基于虛擬儀器技術的應變測量的設計及應用

　　0 虛擬儀器技術與LabVIEW

　　虛擬儀器技術是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件完成各種測試、測量和自動化的應用。虛擬儀器技術具有性能高，擴展性強，開發時間少及出色的集成能力等優勢。基于虛擬儀器技術可以開發適應不同應用場合的虛擬儀器測試方案，更好地組建自動化程度較高，數據處理分析能力較強的測試系統口。Lab- VIEW是一個具有革命性的圖形化開發環境，內置信號采集、測量分析與數據顯示功能，摒棄了傳統開發工具的復雜性，在提供強大功能的同時，還保證了系統的靈活性；LabVIEW將廣泛的數據采集、分析與顯示功能集中在同一個環境中，可以在自己的平臺上無縫地集成一套完整的應用方案Ⅲ。正因為具有如此巨大的優點，使它成為建立測試與測控系統的最佳選擇。

　　1 應變測量原理

　　半導體應變片可用于應力測量和應力分析，以及作為各種傳感器的力一電轉換元件，它基于金屬絲在受拉或受壓后發生彈性形變，其電阻值也隨之產生相應的變化這一物理特性實現的。

　　在金屬絲變形的彈性范圍內，電阻的相對變化△R／R與應變△L／L成正比，因而△R／R=K△L／L。其中，K為電阻應變片的靈敏系數。用應變片測量應變或應力時，是將應變片粘貼于被測對象上，在外力作用下，被測對象表面產生微小機械變形，粘貼在其表面上的應變片亦隨其發生相同的變化，因此應變片的電阻也發生相應的變化。當壓力F在一定范圍內時，應變εx以一個常數正比于F。

　　式中：L為兩孔中心距的50％；E為梁的彈性模量；b為梁的寬度；h為孔上下最薄處的厚度。

　　如圖1所示，在雙孔梁的上下兩端面分別對應孔的頂端處貼上電阻應變片，將它們按圖1(b)所示的方式組成全橋測量電路。這種橋式測量電路，可以靈敏地測量極微小的電阻變化。當彈性體受物體作用時，彈性體便產生彈性形變，粘在其表面的電阻應變片則隨其同步變形，因而改變了它們的電阻值。由于電阻應變片組成的橋式電路是平衡的，而電阻應變片的電阻變化會引起電橋的不平衡，因而輸出電壓信號，該信號與梁端的受力F成正比。

　　當力F使單個應變片的電阻變化△R時，全橋測量電路的輸出電壓U0=U△R／R。應變測試過程如圖2所示。

　　其中，信號調理電路包括信號放大和濾波，其作用是對信號進行必要的調理。如果選用NI公司具有信號調理模塊的數據采集卡，則不必再另外設計信號調理電路。本文選用LabJack公司的U12數據采集卡作為數據采集設備，設計信號調理電路。

　　2 應變片選用——BP型半導體應變片

　　BP 型半導體應變片可用于應力測量和應力分析，并作為各種傳感器的力-電轉換元件。它們具有靈敏度高(比金屬應變片大50～100倍左右)，機械滯后小，體積小，耗電少等優點。其高的靈敏度使輸出信號電平增大幾十倍，所以不必采用放大器而直接用電壓表或示波器等簡單儀表就可以直接記錄測量結果，因而使得測量儀表大為簡化；再加上它的機械滯后小，可以測量靜態應變、低頻應變等，在許多新技術中，如火箭、導彈、飛機等制造工業及遙測系統中，半導體應變片具有獨特的應用價值。

　　BP-6-120型半導體應變片技術參數：

　　硅絲尺寸為6mm×0．4 mm×0．05 mm；基底尺寸為10 mm x 6 mm；靈敏系數120；電阻溫度系數小于0．2％；靈敏度溫度系數小于0．16％；允許工作電流25 mA；允許最大應變2 000με；極限工作溫度100℃。