基于虛擬儀器的應(yīng)變測(cè)量原理分析
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虛擬儀器技術(shù)是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用。虛擬儀器技術(shù)具有性能高，擴(kuò)展性強(qiáng)，開發(fā)時(shí)間少及出色的集成能力等優(yōu)勢(shì)?；谔摂M儀器技術(shù)可以開發(fā)適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)合的虛擬儀器測(cè)試方案，更好地組建自動(dòng)化程度較高，數(shù)據(jù)處理分析能力較強(qiáng)的測(cè)試系統(tǒng)口。Lab-VIEW是一個(gè)具有革命性的圖形化開發(fā)環(huán)境，內(nèi)置信號(hào)采集、測(cè)量分析與數(shù)據(jù)顯示功能，摒棄了傳統(tǒng)開發(fā)工具的復(fù)雜性，在提供強(qiáng)大功能的同時(shí)，還保證了系統(tǒng)的靈活性；LabVIEW將廣泛的數(shù)據(jù)采集、分析與顯示功能集中在同一個(gè)環(huán)境中，可以在自己的平臺(tái)上無縫地集成一套完整的應(yīng)用方案Ⅲ。正因?yàn)榫哂腥绱司薮蟮膬?yōu)點(diǎn)，使它成為建立測(cè)試與測(cè)控系統(tǒng)的最佳選擇。
1 應(yīng)變測(cè)量原理
半導(dǎo)體應(yīng)變片可用于應(yīng)力測(cè)量和應(yīng)力分析，以及作為各種傳感器的力一電轉(zhuǎn)換元件，它基于金屬絲在受拉或受壓后發(fā)生彈性形變，其電阻值也隨之產(chǎn)生相應(yīng)的變化這一物理特性實(shí)現(xiàn)的。
在金屬絲變形的彈性范圍內(nèi)，電阻的相對(duì)變化△R／R與應(yīng)變△L／L成正比，因而△R／R=K△L／L。其中，K為電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。用應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變或應(yīng)力時(shí)，是將應(yīng)變片粘貼于被測(cè)對(duì)象上，在外力作用下，被測(cè)對(duì)象表面產(chǎn)生微小機(jī)械變形，粘貼在其表面上的應(yīng)變片亦隨其發(fā)生相同的變化，因此應(yīng)變片的電阻也發(fā)生相應(yīng)的變化。當(dāng)壓力F在一定范圍內(nèi)時(shí)，應(yīng)變?chǔ)舩以一個(gè)常數(shù)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(duì)應(yīng)孔的頂端處貼上電阻應(yīng)變片，將它們按圖1(b)所示的方式組成全橋測(cè)量電路。這種橋式測(cè)量電路，可以靈敏地測(cè)量極微小的電阻變化。當(dāng)彈性體受物體作用時(shí)，彈性體便產(chǎn)生彈性形變，粘在其表面的電阻應(yīng)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(yīng)變片組成的橋式電路是平衡的，而電阻應(yīng)變片的電阻變化會(huì)引起電橋的不平衡，因而輸出電壓信號(hào)，該信號(hào)與梁端的受力F成正比。
當(dāng)力F使單個(gè)應(yīng)變片的電阻變化△R時(shí)，全橋測(cè)量電路的輸出電壓U0=U△R／R。應(yīng)變測(cè)試過程如圖2所示。
其中，信號(hào)調(diào)理電路包括信號(hào)放大和濾波，其作用是對(duì)信號(hào)進(jìn)行必要的調(diào)理。如果選用NI公司具有信號(hào)調(diào)理模塊的數(shù)據(jù)采集卡，則不必再另外設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路。本文選用LabJack公司的U12數(shù)據(jù)采集卡作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路。
2 應(yīng)變片選用——BP型半導(dǎo)體應(yīng)變片
BP型半導(dǎo)體應(yīng)變片可用于應(yīng)力測(cè)量和應(yīng)力分析，并作為各種傳感器的力-電轉(zhuǎn)換元件。它們具有靈敏度高(比金屬應(yīng)變片大50～100倍左右)，機(jī)械滯后小，體積小，耗電少等優(yōu)點(diǎn)。其高的靈敏度使輸出信號(hào)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(jiǎn)單儀表就可以直接記錄測(cè)量結(jié)果，因而使得測(cè)量?jī)x表大為簡(jiǎn)化；再加上它的機(jī)械滯后小，可以測(cè)量靜態(tài)應(yīng)變、低頻應(yīng)變等，在許多新技術(shù)中，如火箭、導(dǎo)彈、飛機(jī)等制造工業(yè)及遙測(cè)系統(tǒng)中，半導(dǎo)體應(yīng)變片具有獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值。
BP-6-120型半導(dǎo)體應(yīng)變片技術(shù)參數(shù)：
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(shù)120；電阻溫度系數(shù)小于0．2％；靈敏度溫度系數(shù)小于0．16％；允許工作電流25 mA；允許最大應(yīng)變2 000με；極限工作溫度100℃。
3 信號(hào)濾波電路
從應(yīng)變片組成的電橋電路中出來的電壓信號(hào)通常會(huì)伴隨著噪聲、振動(dòng)等于擾，為了得到較為準(zhǔn)確的低頻應(yīng)變信號(hào)，在將采集到的應(yīng)變信號(hào)送到計(jì)算機(jī)之前，需要進(jìn)行濾波處理。雙二階環(huán)濾波電路利用兩個(gè)以上的加法器、積分器等組成的運(yùn)算放大電路，根據(jù)要求的傳遞函數(shù)，引入適當(dāng)?shù)姆答仯瑯?gòu)成濾波電路。其突出特點(diǎn)是電路靈敏度低，特性非常穩(wěn)定，并可實(shí)現(xiàn)多種濾波功能，這里使用低通濾波。具體電路如圖3所示。
構(gòu)成低頻濾波器時(shí)，電路固有頻率和通帶增益如下：
4．1 電阻片的溫度效應(yīng)
電阻片由金屬材料制成，它的阻值隨著溫度的變化也將產(chǎn)生變化。另外，由于試件和電阻材片的線性膨脹系數(shù)不同，從而會(huì)使電阻片的阻值發(fā)生變化。溫度變化引起的電阻變化是客觀存在的，但不希望在測(cè)量結(jié)果中反映出來。
評(píng)論