基于虚拟仪器技术的应变测量

 

　　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，结合高效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最佳选择。

　　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，其电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。

　　

　　式中：L为两孔中心距的50％；E为梁的弹性模量；b为梁的宽度；h为孔上下最薄处的厚度。

　　如图1所示，在双孔梁的上下两端面分别对应孔的顶端处贴上电阻应变片，将它们按图1（b）所示的方式组成全桥测量电路。这种桥式测量电路，可以灵敏地测量极微小的电阻变化。当弹性体受物体作用时，弹性体便产生弹性形变，粘在其表面的电阻应变片则随其同步变形，因而改变了它们的电阻值。由于电阻应变片组成的桥式电路是平衡的，而电阻应变片的电阻变化会引起电桥的不平衡，因而输出电压信号，该信号与梁端的受力F成正比。

　　

　　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。应变测试过程如图2所示。

　　

　　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。本文选用LabJack公司的U12数据采集卡作为数据采集设备，设计信号调理电路。