关 键 词：

毕业设计论文

资源描述：

重庆大学基于虚拟仪器技术的应变测试仪的研究与开发,毕业设计论文

内容简介：

重庆大学硕士学位论文基于虚拟仪器技术的应变测试仪的研究与开发重庆市重点攻关项目（合同编号：2003-7707） 硕士研究生：文 成指导教师： 秦树人 教授学科专业： 机械电子工程重庆大学机械工程学院二O O四年五月A Dissertation of Chongqing Universityfor Masters Degree in EngineeringStudy and Development of Strain Measurement Based on Virtual Instrument TechnologyChongqing Tackle Key Project(Approved NO. 2003-7707) Candidate: Wen ChengSupervisor: Prof. Qin Shuren Major: Mechantronics EngineeringCollege of Mechanical EngineeringChongqing UniversityMay 2004英文摘要摘 要应变测量是机械工程中分析零件或结构受力状态、验证设计的正确性、确定整机在实际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，分析了传统硬件化应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，同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化应变测量仪器，开发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Visual C+为开发平台，运用面向对象（OOP）的软件设计方法，构建出了图形逼真、功能强大的虚拟式应变测试仪。该系统的软件由主控制模块、初始化模块、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模块七部分组成，实现了对应变信号进行采集、处理、分析和显示。系统可对与应变测量有关的多类型参量进行实时测量，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，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。最后提出了系统进一步开发的设想，即网络化分布式测试系统。本文介绍的虚拟式应变测试仪，是在秦树人教授倡导下将虚拟仪器技术应用于测试系统的一次成功的尝试。工程实践表明，虚拟式应变测试仪具有功能强、精度高、效率高、成本低、开放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ABSTRACTStrain measurement is one of the important means that analyses accessory or structure stress, validates design correctness, confirms complete machine load status when working or studies physical phenomenon mechanism in mechanical engineering. So with quick speed developing high-powered strain measuring instruments is needed. The paper firstly introduces the strain measurement present status and developing trend at home and abroad, analyses traditional hardware-based instrument for strain measurement key feature and existing shortages. Subsequently introduce the theory, method of strain measurement and correlative signal processing knowledge. At the same time introduces conception, characteristic of virtual instrument technology and development technique of virtual instrument. The virtual instrument and hardware-based instrument are contrasted, which stands out the superiority of virtual instrument. The virtual instrument is a sign that measurement system is transforming from hardware-based system to software-based system. It has broken through traditional concept of instrument. Then bring forward changing tradition hardware-based instrument for virtual instrument technology, develop the strain measurement instrument based on virtual instrument technology.In this paper, it expatiate logic structure and software and hardware design of virtual strain measurement system. At Visual C+ development platform using OOP software design method develop the virtual strain measurement instrument that its figure is true to nature, its function is powerful. The software of system is composed of center control module, initialization module, data processing module, data processing module, graphical display module, data storage module and the auxiliary functions module. It fulfils signal acquisition, processing, analysis and display. The system can realize real-time measurement for many parameters that correlate with strain. It can realize integration for sampling and processing of signal, visualization for data and result. The system is lower cost and higher work efficiency. At the same time with instrument do experiment on site testing, do error analysis to test result, bring forward resolve method and measure. It stand out that software is a pith of virtual instrument. The applied cost of virtual strain measurement system based on component technology is stressed. Lastly bring forward the further development of system, that is distributing network measurement.Introduced virtual strain measurement instrument in the paper is a successful try that Prof. Shuren Qin take the initiative apply virtual instrument technology to measurement system. Engineering practice make show that virtual strain measurement instrument have the features that its function is powerful, its precision is high, its efficiency is high, its cost is low and its openness and expansibility is good. It can replace traditional hardware-based instrument for strain measurement completely, is a measurement instrument that can be extended abroad.Key words: strain measurement, software development, virtual instrument III目录目 录中文摘要I英文摘要1 绪 论11.1 测试领域面临的挑战与对策11.2 国内外应变测量发展的历史与现状21.2.1 应变测量的特点21.2.2 应变测量装置的种类31.2.3 应变测量仪器与系统的发展41.3 基于虚拟仪器技术的应变测试仪研究的意义52 应变测量技术基础72.1应变测量原理72.1.1 应变测量原理简介72.1.2 电阻应变计82.1.3 应变测量电桥92.1.4 单臂电桥的线性化处理142.1.5 电桥自动平衡技术152.1.6 电桥在使用中应注意的问题152.1.7 放大电路162.1.8 模块式应变信号调理器172.1.9 抗干扰技术182.2 以应变测量为基础的参数测量192.2.1 应力测量192.2.2 弯矩测量202.2.3 扭矩测量223 数字信号处理253.1 信号的采样253.2 信号处理的基本方法303.2.1 信号的幅值域分析303.2.2 信号的时域分析313.2.3 信号的频域分析334 虚拟仪器技术354.1 虚拟仪器的概念354.2 传统仪器与虚拟仪器364.3 虚拟仪器的构成374.4 虚拟仪器的特点404.5 基于PC的虚拟仪器414.6 虚拟仪器的现状及发展435 基于虚拟仪器技术的应变测试仪的研发455.1 引言455.2 系统的总体设计465.2.1 系统的组成465.2.2 系统软件的总体设计475.2.3 系统软件开发平台的选择475.3 系统的硬件设计495.3.1 电阻应变计的选用495.3.2 应变放大器的选用495.3.3 数据采集卡的选用525.4 系统的软件设计原则535.5 软件开发流程545.6 软件功能总体设计555.7 主控制模块565.8 初始化模块575.9 数据采集模块585.10 数据处理模块605.10.1 数据处理概述605.10.2 数字滤波615.10.3 标度变换645.10.4 数据的二次处理645.11 图形显示模块665.12 存储打印模块665.12.1 数据的存储675.12.2 波形及统计表打印685.13 辅助功能模块695.13.1 波形放大及移动695.13.2 极限报警695.13.3 光标跟踪读数696 应变测试仪实验716.1 应变测试实验系统的设计716.2 应变测试的实验736.3 误差分析757 系统的进一步开发设想777.1 系统功能的完善与扩充777.2 进一步研究的设想778 结 论81致 谢83参考文献85附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文87VII1 绪 论1 绪 论1.1 测试领域面临的挑战与对策1随着现代科学技术的发展，计算机、微电子技术、现代新型传感器等技术在测试领域中的应用，大大提高了测试系统的现代化水平。现代测试技术已大大不同于传统测试技术，它包括信号采集、信号变换与传输、信号处理与分析、信号记录与显示的综合技术，给传统测试带来了一系列的新观点、新方法和新技术。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，产品性能不断提高，以及市场对成本、时效性限制的日益严格，产品测试问题已成为大多数厂家关注的焦点。从用户的观点来讲，今天的测试领域面临着三大主要挑战是：测试成本不断增加；测试系统越来越复杂；对测试投资的保护要求越来越强烈。虽然增加产品的电气程度可以增加其功能与性能，提升产品升级，但是，所增加的功能与性能都需要通过测试来保证其质量，因此，随着产品电气程度的增加，测试成本也在不断增大，如何降低测试成本越来越受到广泛的关注。现在许多用户使用的测试系统是传统仪器意义上的测试系统，构成这样一个测试系统需要多台设备，设备之间必须很好的匹配，设备的选型、调试和使用比较麻烦，而且设备功能单一、固定，不易扩展。虽然传统应变仪在测量的精度、稳定性和可靠性等方面都已经比较成熟，但还是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。这些传统的测试系统往往既不兼容，又不能共享软、硬件资源，所以，传统仪器的缺点归根到底在于无法向用户提供统一的测试策略。在产品的研究、开发与研制、生产的全过程中，不同阶段有不同的测试要求。在研究、开发阶段，技术责任单位不仅需要用高性能的测试设备来检查其设计是否达到技术规格书上的要求，而且还要确定其安全裕量是否足够；在生产阶段对测试系统的主要要求是易于使用和测试快捷，而军队现场使用的测试设备则要求便携、坚固，并具有快速、准确的诊断能力，这势必使用户的测试投资难于得到有效的保护。为了解决测试领域所面临的问题与挑战，虚拟仪器（Virtual Instrument,简称VI）技术便孕育而生。美国NI（National Instrument）公司于1986年首先提出虚拟仪器的概念，与传统仪器相比，虚拟仪器在性能、易用性、扩展性以及成本等方面具有更多优点，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。使用虚拟仪器可以大大缩短用户软件的开发周期，增加程序的可复用性，从而降低测试成本。而且，由于虚拟仪器是基于模块化软件标准的开放系统，用户可以选择他认为最适合于其应用要求的任何测试硬件。例如，你完全可以自己定义最适合于你生产线上用的低成本测试系统，或为研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或兼容的。有了虚拟仪器，工程师和科学家就可以完全根据自己的需求组建测量和自动化系统，而不用再受功能固定（完全由厂家提供）的传统仪器的限制。所以，虚拟仪器技术的发展标志着自动测试和电子测量领域技术发展的一个崭新方向，在发达国家，以虚拟仪器为代表的测试技术已经成为一个研究的热点。本课题是将虚拟仪器技术运用于应变测量，开发了基于PC-DAQ体系结构的虚拟式应变测试仪，为应变测量的新方向做了一些初步的探索，并对基于虚拟仪器技术的应变测量技术的内容、方法和优势有了比较深入的认识。1.2 国内外应变测量发展的历史与现状2-41.2.1 应变测量的特点2-3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，对保证机械设备安全运行、实现自动检测和自动控制等方面都具有重要的作用。在各种应变测量方法中，电阻应变式电测法是最基本和应用最广泛的测量方法。应变测量的主要优点有以下几点：（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。以应变测量为基础，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，且能用于生产过程的自动检测和自动控制。（3）动态特性好。因其尺寸小，重量轻，基本上不干扰试件的应力状态，几乎无惯性，还可组合成各种应变花，测量复杂应力状态，其动态应变范围可达0500kHz。（4）测量范围大。一般测量范围在10104（m/m）量级，用高精度测量系统可测10-2，用大应变片可测塑性变形（105量级）。（5）适应性强。选用不同种类的应变片，可以在高温（1000）、高压（几百Mpa）、强振、潮湿、腐蚀、高速旋转和核辐射等恶劣环境中测量，性能稳定,因此，应变测量得到广泛应用。当然，应变电测也存在着许多缺点，这些缺点包括：（1）应变电测法通常为逐点测量，只能测构件表面的应力，不能测到构件的全域性应力应变场。（2）所测得的应变值是其敏感栅覆盖面积内构件表面的平均应变，对于应力梯度大的构件表面或应力集中的情况，测量误差较大。如果应选用栅长很小的应变计，则可以使测量值尽可能地接近测点的实际应变值。1.2.2 应变测量装置的种类4所谓应变测量装置，是指以电阻应变计为敏感元件的应力应变测量仪器。按照测量仪器的工作频率范围以及测量对象的频带，大致可以分为以下几种：（1） 静态应变仪主要用于静态应变或静力实验中有关力学的测量，这类应变仪问世最早。当多点测量时，必须配以多点预调平衡箱以解决多点切换和零点平衡的问题，由于测量静态应变对测定时间没有要求，故可以手动平衡。图1.1为扬州泰司电子有限公司生产的TS3860静态应变仪。图1.1 静态应变仪Fig.1.1 Static strain gauge（2） 静、动态应变仪除了可以测静态应变外，还可以测量频率在100Hz200Hz以下的动态应变，可以输出电流信号，由示波器或其它记录仪器记录，其输出信号的频带为DC200Hz（如国产YJD-1型）。（3） 动态应变仪主要用于各种机械振动所引起的动态应变的测量，其结果必须用相应的记录装置。这类仪器适用于测量频率在1000Hz5000Hz以下的振动应力测量，如欧美大地仪器设备中国有限公司生产的DC-96A动态应变仪。（4） 瞬态应变仪适用于爆炸或高速冲击时的应变测量，其经历的过程往往只要几十毫秒，有的甚至更短，测量频带达到几KHz以至几百KHz。（5） 数字应变仪利用数字化技术，将应变信号转换成数字信号，在仪器的面板上显示或由打印机打印出记录结果。（6） 应变数据采集系统将低电平的应变信号先经必要的信号调理，再经过多通道切换和A/D转换器变成数字信号，并经接口电路送入计算机作进一步处理，得到最后的分析结果。这类测试系统不仅能测量应变，而且还能测量温度、位移、力（或重量）、扭矩等多种参量，如东华DH3817应变信号测试分析系统。1.2.3 应变测量仪器与系统的发展4欧姆定律使英国人惠斯顿（C Wheatstone）于1843年发现了惠斯顿电桥电路，它是至今仍被采用的应变计测量的标准电路。自从 1856年汤姆逊发表了在外力作用下金属电阻丝发生电阻变化的所谓应变电阻效应以后，直到1938年，美国的西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。50年代初期，瑞士胡根伯的直热式电子管应变仪和荷兰飞利浦的交流电子管应变仪相继推向市场。但是，由于电阻应变计在感受应变后产生的电阻变化极其微小，所转化后的电信号也很微弱，因此必须将信号给予放大，才能用普通模拟指示仪表或记录仪显示。1943年Hathway根据载波调幅原理研制成了电阻应变仪，其测量电桥由载波振荡器供电，应变计的电阻变化在电桥的输出端产生调制波，经载波交流放大器放大后，用相敏检波器解调还原成与电阻相对变化R/R成正比的信号。由于采用载波调幅的原理，因而避开了直流放大器所存在的零漂的问题。早期的应变测量都是采用该方案，如图1.2所示。电桥电路载波放大载波振荡器指示仪表相敏检波图1.2 交流载波式电阻应变仪方框图Fig.1.2 Block diagram of strain gauge of alternating current carrier wave随着电阻应变计在工程技术中的广泛应用，出现了各种各样的应变仪。1946年， Redshow对各种应变仪作了归纳，将应变仪分为静态单点、静态多点、动态单通道及动态多通道等四类。自从半导体应变计问世后，1963年D.R.Harting根据半导体应变计的特点，设计出了一种半导体应变计专用的应变仪，该仪器与一般的载波应变仪不同，对放大器的要求降低了，但对电源的要求十分严格，即要求电源稳定。从50年代末到70年代，随着数字仪表的出现，同时也出现了各种数字应变仪。直接用数字显示应变值，其结果可用打印机作记录，大大提高了测试效率。八十年代，智能仪器和个人仪器的出现，使自动测试系统得以实现并取得革命性的突破。它们充分发挥原有微机软、硬件的作用，性价比高，使用方便，测试效率高。随着电阻应变计应用的日益广泛，对应变测量提出了更高的要求，要求测量速度高达每秒几十万次，测量点也由几百至上千点。为了适应这种要求，人们又研制出了数据采集装置，它不但能采集多点应变，而且还可采集热电偶等测试信号以及其它低电平信号。装置除了一般调零、切换外，还具有灵敏系数修正、横向效应修正、导线电阻补偿、温度效应修正以及应变花的计算等功能，这些功能都由计算机实现，简化了人工处理，大大提高了测试效率。例如NEFF公司的620/600型高速、高精度数据采集系统，其采集速度可达每秒5-10万次，采用分辨率为16位的A/D，基本精度为0.02%F.S，可以连续不断地采集数据。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，涌现了一大批虚拟仪器产品，使得应变测量跃上了一个新的台阶。由于传统的应变测量仪器与系统由应变计、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。现在很多厂家推出的多通道应变采集系统在一定程度上具有智能性，但其价格昂贵，难以推广。随着计算机技术和虚拟仪器技术的发展，使上述问题迎刃而解。电子器件、电子技术特别是计算机技术的发展和普及，使电阻应变仪体积的小型化，测量的高速化，性能的多功能化以及处理数据的快捷化。近年来，涌现了很多新型应变传感器，在一定程度上代替了传统的电阻应变计，但是，由于电阻应变计具有许多其它传感器没有的优点，使得今后以电阻应变计为基础的应变测量装置仍将得到进一步的发展。总之，应变信号的测量仪器和装置，伴随着科学技术不断的进步与发展，也在不断地日新月异，需要人类的不断补充、更新与完善。我们相信，将来的应变测量系统一定是虚拟仪器技术与计算机网络技术相结合的系统，其测试功能会更强大，精度会更高，应用会更广。1.3 基于虚拟仪器技术的应变测试仪研究的意义5虚拟仪器（VI）是计算机辅助测试（CAT）的最新发展，它充分利用快速发展的计算机及通信网络技术来提高测试计量仪器设备的功能、性能和应用范围，为用户定义和构造自己的测试仪器系统提供了全新的解决方案。虚拟仪器并不完全等同于计算机辅助测试，它是一种基于信号采集与分析理论、具有标准化软硬件及其接口和良好集成性与柔性的仪器系统，是一种新的测试仪器标准和技术规范。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。只要在应变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Visual C+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。52 应变测量技术基础2 应变测量技术基础2.1 应变测量原理2-36-112.1.1应变测量原理简介3应用应变测量技术，测量构件表面的应变及应力，对于分析与研究零件、机构或结构的受力情况及工作状态的可靠性程度，验证设计计算结果的正确性，对于发展机械设计理论，研究机械工程中某些物理现象的机理及实现机械运行自动化，都具有十分重要的意义。应变测量作为一种有效的测试与转换技术，还可以用于多种物理量的检测与计量，实现生产过程或科学实验的测量与控制。用电阻应变片作为传感器件，测量应变、应力及与之之相关的物理量，是一种常见的实验应力分析方法，其测试过程可用图2.1表示。图2.1 应变测量框图Fig.2.1 Block diagram of strain measurement电阻应变计测量电路Ru或i显示与记录仪器或计算机 其中，电阻应变计为传感器，作用是将被测试件所受的应变转换成电阻的相对变化R/R。而测量电路则包括信号放大器和滤波器，其作用是对信号进行必要的调理。显示与记录仪器或计算机的作用是显示测量结果。应变测量原理如下：把电阻应变计粘贴在被测构件表面上，并接入测量电路，当被测构件受外力作用变形时，应变片敏感栅随之变形，敏感栅的电阻值也发生相应变化，其变化量的大小与构件表面所受外力成一定的比例关系，经后接测量电路（如测量电桥）转换为电信号输出，由显示记录仪器记录或输入计算机、分析仪器进行数据处理，测量结果是应变值，通过应变与应力的力学关系，可计算出被测构件所受应力的大小。设被测物体原始长度为L，变形后的长度为（L+L），物体受力后发生的轴向相对变形（应变）为。则， (2.1)假如电阻应变计的电阻为R，R随被测物体的变形而改变，并有如下关系： (2.2)其中，K为应变计的灵敏系数。在一定范围内，有 (2.3)从上面的公式中可以看出，测出应变计电阻R的相对变化，就可以求出相应的应变。电阻应变计产生的应变和电阻的相对变化R/R具有下述关系： (2.4)由于电阻的相对变化量难以测量，通常用惠斯登电桥将其变换成电信号，如图所示为单臂应变测量电桥。UoR3R2R1+RR4U2.2 应变测量电桥Fig.2.2 Bridge of strain measurement当桥压为U时，则电桥的输出电压U0为： (2.5)通过测出电桥输出电压，便可以求出此时所测应变值。由于电桥输出为低频缓变直流信号，信号非常微弱，需要专门的测量电路（放大器）将其放大，再输入显示、记录仪表进行显示记录，或经过模数转换（A/D）和接口电路输入计算机、分析仪器进行分析处理。2.1.2 电阻应变计6-7电阻应变计俗称电阻应变片，简称应变计（Strain Gauge），是一种能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、引出线及覆盖层等部分组成的。敏感栅是把结构应变转换为电阻变化的敏感元件；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与被粘试件之间具有良好的电绝缘；覆盖层是保护敏感栅避免受外界的机械损伤并防止环境温度、湿度的侵扰的；引出线则是连接敏感栅与测量仪器，把应变计的电信号送到仪器内。应变计的各组成元件的性能将直接影晌电阻应变计的各项特性。电阻应变计的种类很多，分类的方法也很多。图2.3所示为电阻应变计的分类及其适用的场合。电阻应变计金属电阻体半导体金属及金属氧化物箔式应变计丝式应变计薄膜应变计普通用、特殊用、传感器用特殊用传感器用体型半导体应变计扩散型半导体应变计薄膜型半导体应变计特殊用、传感器用传感器用传感器用厚膜应变计传感器用图2.3 电阻应变计的分类Fig.2.3 Types of electric resistance strain gauge电阻应变计的工作特性主要有：应变片电阻、灵敏系数、横向效应系数、零点漂移和蠕变、疲劳寿命、最大工作电流和热输出等。应变计应根据应变测量的目的、被测试件的材料和应力状态、温度参数以及测量精度的要求来选择。例如，在一般室温环境下，对钢试件进行多点静态应力分析，通常选择一般用途的丝式或箔式应变计；若用作测力传感器的敏感元件，则选用零漂、蠕变很小的箔式应变计；若要求传感器的输出灵敏度很大时，可选用半导体应变计。应变计随着科学技术的发展而不断发展和改进，纵观目前国内外的应变计市场，应变计今后的发展呈现以下几种倾向：（1）通用应变计朝向高精度、使用方便、快捷省力的方向发展。 （2）传感器用应变计要求多功能、高稳定性。（3）特殊环境用应变计的多样化及稳定性的提高。现代科学技术的发展，材料、工艺技术以及电子工程、集成电路工艺的发展，开拓了应变计技术的发展前景，无论在应变电测技术方面，还是在传感器方面，至今还没有任何一种敏感元件能替代电阻应变计的，为此，电阻应变计技术的进一步研究开发仍将是今后应关心的重点问题。2.1.3 应变测量电桥2-3电阻应变计所感受的应变只能引起电阻的变化，不能直接产生电信号，因此，还必须配以适当的电源和辅助电路才能转换成电信号，以供后接测量装置进行进一步的处理。电桥就是将电阻的变化转化为电信号的电路。电桥主要有交流测量电桥和直流测量电桥两种。（1） 交流电桥过去存在于直流放大器的极间耦合和零点漂移问题没有得到很好的解决，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，另外将交流载频设计到远离50Hz的市电频率，利用调谐的载波放大器即可抑制50Hz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测量时，导线的电容、电感影响很大，载波频率愈高影响就愈大，故交流电桥的载频不能太高，这就限制了测量信号的频率上限。供桥电压采用交流电源的电桥称为交流电桥，四个桥臂可以是电阻、电容或电感组成，分别如图2.4、图2.5和图2.6所示。桥臂不再是直流电桥中的“纯电阻”，而是呈复阻抗特性。分别用、表示四个桥臂的阻抗，则交流电桥的平衡关系为： (2.6)用复数表示则可改写成： (2.7)式中Z01 、Z02 、Z03 、Z04分别为各桥臂阻抗的模，1 、2 、3 、4分别是各阻抗角，要满足Z1 Z3=Z2Z4关系式， 必须同时满足以下关系,即 Z01Z03= Z02Z04( 1+3=2+4 (2.8)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件，即相对两臂阻抗模的乘积应相等，且相对两臂阻抗角之和也应相等。R4R1C1R2R3UU0C2R4L4R1L1R2R3UU0R4C4R1C1R2R3UU0图2.4电容电桥 图2.5电感电桥 图2.6电阻电桥Fig.2.4 Bridge of capacitance Fig.2.5 Bridge of inductance Fig.2.6 Bridge of resistance 图2.4电容电桥的平衡条件为： (2.9)图2.5电感电桥的平衡条件为： (2.10)图2.6电阻电桥的平衡条件为： (2.11)由此可见，满足交流电桥平衡的条件除了电阻平衡以外，都必须调节阻抗平衡，即分别调节电容或电感平衡。（2）直流电桥随着电子技术的发展，特别是大规模集成电路的发展，过去存在于直流放大器的极间耦合和零点漂移问题，得到很好的解决，因而直流放大式测量电路广泛应用到新一代的测试仪器中。采用直流电桥优点是信号的处理及模/数转换较为方便，信号可以不受各元件和导线分布电容及电感的影响，抗干扰能力强，电桥调节平衡电路简单，可以不需要市电。 单臂接法如图2.2所示，设桥压为U，电桥的输出电压为U0，R1为工作应变片电阻，当感受应变为时而产生的电阻增量为R，R2、 R3 、R4为高精度固定电阻。当电桥平衡时，U0=0，则有 R1R4=R2R3 (2.12)上式称为电桥的平衡条件，此式说明，欲使直流电桥平衡，其相对两臂电阻乘积应相等。当电桥处于平衡状态时，若某桥臂电阻产生增量，而U保持不变，则电桥的输出电压U0仅与该桥臂的电阻增量有关；如果该电阻增量是由应变信号引起的，则该输出电压的变化量，就表征了应变信号的变化量，从而实现了机械应变信号电信号的转换过程。令：R1 = R2 = R3 = R4 = R，当输出端接入高阻抗负载时，电桥的输出端可视为开路，那么电桥的输出电压为：= = (2.13)由于 ，其中为应变片灵敏系数。那么有：U0 = (2.14)上式表明电桥输出U0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：U01 = (2.15)那么，其非线性误差项为： = (2.16)用相对误差来表示非线性误差e，则有： (2.17)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（如=1000m/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0.1%，仅仅应变电桥这一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 120，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，但是由于温度的变化也可引起电阻的变化，使测量结果产生温度误差。为了减少和克服非线性误差，以及由温度变化引起的电阻相对变化量，常采用差动电桥进行测试。UoR3-RR2-RR1+RR4+RU图2.8 全桥 UoR3R1+RR4U图2.7 双臂电桥 R2-R Fig.2.7 Half bridge Fig.2.8 Full bridge 图2.7中，R1、R2采用同规格应变片，原始阻值R1= R2= R3= R4= R，且R1 、R2产生的电阻增量数值相同， R1=R2 =R，但符号相反，其输出电压： (2.18)与单臂电桥相比，其输出电压提高了一倍，且利用桥路的加减（或和差）特性，分式中没有略去项，故不存在非线性误差。同时还具有温度补偿特性。 全桥图2.8称为全桥连接，即四个桥臂均为同规格应变片，桥臂电阻为R，其增量为R，其输出电压： (2.19)与单臂电桥相比较，其输出电压提高到4倍，既能克服非线性误差，又能进行温度补偿。（3）恒流源测量电路采用恒压源供电有许多的优点，但如果所测的应变较大，这时要求传感器的输出灵敏度很大，那么必须选用大灵敏系数的应变计；在应变测量电路中，应变片或传感器与测量放大器用导线连接，由于连接导线具有一定的电阻，因此也会引起测量误差，当连接导线较长时，这种误差往往很大而不能被忽略。如果这时UoRRR+RRI图2.9 恒流源测量电路Fig.2.9 Constant current source circuit仍然采用恒压源对单臂电桥供电，则测量结果会产生严重的非线性误差。这时采用恒流源测量电路可克服上述缺陷，而且还能消除长导线电阻的影响。恒流源测量电路如图2.9所示，其中I为工作恒流源，设桥臂的接电阻相同。此时电桥的输出电压为：= (2.20)其非线性误差为：，与采用恒压源供电相比，其非线性误差减小了一半，但缺点是非线性误差并没有完全消除。恒流源非常适合作灵敏系数大的应变计的激励源，如半导体应变计。2.1.4 单臂电桥的线性化处理 28对于多通道应变测量系统，为了减少测量前的准备工作量，提高测试效率，一般都采用单臂工作桥路。但是普通单臂电桥的输出电压与桥臂电阻的变化并不是线性关系，电桥的输出电压是非线性的。当电阻变化率R/R相当小时，非线性误差会很小，一般可以近似作线性化处理；但当变化率R/R较大时，其非线性误差很大，从而会大大影响测量精度。因此，有必要对单臂电桥采取非线性补偿或进行误差修正。对单臂测量电桥进行线性化处理，可以采用硬件电路，也可以采用软件的方法。在线性化电路方面，除了采用恒流源测量电路减少非线性误差之外，还可以采用以下几种线性化电路：反馈电压补偿电路、可变电压源供电电路和有源网络差分电路，详细的电路原理见相关的参考资料。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，但是它们的线性化电路一般都过于复杂，成本相对软件方法来说不够经济。用软件的方法进行线性化矫正，虽然要花费一定的程序运行时间，但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，不必增加特殊的硬件结构，通过程序即可实现传感器的线性化。采用软件方法不但成本低廉，而且容易修改，适用范围广，精度可以得到保证，特别适合于虚拟测试仪器发展的要求：最大限度地以软件替代硬件的功能。因此在多通道应变测量系统中广泛采用软件的措施来消除非线性误差。作者设计开发的QLV虚拟式应变仪就采用了软件修正的方法，并取得了满意的结果。2.1.5 电桥自动平衡技术9先进的数据采集系统已使测量应变的恒压电桥本身变得非常简单，以前，每一应变测量电桥都配有调零电位器，在正式测量前需要用手工或其它机械工具对每个电桥进行调零。如果测试系统有几百个通道，则调零工作变得十分繁琐，现在大多数应变数据采集系统已采用计算机自动校零技术，其原理如图2.10所示。应变电桥的初始不平衡零点经预放和末级放大后，经采样开关送至A/D转换器，计算机将A/D转换器输出的零点值存放在内存中，在正式测量时，计算机边选通某通道的采样开关边从内存中取出该通道的零点值送给这一通道的D/A转换器，D/A转换器的输出与此时的电桥输出（经预放）在末级放大器输入端进行相加，消除该通道应变测量电桥初始零点对实测值的影响。应变测量电桥图2.10 自动校零电路示意图D/A来自计算机的零点数据至A/DU预放末放R3R4R5R7R6R1R2Fig.2.10 Sketch map of autozero circuit为提高测试效率，虚拟式应变测试仪采用软件自动校零功能，使测试前的准备工作减至最少，即应变电桥的初始不平衡点经采集后得到该通道的零点值存放在内存中（采集一组数据，然后取平均值作为零点值），正式测量时，将该通道的测量值减去对应的零点值，从而消除初始电桥的不平衡所带来的误差，既提高了效率，又改善了测量精度。2.1.6 电桥在使用中应注意的问题10电桥电路有着很高的灵敏度和精度，而且结构形式多样，适合于不同的应用。但电桥电路也容易受到不同外界因素的影响，如温度、电源电压及频率以及导线等，此外，在不同的应用中需要调节电桥的灵敏度，以适应不同的测量精度。因此，在电桥应用中应注意以下几点： 连接导线的补偿在实际应用中，所用的传感器与所连接的仪表常常有一段可观的距离，这样连接导线会给电桥的一臂引入附加阻抗，由此会带来测量误差。这时考虑采用三导线结构形式就会消除由此所引起的任何不平衡。 电桥灵敏度的调节 测量小电阻阻值的电桥一般的测量电桥几乎都是惠斯登电桥，这种电路一般不能用来测量毫欧或微欧量级的微小阻值，因为导线电阻以及内部的电缆和节点电阻均会增加测量电阻的数值量级，这时可以采用汤普逊（Thomson bridge）电路就能够解决这一问题，其测量的最小电阻值可达到107欧，具体测量电路可参考相关的资料。2.1.7 放大电路3（1）交流放大式测量电路过去，由于极间耦合和零漂问题难于解决，因此大多数应变测量仪器采用交流调制式传输方式，如y6D-3、yD15等动态电阻应变仪，其原理框图如图2.11所示。图2.11 y6D-3动态电阻应变仪框图Fig.2.11 Block diagram of dynamic strain gauge of y6D-3电桥：大多采用交流电桥，它是一个调制器，由高频振荡器提供幅值稳定载波作为桥压，在电桥内，被应变信号调制后变成调幅波，将应变计的电阻变化按比例转换成电压信号，然后送至交流放大器放大。高频振荡器：产生幅值稳定的高频正弦波电压，简称载波，它既是调制器（电桥）的桥压，也是解调器的参考电压，为使被测应变信号实现不失真传输，应使载被电压的频率比被测信号频率高510倍。放大器：将电桥输出的微弱调幅电压信号进行不失真的电压的功率放大，要求它有很高的稳定性。相敏检波器：它是由四个二极管组成的环电路，利用振荡器提供的同一载波信号作为参考信号，在相敏检波器内辨别极性，放大的调幅波还原成与被测应变信号相同的波形。低通滤波器：相敏检波器输出的电压信号中，含有高频载波分量，为此应变仪设置有低通滤波器滤去高频成份，使输出信号还原成已放大的被测输入信号。（2） 直流放大式测量电路其基本特征是采用直接耦合的方式进行信号的放大、传输和处理。直接耦合式放大器的特点为了放大缓变信号，直流放大器采用多级放大，而前级与后级间是直接耦合的，从而产生了极间静态工作点相互影响。为解决这一问题，可以采用阻容耦合、变压器耦合和直接耦合三种方式。前两种耦合方式的基本特征是采用电容和变压器隔直，极间静态工作点互不影响，但不能放大直流或缓变信号，且体积大，集成电路要制作耦合电容或电感元件是非常困难的，故不易集成化；而直接耦合式放大器能放大缓变信号，不用耦合电容，易于小型化和集成化，但极间静态工作点互相影响，静态参数计算复杂，而且很容易出现零点漂移，这是直接耦合式直流放大器必须解决的两大难题。差动式放大电路为了解决极间耦合和零漂问题，常采用差动式放大电路，利用两个相同特性的三极管组成对称电路，并采用共模负反馈电路的方法，解决极间耦合和克服零点漂移问题。我国已从第一代集成运算放大器，发展到自稳零集成运算放大器，已经较好解决了上述两个问题，并且获得了高稳定度、高精度、高放大倍数的直流放大器，为测试仪器的发展提供了坚实的基础。2.1.8 模块式应变信号调理器2为了减少系统设计者或使用者的工作量，目前已经有厂商专门生产出应变计电桥信号调理器（Strain Gauge Bridge Conditioners）。它由三个部分组成：高性能可调增益低电平放大器；可调截频的三点低通滤波器；电压可调的应变电桥激励源。这三部分电路组装在一个很小的模块里，其体积大约50mm50mm10mm，如美国模拟器件公司生产的2B31型应变信号调理器，它的放大器部分由前置的低电平差分仪器放大器和后接缓冲放大器组成，其增益可调范围为12000倍，可调截频的低通滤波器的截频的调节范围可从2Hz到5kHz，选用不同的电阻值即可得到不同的截频，可调的激励源可以接成恒压桥源和恒流源两种输出方式。这种信号调理器主要用于电桥测量应变，或以电阻应变计为敏感元件的各种压力、扭矩以及力传感器，也可用于半导体应变计测量应变，或用于热电阻、热敏电阻传感器来测量温度，故其使用的范围非常广泛。2.1.9 抗干扰技术911由于现场测试时存在接地不良，导线分布电容、互感、电焊机强磁场干扰或雷击等原因，会导致测试结果的改变，当被测对象到测试系统之间的距离很长（几十米至几百米）时，更会引入干扰。因此，为了提高系统的抗干扰能力，应该采取有效措施加以排除。（1）干扰的分类干扰即噪声（noise），要有效抑制噪声，首先要清楚噪声发生机制，然后根据噪声发生机制选用相应的抗干扰技术。噪声发生机制有四种方式，即传导耦合、电感耦合、电容耦合以及电磁场耦合。具体含义这里就不详述，有关内容可参考相关书籍。（2）抗干扰的方法抗干扰方法减小耦合减小参考平面的阻抗增大空间距离减小电路的环路面积替代方法改进实际电路消除干扰源利用滤波器平衡线路屏蔽 图2.12 抗干扰的方法Fig.2.12 Method of anti-jamming（3）本课题采用的抗干扰技术采用屏蔽双绞线电缆连接电桥的信号输出和激励电源。电缆的屏蔽端接至试件的结构地，或接至测试系统大地连接点，但不能两端都接地。在某些干扰不严重的现场，采用不带屏蔽的手工双绞成的电