使用Keithley DAQ6510系统与KickStart软件简化应变计测量

■ 引言(Introduction)

应变计是一种电阻式器件，用于监测力的变化。

当应变计所粘附的物体发生形变或位移时，应变计也会随之形变，并将机械特性转换为可电测的信号。

应变传感器在多种应用中具有重要价值：

■ 电动汽车驱动系统的扭矩测量研究：

与传统内燃机相比，电驱系统具有显著更高的功率密度。电驱系统的转速更高，随着卡车(从乘用车到8级重型卡车)的电气化推进，其牵引力矩也将提升。

■建筑结构的应力分析：

能够用于建筑结构早期损伤检测，有助于我们更好地理解气候变化与环境因素对建筑的影响。

■航空领域的承载部件监测：

将应变计安装于航空航天中的承载构件上，可用于检测飞行过程中的结构变化。

■铁路系统的压力监测：

可用于检测超限压力条件，并提前发出预警，帮助维护团队在问题扩大前识别与处理潜在故障点。

本应用说明将重点介绍一些应变测量的基本原理，并提供一种更易实现这些测量的方法。

此外，我们将展示如何使用Keithley DAQ6510数据采集与记录万用表系统配合KickStart软件，通过一种简化方法获取应变测量数据。

简化应变计测量(Simplifying Strain Gauge Measurement)

应变测量的一般变化量通常不超过数毫应变(millistrain)，这相当于毫欧级别的电阻变化。

一种常见的测量方式是使用如图1所示的惠斯通电桥(Wheatstone Bridge)结构。

电桥中的电阻被选择为在电桥平衡时满足：

R1 / R2 = R4 / R3，

此时输出电压VO = 0。

下式为惠斯通电桥输出电压VO的计算公式。

以下示例中，电桥平衡情况为：

R2 = R3 = 100Ω，R1 = R4 = 200Ω。

图1：用于应变测量的惠斯通电桥结构示意图。

虽然我们可以通过将R4替换为应变计，让其电阻变化产生非零输出电压VO，但这种电桥搭建方式较为复杂：

● 需要电压源

● 需要两个独立的电压测量通道

● 需要多只精密电阻

● 才能准确计算得到最终的应变值

此外，由于组件数量较多，可能还需要使用电桥平衡、偏移调零或其它信号调理电路。

使用一台高精度数字万用表(DMM)对应变计的电阻进行直接测量。6½位数字万用表(DMM)在测量低阻器件时可以提供极高的精度与分辨率。当电阻值低于100Ω时，可采用四线(Kelvin)测量法来消除由测试线电阻导致的误差。其主要缺点是：如果通过多路复用器监测多个器件，四线法所需的通道数量是传统两线电阻法的两倍。然而，越来越多的应变计制造商开始提供更高阻值的器件，使得两线测量更适合应用，并能提升切换系统的通道容量。

图2展示了如何根据器件的受压状态与静止状态的长度差，计算应变(strain)。

应变定义为：应变 =(长度变化量)/(未受力时的原始长度)

图2：通过比较器件受压状态与静止状态，计算应变。

制造商通常会为其应变计器件提供一个应变系数(Gauge Factor，GF)，其用于表示器件对应变的敏感度，公式如下，其中R为电阻值：

为求得应变，可将公式转换为：

由于器件的GF为已知，并且其静止状态下的电阻可通过初始测量获得，因此可使用斜率-截距公式(slope-intercept)对每个受压状态下测得的电阻值进行应变换算。对于截距b，我们使用–1/GF(GF的负倒数)作为计算参数：

执行应变计测量(Performing the Strain Measurement)

以下示例说明如何使用：

Keithley DAQ6510 – 6½位数据采集与记录万用表系统

KickStart软件

执行应变计测量。

假设：

我们使用一个预制接线的应变计，其参数如下：

● 标称电阻：350Ω

● 应变系数 GF：1.93

● 其接线于多路复用卡的101通道

当DAQ6510已连接到电脑、且KickStart软件已运行后：

1. 打开一个Data Logger App(数据记录器应用)

选择DAQ6510作为测量仪器

图3：启动Data Logger应用程序。

从Function(功能)列表中选择2-Wire Resistance(两线电阻)，然后选择你的应变计所连接的通道 ——101通道。在界面的Channel(通道)区域(见图4)，点击Measure Now(立即测量)即可获取应变计的静止状态电阻值。

图4：在无应变状态下测量器件，将为我们提供用于计算应变的已知因素之一。

使用我们测得的数值和制造商指定的GF，计算斜率-截距系数如下：

勾选Math控件以展开选项，选择mX+b作为Function，并将上面计算得到的系数填入对应的输入字段。同样注意，你可以为计算结果应用自定义单位。使用电脑的数字小键盘并按Alt+238，可以生成表示应变单位的小写希腊字母ε。

图5：应用数学系数和用户指定的单位。

在应用设置后，点击Save Settings。

为了获得快速的测量序列，将Interval Between Scans的数值更改为0.25s。点击Run按钮。

切换到Graph视图后，你会看到当你对安装应变片的表面施加拉伸和压缩时，曲线图按预期更新，Y轴代表微应变(µε)级别的测量结果。

图6：显示应变测量的图表。

总结(Summary)

Keithley KickStart软件可通过每通道数学功能以及自定义单位的能力，快速实现应变测量的自动化。此外，Keithley DAQ6510 6½位数据采集与记录万用表系统能够在多达80个两线设备通道上测量微欧级的电阻变化;同样地，Keithley 3706A系列系统开关与多路复用器也可实现这些测量，但可在多达576个两线通道上提供更高的测量精度。

尽管惠斯登电桥方法十分常见，但使用具有开关能力的高精度数字万用表直接进行电阻测量，可大幅简化您的测试配置。当应变计电阻低于100Ω时，可以使用四线电阻测量，但需要更复杂的接线，并且在开关能力方面可用通道数量较少。两线电阻测量能够提供更高的通道带宽，并且在应变器件电阻较高时是最优选择。