利用DRLab实验系统开发剪切模量G测定实验

张秀全，郑德聪，孙青芳

（山西农业大学 工学院，山西 太谷030801）

DRlab（Dynamic Reconfigurable Lab）也称为创新实验室系统，DRVI可重组虚拟仪器实验系统，是DRLab创新实验系统的核心平台，DRVI在普通虚拟仪器采用的标准PC架构和仪器板卡基础上，采用软件总线和软件芯片技术，取消传统程序设计中的编译、链接环节，实现虚拟仪器开发平台和运行平台一体化。具有总线型系统开放结构和软硬件模块组件化、积木化的特点；能与A／D卡、I／O卡等信号采集硬件进行组合与连接，进行实际信号的检测；与相应的实验对象和传感器相结合，内置嵌入式Web服务器和ActiveX客户端程序，支持网络化运行，支持自动化脚本技术，VBScript语言编制小程序；可以迅速组建一个开放性网络化实验室，真正让学生针对实际对象去选择测试手段、信号分析和处理方法［1］。

剪切模量G测定实验是材料力学课程教学大纲要求的主要实验之一，目前大多采用的电测法测量［2，3］是以静态电阻应变仪为核心的应变测试系统。为了充分利用现有教学设备和资源，应用动态电阻应变仪对实验系统的输出信号进行处理，由DRlab扩展模块A／D卡、I／O卡等信号采集硬件与实验系统连接，实现数据采集，确定测量应变值，完成剪切模量G测定实验［4，1］。系统开发的目的是，应用动态应变仪标定和实测时的输出采样值，取其平均值作为静态测量结果，并设计适合学生微机实验操作的系统界面。系统开发对于利用现有实验设备进行二次开发，进行多种实验进行，扩展设备功能，提高利用率，减少实验设备的投入，强化学生实践能力的培养具有重要意义［5～7］。

1 实验原理

采用圆环形截面的纯扭转梁，材料处于纯剪切应力状态。在比例极限范围内，材料的扭矩与剪应变成正比，即满足剪切胡克定律［8］：

式中，γ－扭转梁的剪应变／Pa；

T－扭转梁受到的扭矩／N·m；

Wt－抗扭截面模量／m4。

为了测得材料的剪切弹性模量G，可测出扭矩T和剪应变γ，由上式间接得弹性模量G。

剪应变γ的测量，也采用间接方法。纯剪切状态下的应力见图1。主应力σ1和σ3的方向与轴线方向的夹角为45°，且|σ1|＝|σ3|＝τ。采用电阻应变式测量方法，沿与轴线成45°方向布置应变片R1和R2，其中R1反映正应变ε1，R2反映负应变ε3，接成半桥测量电路，见图2。通过测得的主应变ε1和ε3反映剪应变γ的大小。实验系统见图3。

图1 纯剪应力状态示意图Fig．1 diagram of pure shear stress state

图2 半桥测量电路Fig．2 Half bridge measurement circuit

图3 实验系统框图Fig．3 Block diagram of experiment system

2 程序设计

测试过程见图4。动态应变仪的输出采样值必须通过电标定常数转化为被测应变值的大小。在电桥处于平衡状态时，采样输出值也应为0，可以通过调节数据采集卡的调零旋钮实现。

图4 测试过程示意图Fig．4 Test process sketch figure

设电桥平衡，由图4可看出，当输入应变值为零时，标定正应变ε＋时，对应的输出采样值为Y＋，标定负应变ε－时，对应的输出采样值为Y－，这时正、负电标定常数分别为：

其中，ε＋、ε－由动态电阻应变仪的标定开关给出。

实测正、负应变值分别为：

式中，Yx－通过数据采集仪得到的输出采样平均值；

图5为剪切弹性模量G测定的程序流程图。图6为实验操作界面。

图5 测量剪切弹性模量G的程序流程图Fig．5 Measurement of shear modulus G program flow chart

3 讨论

从DRlab实验系统的实际操作界面可以看出，给定试样基本参数，根据载荷变化，动态应变仪的输出采样值通过电标定常数转化为被测应变值，学生可以直观的观察和读取剪切模量G测定过程的所有数据，能很好完成实验。相对传统的实验方法有以下几个优点：

图6 实验操作界面Fig．6 Experimental operating interface

（1）内置嵌入式 Web服务器和ActiveX客户端程序，支持网络化运行，以浏览器／Web服务器方式提供多学生终端支持，应用不到3M的客户端程序，在学生计算机上提供一个完善的虚拟仪器和虚拟实验的运行平台，实现网络化的软、硬件共享。

（2）采用“虚拟仪器网页”技术，以脚本方式对所设计的虚拟仪器进行描述。便于教师布置实验任务和学生上交实验作业。

4 结论

（1）“剪切模量G测定实验”系统的设计开发，应用DRlab虚拟仪器平台，实现了动态测试系统取代传统的静态测试系统，完成了静态剪切模量G测量实验，综合利用DRlab实验台的功能扩展，设计出符合实验要求的测定系统，提高了设备的利用率，减少了实验设备的投入。

（2）该系统已用于《工程材料》、《材料力学》等课程的实验教学，系统操作直观、简便，运行稳定、可靠，测量误差较小。

（3）增强了学生的强化学生实践动手能力，实现了实验新技术的应用。

［1］深圳市蓝津信息技术有限公司．DRVI快速可重组虚拟仪器平台用户使用手册［Z］．2003．

［2］贾民平，张洪亭，周剑英．测试技术［M］．北京：高等教育出版社，2011：239－242．

［3］万鸣，古滨，黄利诚，等．材料力学实验独立设课教学改革实践［J］．实验科学与技术，2009，7（4）：98－100．

［4］郑德聪，冯志强．利用 DRLab实验系统开发静态测量实验［J］．实验室科学，2007（3）：57－58．

［5］徐慧，余观夏，王军．基于Labview的虚拟动态杨氏模量测试仪的设计［J］．计量与测试技术，2008（10）：11－13．

［6］余观夏，王军，阮锡根．基于声卡和 LabVIEW 测量金属的动态杨氏模量［J］．物理实验，2007，27（8）：6－9．

［7］王建祥，苏枋，葛倚汀．工程力学实验教学的改革与探索［J］．实验技术与管理，2010，27（1）：130－133．

［8］马永林，王清达，吴国华，等．材料力学［M］．北京：人民教育出版社，1966：18－33．