期，国内又先后涌现出不少应变片和传感器的大型生产厂商， 重庆大学硕士学位论文1 绪论 为我国应变测试事业的发展提供了良好的物质基础。尽管如此，我们必须认识到， 与国外的先进水平相比，我国应变片在质量上还有很大的提升空间。 在电阻应变片和传感器发展的同时，作为应变测试技术的三大组成部分的应变 测量仪器也紧随时代节奏迅速发展着r7 。电阻应变仪简称应变仪，是指专门用于测 量构件或试样应变的仪器装置。一般电阻应变计将构件或弹性体的应变量转换为 电阻的变化通常极其微小，必须通过电路上加以放大才能进行测量捧删。利用直流 惠斯顿电桥也可以直接测量电阻变化，但这样对检流计的灵敏度要求比较高，测 量费时、不宜移动且测量结果还需经过换算，故此方法非常繁琐。1 9 4 3 年h a t h w a y 根据载波调幅原理研制成了电阻应变仪，避免了直流放大器零漂问题【l 1 1 j 。其中 应变电桥由载波振荡器提供电源激励，产生的电阻变化以调制波形式输出，再经 放大器放大和相敏检波器解调，最终还原成与a r r 成正比的信号，如图1 1 所示。 图1 1 交流载波应变仪原理框图 f i g1 1b l o c kd i a g r a mo f t h ea cc a r r i e rs t r a i ng a u g e 早期的电阻应变仪都采用交流载波式这种方案，国内静态应变仪中性能较好的 产品有y j 一5 、y 6 d 一3 a ，而国外则有美国的s r - 4 、日本共和d p m 系列、日本新兴d s 6 系列、法国s d t - 1 6 应变仪、瑞士胡根伯静态应变仪、丹麦b k 公司的应变仪等等。 在供桥电源方面，电阻应变仪的发展除了上述的交流电供桥方式，还有直流式、 桥压电源为方波式、脉冲式等【l 2 | 。 从半导体应变计问世后，由于其很高的应变灵敏系数的特点，d r h a r t i n g 于 1 9 6 3 年设计出一种半导体应变计专用应变仪。它的工作原理与交流载波应变仪不 同，虽然放宽了对放大器的要求，但需输出恒定电流。之后，随着数字仪表发展， 各种数字应变仪也相应出现，应变值的数字显示方式也大大提高了测试效率，如 国产y j s 一1 4 型静态数字应变仪。 到了八十年代，模拟集成电路的高速发展和计算机技术在测试系统、数据采集 系统中的普遍应用，使得数据采集系统取得了革命性的突破。同时由于电阻应变 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 计的广泛应用，各个工程领域也相应提高了应变测量要求，测试速度和测量点数 均要求提高，测试速度通常为每秒几十万次，点数则要求几百点至上千点。为了 满足工程测试的需求，各种数据采集装置的研制相继出现。例如美国的s y s t e m4 0 0 0 型仪器、n e f f 公司的6 2 0 6 0 0 型高速、高精度数据采集系统以及美国p r e s t o n 公 司的数据采集系统等。它们充分利用计算机的软件和硬件功能完成了数据的采集、 处理、分析和存储等绝大部分工作，有效地降低了系统的成本并提高了测试效率。 其中美国p r e s t o n 公司的数据采集系统，采集速度高达每秒5 0 - 1 0 0 万次，1 5 位的 模数转换位数，以及利用f i f o 先进先出技术实现大容量不间断的连续采集。美国 n e f f 6 2 0 6 0 0 型采集速度可达每秒5 1o 万次，16 位a d 转换位数，满量程精度可达 o 0 2 1 3 1 4 】。 1 1 2 电阻应变片电测法的最新发展及应用 应变测试技术至今已有7 0 多年的发展历史，它已经成为工程结构设计、制造、 装配可靠性测试、安全性测试等试验中非常成熟和常用的技术，并且广泛应用于 航空航天、机械、车辆、土木工程等各个领域。但随着科学技术的飞速发展，许 多高新技术领域的产品结构、负载状态越来越复杂，例如汽车、航空航天和船舶 等。除了传统的电阻应变片电测技术和传感器技术之外，基于光学、声学测试的 应变测试技术也在不断发展，如基于材料双折射效应的光弹性法和数字光弹法、 全息干涉法、云纹法、云纹干涉法以及基于光纤传感技术的的光纤光栅应变测试 方法和基于双目立体视觉测量原理的三维变形测量技术等。声学方面有声弹性法、 声发射技术和声全息法等。这些应变测试方法在测量原理、测量精度和应用范围 上各有特点，本文仅对电阻应变片电测法的最新发展和应用前景进行阐述和分析 1 5 1 6 o 近十年来，应变电测与传感器技术得到飞速发展，对应于应变测试系统的三大 组成部分有着相应的体现，即各种新型特殊应变计、应变计式传感器和应变测试 仪相继问世【1 7 1 。在应变计方面，除了常温普通应变计外，出现了许多特殊应变计。 例如高温9 0 0 。c 动态应变计、高温6 0 0 8 0 0 。c 密封焊接式应变计、大应变应变计、 防水应变计、低温2 6 9 1 9 6 。c 应变计、抗磁性应变计、复合材料专用应变计、残余 应力应变计等。 在应变计式传感器方面，除了一般的称重、位移、测力、加速度传感器外，还 有埋入式应变计、钢筋计、土压力计、水位计、裂缝传感器、倾斜计、沉降计等。 汽车专用的有车轮扭矩传感器、方向盘扭矩传感器、六分量力传感器和车轮定位 传感器等。 而最为重要的发展还属应变测试仪器，从手动调节人工读数的静态应变仪到数 字应变仪，再到现在的多功能数据采集系统，无论是在采集速度、精度、容量还 重庆大学硕士学位论文1 绪论 是数据处理能力上，仪器的整体性能都有着大幅度的提高。将不同类型的传感器 连接到仪器之上，可实现应变、应力、温度、位移、速度、流量等多种物理参数 的测量。同时与计算机技术相结合，可组成拥有数据采集和处理专用软件的自动 测量系统，实现测试系统的智能与高效17 l ，具体一些测试仪器及简要特点如表1 1 所示。 表1 1 国外静、动态应变测量和数据采集系统部分产品 t a b l e1 1s o m ef o r e i g np r o d u c t so fs t a t i ca n dd y n a m i cs t r a i n 生产厂商型号、名称主要特点 静态、接扫描箱可达1 0 0 0 点，可测应变、 t d s 一3 0 3 数据采集仪温度、直流电压，数字显示、打印、存 盘，可接微机软件 t d s 一6 0 2 数据采集仪同上，有硬盘、彩屏 日本t e l 静态、接扫描箱可达1 0 0 0 点，每秒1 0 0 0 t h s l1 0 0 高速数据采集仪 点，可存盘、接微机软件 动态1 0 通道接微机专用软件采集，多种 d r a - 1 0 7 a 数字动态应交仪 分析，可串接多台 u c a m 一7 0 h 数据采集仪 静态接扫描箱可达1 0 0 0 点，可显示、打 日本共和 u c a m 一5 0 0 a 高速数据采集仪 印、存盘、接微机 d a t as y s t e m5 0 0 0 静态，可接应变计、热电偶、差动式传 美国v i s h a y 数据采集系统 感器等，可测2 0 1 2 0 0 点，接微机，有 m ic r o - m e a s 专用软件 u r e m e n tsd a t as y s t e m6 0 0 0 动态，可接应变计、热电偶、差动式、 压电式传感器等，可测2 0 1 2 0 0 点，通 数据采集系统 道接微机，有专用软件 静态微机软件采集，温度( 各种热电偶、 澳大利亚热电阻) 、应变、电压电流，频率，计 d a t at a k e r d t 一8 0 0 数据采集仪 数，温度，1 2 个模拟通道，1 6 个数字通 道 s c a d a s i 动态4 - 9 6 0 通道分布式主扩展机配置， 比利时l m s可接电压、电流、应变、传声等传感器， 多通道动态数据采集仪 微机软件工作 s o l a r t r o n 一3 5 9 5 静态最多6 0 0 通道，可测应变、温度、 英国输力强 数据采集仪直流电压等，接计算机软件 另外，还有一些特殊的数据采集系统也在不断的发展着。如应用在爆破、导弹 发射等一类的瞬态过程的系统，整个采集时间仅有几十毫秒或微秒。用于长期监 测构件应力应变的系统，需长期( 甚至野外) 测量、存贮和无线传输数据、在无人管 理下工作，并及时报告构件出现的断裂或破坏情况。 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 在应用前景方面，应变测试技术在航空、航天、建筑、桥梁、机械、铁路、化 工、冶金以及计量、体育、医学、商业等众多领域中都有很多应用实例。例如， 美国波音公b o e i n g7 6 7 飞机静力结构试验、导弹端头结构热应力试验、北京昌平 德胜口大桥桥梁结构静载试验、南昌滨江高架桥动载试验、铁路动车组转向架构 架动应力测试和疲劳强度评估、宝钢炼钢厂主厂房吊车梁静态应力测试、海尔空 调机管路动应力测试、钢锭模在铸锭过程中的热应力测试、人体骨盆应力应变分 布试验等。由此可见应变测试技术应用之广，相信在不久的将来，应变测试技术 将会有新的突破和发展，应用范围也会日益广泛。 1 2 虚拟仪器技术在应变测试中的应用 随着科学技术水平的不断提高以及计算机技术、微电子技术、通信技术、网络 技术和各类新型传感器等在测试领域中的广泛应用，现代测试技术与传统测试技 术已有着很大的不同。计算机技术在现代测试系统中的越来越重要，软件技术则 成为其重要的组成部分，这些技术与测试系统的有机结合，使得测试系统向着智 能化和网络化的方向发展【l8 1 。同时，虚拟仪器技术的飞速发展也为测试领域带来 了新的发展方向，这一变化也代表着以传统硬件为主的测量系统正向着以软件为 中心的测量系统的根本性转变【l9 1 。传统的应变测试系统通常由电阻应变计、电阻 应变仪以及记录仪三部分组成。虽然在测量精度、稳定性和可靠性等方面都已比 较成熟，但同样存在着许多问题，比如一套测试系统需多台仪器，仪器之间必须 严格匹配，设备的选型和调试都很繁琐，此外搭建的系统通常是功能固定单一， 不能进行个性化构建，这就使得测试成本偏高。而使用虚拟仪器除了在。1 1 4 土1 - - 白目匕、e - , 扩 展性、易用性以及成本等方面的优势外，还可大大缩短用户软件的开发周期，增 加程序的可复用性。作为机械工程参量测试中极具代表性和典型性的电阻应变测 量 2 0 】，与虚拟仪器技术的结合，避免了传统仪器之间的严格匹配要求以及调试和 使用麻烦等缺点，降低了测试成本，同时使得测试系统的软、硬件资源在更大的 程度上得到了共享，大大扩展了传统应变测量仪器的测试功能和应用范围，充分 体现和发挥了虚拟仪器技术的优势，实现了应变测试领域技术水平上和应用特性 匕的又一飞跃。 1 3 论文的研究意义 将虚拟仪器技术应用到应变测试之中，具有硬件结构简单、测试成本低、性能 优越、扩展性好等优势，是应变测试领域的发展趋势。但使用虚拟仪器进行应变 测量的测试人员，不仅需要具备测试技术的专业背景知识，还需掌握虚拟仪器的 软件编写语言以及熟悉相应的软件开发平台，这种高要求也阻碍了虚拟仪器在工 重庆大学硕士学位论文1 绪论 程中的广泛应用。虽然国内有一些专门的公司为用户编制相应的测试软件和提供 整套的现成的测试系统，但价格昂贵，且不利于进行后续的研究和开发。市场上 的传统应变测量仪器则又有功能相对比较单一、价格昂贵、产品间的匹配要求严 格，使用不方便等缺点。因此，应用虚拟仪器技术，根据用户所需的测试功能， 开发出一种相对先进的、能够准确地采集数据并进行相应数据处理的数字化多功 能应变测量仪是非常具有实际意义的1 2 l 】。 1 4 论文的研究内容 本论文的主要研究内容是通过对应变测试技术和虚拟仪器技术的研究和分析， 选择n i 公司的l a b v i e w 开发平台进行虚拟式应变测试仪的开发，主要完成工作有以 下几个方面： 首先对应变测量的原理、特点、测量装置以及应变计的类型和选用等应变测试 基础知识进行研究。再通过对传统应变测量仪和现有的虚拟式应变测量仪器的 研究分析，制定出适合本文测量需求的应变测量方案，并设计出相应的虚拟应 变测试仪。 根据设定的测量方案以及实验现有条件设备，对系统的硬件框架和软件设计架 构进行合理的规划。 对硬件、软件系统的各个环节进行相应的开发。硬件方面需要确定信号调理模 块和数据采集模块的型号、桥路的搭建、应变片的选用以及贴片处理等。软件 方面则需对实现系统各功能的子模块程序和总体框架进行设计调试。 完成应变测试系统的总体功能，并进行试验验证。 本文的内容安排如下： 第一章：绪论，大致介绍了应变电测法的发展历史以及国内外现状，以及虚拟 仪器技术在应变测试当中的应用等，本文的研究意义以及具体文章内容的安排。 第二章：对本文涉及到的相关测试技术作一定介绍，主要包括应变测试技术和 虚拟仪器技术。对应变测试的原理、装置、特点以及测试电桥和测试参数等作了 具体研究工作。此外，对虚拟仪器技术的概念、特点和发展状况也作了简要分析。 第三章：将虚拟仪器技术运用到应变测试当中，对系统做总体设计，具体包括 系统的框架设计，系统的硬件设计选择和软件各功能模块的开发等。 第四章：对组建好的应变测量系统进行测试实验，并对测试实验要掌握的原则 和测量方式等做了介绍。 第五章：对全文进行了工作总结，并结合虚拟仪器的发展趋势和本设计软件的 不足之处提出了一些改进的方向和展望。 6 重庆大学硕士学位论文2 相关测试技术基础 2 相关测试技术基础 2 1 应变测试技术 2 1 1 应变测量原理 应变测量是机械工程中分析与研究零件、机构或结构的受力状态，验证设计结 果正确性与可靠性的重要手段之。其中应变片电测法是一种常见的试验应力分 析方法，同样也是一种在技术上非常成熟的表面应力逐点测量方法。其测量原理 是将电阻应变片作为传感元件粘贴或焊接到被测构件表面，同时将其连接到测量 电路之中。当被测结构受到外界载荷作用产生变形时，应变片的敏感栅也将随之 产生变形并有相应的电阻变化，在测量电桥中则反应为相应电信号变化，变化的 电信号通过信号调理电路进行整形、转换、放大、滤波处理后变成标准信号输出， 再由记录仪记录、计算机显示、分析仪进行数据处理等 2 2 2 3 】。测量的结果可以是 应力、应变、弯矩、扭矩等相关物理量，具体可根据应力应变关系以及力学等公 式进行相应计算。测试的具体过程如图2 1 所示。 图2 1 应变测试方框图 f i g2 1b l o c kd i a g r a m o fs t r a i nt e s t 电阻应变测试理论的具体推导如下f 1 3 l ： 根据物理常识可知，导线的阻值变化与其几何尺寸以及材料的特性是相关联 的。假设一段金属导线长为1 、横截面积为a 、电阻率为p ，则导线的电阻r 可以表 示为： r = l ( 2 1 ) 当金属导线受到外力产生变形时，其阻值将随之产生变化，通过对式( 2 1 ) 进行 微分即可求得电阻的相对变化： d r d p d ld a 一= = 一_ - 一 r p la 由于 百d a 一2 了d ( 2 2 ) ( 2 3 ) 重庆大学硕士学位论文2 相关测试技术基础 式中：弘金属材料的泊松比。 将式( 2 3 ) 代入式( 2 2 ) ，经整理得： 竺r = 塑p + ( 1 伽浮 ( 2 4 ) 、 ， 其中，导线电阻率的变化与导线体积的变化是成线性相关的，具体如式( 2 5 ) 所示： 一d p ：c 坐 ( 2 5 ) 一2 乙一 z j ， p v 式中：v 导线的体积，y = a x l ； c 比例常数，与导线材料和加工方法有关。 又因 可d v = 鲁+ 孚_ ( 1 却浮 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 设k = c ( 1 2 ) + ( 1 + 2 p ) ，贝0 坐：k 丝：k ( 2 9 ) rz 式中：s 金属导线的线应变，s = 等。 f 由上述推导可见，导线电阻的相对变化与其线应变成正比，系数k 则通称为 灵敏度系数。它仅与导线的材料、加工过程以及热处理有关，与其它因素无关。 在测出应变片电阻r 的相对变化欲r 之后，就可以根据式( 2 9 ) 求出相应的应 变，然后可通过应力与应变的力学关系来计算出被测构件的应力、弯矩、扭矩等 物理量，完成对构件的受力状态分析、结构的可靠性分析以及试验结果的验证等， 达到应变测试的目的。 2 1 2 应变测量的特点及装置 随着近代工业的发展，应变测试技术在机械工程、航空航天、土木建筑等众多 领域里都有着广泛的应用。而在众多的应变测量方法当中，电阻应变片电测法是 应用最广泛和最常用的方法，它的主要特点有 1 5 , 2 2 】： 技术成熟，应用广泛。制成的传感器件可用于测量压力、拉力、弯矩、扭矩、 讲一， p 2 0 c ： i | 得和一p 52 式入 代 62 式 哿 讲一， 订h p + 0 + m 一 0得书 圳堡r 式 入 代 7 式将再 重庆大学硕士学位论文2 相关测试技术基础 位移、速度、加速度等物理量，且能够实现多点同步测量、远距离测量和遥测， 还能用于工业自动化的监控。 尺寸小，重量轻，动态性能好。应变计栅长最小可达0 1 7 8 m m ，几乎不存在惯 性，不会干扰试件的应力状态。对于复杂的应力状态，可以通过各种应变花来 进行测量。部分数据采集系统测量的动态应变最高可达5 0 0 k h z 。 精度、灵敏度高，测量范围大。测量精度在常温下可达1 - - 2 ，测量范围一 般在1 0 1 0 4 s 量级，最高可达2 x 1 0 4 肛，高精度的测量系统可测到1 0 也“s 。 性能稳定，适应性强。部分应变片可在高温、高压、潮湿、强振、腐蚀、辐射 等恶劣环境中进行测量。 但是，应变片电测法的测量原理也决定了它的技术缺点和局限性： 它属于接触式测量，仅可测量构件表面应变，不能进行构件内部应变和3 d 应 变测量。 测出的应变值通常为敏感栅长度范围内的平均应变，若构件表面应力梯度大或 有应力集中情况，则测量误差较大。 属于电测法，要求精确测量时，需要采取特殊的措施来增强系统的抗电磁干扰 能力。 应变测量装置是一种用于测量构件微弱电阻变化或相对电阻变化的仪器。按测 量对象的频率以及仪器工作频率范围，可把应变测量装置分为以下几大类别 1 , 1 2 , 1 3 ： 静态应变仪。它主要是用于测量静态应变及相关的力学物理量。根据零点平衡 以及多点测量时的切换问题，又可将其分为手动和自动两种类型，如国产y j 一5 $ 1 y j b 1 手动型，y j z 4 自动型等。 静、动态应变仪。它既可以测量输出信号为直流分量的静态应变，还可测量频 率在1 0 0 n 2 0 0 赫兹以下的动态应变，典型的仪器有国产y j d 1 型。 动态应变仪。它适用于1 k 5 k h z 以下的振动应力测量，广泛用于各种机械振 动所引起的动态应变测试，如涡轮发动机叶片根部的动应力测量等。国产仪器 有y 6 d 2 、y 8 d b 一5 等，国外产品有日本共和d p m - 6 0 0 系列、荷兰p r 9 3 0 2 、丹 麦1 5 1 6 动态应变仪等。 瞬态应变仪。应用于爆破或高速冲击状况下，经历时间极短，应力应变都在瞬 间产生。该类仪器应具备快速响应能力，测量频带达到几千赫兹到几十万赫兹。 同时，还需配备相应的记录仪器，如瞬态波形记录仪或瞬态示波器等。国产的 有y c 6 9 等。 数字式应变仪。主要是运用数字技术将静态应变信号转换为数字信号，显示在 仪器面板上或打印出来，逐渐替代了早期的静态应变仪。国内的主要产品有 9 重庆大学硕士学位论文2 相关测试技术基础 y j 一2 5 ，2 6 ，2 9 等。 应变数据采集系统。这类系统通常具备多个通道，能够测量除应变之外的温度、 位移、扭矩等多种参量，并在短时间内进行快速测量，迅速获得测量结果或报 告，节省了人力，提高了测量精度。国外产品有日本共和u c a m 一5 b ，u c a m l o o h 、 日本东京测器t d s - 3 0 2 ，3 0 3 ，6 0 2 数据采集仪，美国n e f f 4 7 0 ，6 0 0 等。国内有东华 d h 3 8 1 7 应变信号测试分析系统。 除此之外，还可以根据电桥的平衡方式( 如人工平衡、机械平衡和电平衡) 、 应变仪激励电源的种类( 如交流载波电源、直流电源、脉冲电源) 、输出信号的形 式( 模拟量输出和数字量输出) 等方式来划分应变测量装置的种类。 2 2 电阻应变计及测量电桥 2 2 1 电阻应变计 电阻应变计( 俗称电阻应变片) 是一种能将被测试件的应变量( 非电量) 转换 成电阻变化量( 电量) 的敏感元件【2 1 。随着时代的进步和测试技术的发展，如今的 电阻应变片结构形式已变得多种多样，但其基本构造仍大致相同。它主要由五部 分组成【1 3 】：敏感栅、基底、引线、粘结剂和表面覆盖物，如图2 2 所示。 4 图2 2 电阻应变计的基本构造示意图 f i g 2 2b a s i cs t r u c t u r ed i a g r a mo f r e s i s t a n c es t r a i ng a u g e s 1 基底，2 敏感栅，3 引线，4 粘接剂，5 表面覆盖物 其中，敏感栅主要由金属( 丝、箔) 或半导体制成，形状多为栅状或条状。当 与被测试件一起产生形变时，其产生的电阻值将与变形成比例的变化。基底是指 为了保持敏感栅具有一定形状，将其固定在相应尺寸的纸片、有机树脂膜、复合 材料或金属薄片。引线是将敏感栅电阻变化的电信号引入到测试仪器中的金属导 线，通常由低电阻率和电阻温度系数小的材料制成。敏感栅上的表面覆盖物是为 了防止受到周围介质和环境因素的干扰，保证其正常工作的保护层。而粘结剂则 1 0 重庆大学硕士学位论文2 相关测试技术基础 用于固定基底上的敏感栅和用来粘贴表面的覆盖物。 电阻应变计的规格品种众多，分类方法也很多，按敏感栅的材料类型可分为两 大类，即金属电阻应变计和半导体电阻应变计。其中每一类又可以按敏感栅结构、 基底材料、安装方式和用途、使用温度范围、制造方法等再次细分【2 4 1 。具体各种 类型可见表2 1 。 表2 1 金属电阻应变片类型 ! 垒! ! 呈三：! ! 生业皇垡翌壁型翌! i ! ! 垫堡! ! ! 垒i 翌g 垒竖 分类方法应变计类型 说明 通常对电阻应变计的选择都需要考虑被测对象的受力状态、构件的材质、测量 精度要求、测试环境以及应变计自身的特点等。其中，应变计工作特性主要有： 应变计电阻、灵敏系数、横向效应系数、零点漂移和蠕变、机械滞后、应变极限、 疲劳寿命、绝缘电阻、最大工作电流、热输出和热滞后等。根据不同的场合和具 体要求，选择合适的应变计是非常重要的。例如用作测力传感器时，可选择零漂、 蠕变小的箔式应变计，而要求输出灵敏度高时，则可选用半导体应变计。 重庆大学硕士学位论文 2 相关测试技术基础 2 2 2 应变测量电桥 电桥就是将电阻的变化转换为电信号的电路，通常由电阻应变计和电阻共同组 成桥臂，按桥接方式可分为单臂( 即1 4 桥) 、半桥双臂( 即1 2 桥) 和全桥四臂三 种。电桥的电源可以是直流或交流，也可以是恒压源或恒流源，一般采用恒压源 作为激励源【2 2 】。下面以直流电桥为例介绍其基本原理【2 5 1 。 图2 3 直流电桥 f i g2 3d i r e c tc u r r e n t ( d c ) b r i d g e 如图2 3 所示，电桥由i n + 0 9 n r , ，r ：，r 3 ，r 4 ( 四个桥臂) 联接起来形成一 个环路，其中a ，c 接线端为电源激励端，b ，d 接线端为测量信号输出端。假设电源 电压为u ，电表内阻为r c ，流经墨，心，r c 的电流分别为厶，厶，l 。由基尔霍 夫电路定律可得： 墨+ 恐( 厶+ t ) = u 心厶+ 马( 厶- i c ) = u r 4 1 4 + r c jc = i l ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 根据以上三式可解得： l = 可可i 丽面u 万( r 可, r 3 丽- a f 2 r , ) 西瓦硬可可 2 13 一)，= ? ? ( 2 1 ) 咫( b + 心) ( r + 心) + 恐r ( 足+ 尺：) + 墨r ( r + r ) 。 当电桥中输出端接入到电子放大器时，r c 则将是放大器的输入阻抗，则电桥的 输出电压u o 可表示为： 玑：jr ：兰! 鱼垒二垒鱼2 一一一一( 2 1 4 ) 卟挑2 鬲丽丽希赢豢雨鬲面 ( 玛+ 心) ( 墨+ 坞) 十玄 恐心( 置+ 马) + 置恐( 忍+ 亿) 1 2 重庆大学硕士学位论文2 相关测试技术基础 由于足远大于电桥电阻，则式2 1 4 可改写为： 砜= 粼 当有墨墨= r ：心时，则= o ，即电桥达到平衡。电桥平衡的条件则可表述为：电 桥相对两臂的电阻值的乘积应相等。 单臂电桥( 1 4 桥) 使用单臂电桥进行应变测量时，贴于试件上的电阻应变片即为电桥中的一个桥 臂( 假设为墨) ，当试件发生变形时，应变片跟随产生电阻变化( 变为墨+ r ) 。 相应的电桥平衡被破坏，输出端产生的电压或电流即为所得测量信号。整个过程 实现了机械应变信号到电信号的转换。假设电桥为等臂电桥，即 r 1 = r 2 = r 3 = r 4 = r ，将改变后的电阻墨+ 丝替换墨代入式2 1 5 中，则可得输出 电压为： 砜= 志卜百1 等，理1 u 1 。2r 4 竺ri - 一三等+ ( 三2 竺r 2 - l u c 2 舶， i 2r l = 丢k s f - 一去k 懵+ ( 三2 k 嚼) 2 一l u 4 2 ， 其中a r r = k s ，k 为电阻应变片灵敏系数。 由此可见，电桥输出电压u o 与试件的应变s 并非严格的线性关系，随着应变值 的增大，单臂电桥的非线性误差也将增大。但通常应变s 非常小，可作近似线性化 处理，则输出电压可写为： “= 去k 口u ( 2 1 7 ) 则相对的非线性误差e 为： p ：幽x l o o 三k 刷1 0 0 ( 2 1 8 ) u o 2 当应变片的材料为康铜等金属时，其灵敏系数k 2 ，假设测量的应变为1 0 0 0 肛， 则非线性误差为0 1 ，基本可以满足测试要求，但若为半导体应变计，其灵敏系 数k 1 2 0 ，则非线性误差可达6 ，这就必须采取措施来加以修正或补偿。 半桥( 1 2 桥) 半桥( 1 2 桥) 或称为差动电桥，可以减少和克服非线性误差以及温度变化所 带来的影响。当两应变片置和是粘贴在试件相对的两面上，则会产生大小相等、 重庆大学硕士学位论文2 相关测试技术基础 方向相反的变形十s 和- - 8 ，若两片相互垂直粘贴，则变形为+ 和一垤，其中v 为试 件材料的泊松比。同理，将r + 欲和恐一欲分别代替蜀和r 2 代入式2 1 5 中，则可 得输出电压为： 砜2 高器篙啬u ：! 竺u ：! k s u 与单臂电桥相比，半桥的输出电压提高了一倍，且利用桥路自身的加减特性消 除了单臂桥中存在的非线性误差，同时还具备温度补偿特性。 全桥 全桥即四个桥臂均连接上相同规格的应变片，应变片阻止为r ，增量都为歙， 其中墨和r 产生变形为+ s ，r ：和心产生变形为一s ，全桥的输出电压为单臂电桥 的四倍，既能克服非线性误差，又能进行温度补偿，具体输出电压公式为： v o - - 竺r u = k 口u ( 2 2 0 ) 交流( 载波) 电桥是指供桥电压采用交流电源的电桥，它的四个桥臂可以由电 阻、电容或电感组成。早期的应变测量仪都采用交流载波电桥的原理( 如图1 所示) 制成，其原因主要是当时的直流放大器存在较大的零点漂移问题，但交流电桥也 存在些问题，如采用长导线时，导线的电容、电感的影响很大，载波频率越高 影响越大。现在，随着电子技术水平的提高，直流放大器的极间耦合和零点漂移 问题得到了很好的解决，直流电桥也得到了广泛应用。 2 3 主要测量参数 在应变测试的过程中，零件所承受的载荷往往是多种多样的，载荷的作用点也 有偏心、歪斜等现象，这就导致了零件的应力状态复杂。例如扭转同时又受到压 缩，拉杆时又受弯曲等1 2 6 。因此，为了更清楚地了解试件的应力状况以及准确测 量各应力成分，应变片粘贴位置和方向的选择以及接入电桥的配置就是能够正确 进行测试的重要条件。下面将介绍布片和组桥的一些基本原则1 2 2 j 。 布片一般原则： 根据试验目的布片。如在检验结构承受危险载荷下的安全可靠性时，应选择结 构的危险点布片。在研究性实验中，除开危险点外，主应力点，应力集中点也 需布片。 根据结构状况布片。根据结构的对称性和载荷的对称状况，可将应变片分布在 结构的对称面上以减少测点数量。 1 4 重庆