具有标定功能的电阻信号采集系统设计

李建平，郑德聪，王嘉伟，冯华，田增强

(1.国家电网朔州分公司，山西 朔州 037600；2.山西农业大学 工学院,山西 太谷 030801)

工程中为了实现对机械的应变、应力以及与之相关物理量的测量，常采用电阻应变式传感器来对被测量信号进行拾取，使用电桥电路将该信号进行二次变换，通过标定方法来确定两者之间的比例，从而以输出电压的大小来准确反映被测信号的大小。目前工程测量中采用的LabVIEW虚拟仪器系统，利用SCXI-1520应变测试系统模块及系统内嵌的数据采集卡组建的应变测试系统，只能采用在测量电桥的某一桥臂上并联已知的电阻，实现间接电标定，用以确定电桥输出电压与应变的比例关系，测量的精度要受并联电阻的影响。为此我们利用LabVIEW 软件系统开发平台，搭建具有直接标定功能的电阻应变信号采集系统，以提高工程测量精度需求[1～5]。

1 测量原理

1.1 电标定原理

利用SCXI-1520应变测试模块，组建应变测试系统时，通过SCXI-1314连接SCXI-1520模块与测量电桥，以全桥Ⅰ型工作为例，其测量电路及电标定原理如图1所示[6,7]。

图中，+ε-拉伸应变；-ε-压缩应变；

图1 电标定测量图Fig.1 Electrical calibration measurement diagram

S-电阻应变变化的原始电阻值；桥臂原始电阻R1=R2=R3=R4；

RL-线电阻/Ω，电桥连接线较短时，R2=0；

RS-标定电阻值/Ω

VEX-供桥电压/V

VCH-电桥输入电压/V

GF-电阻应变值的灵敏度系数；

电桥的有效输出电压与供桥电压的比值定义为：

式中：

VCHS-加载后桥臂电阻变化引起的电桥输出电压/V；

VCHU-未加载时由于桥臂电阻误差引起的电桥初始输出电压/V；

实测应变值ε表示为：

标定应变值可表示为：

可见，通过电标定，可直接由电桥有效输出电压反映被测应变值的大小，但无法确定引起应变的被测非电物理量，需要采用机械标定方法[8]。

1.2 机械标定原理

如图2所示，为应变测试系统原理图，机械标定的目的是为了确定系统输出信号与输入被测量之间的比例关系。通常是在测量量程范围内逐级施加已知的输入量，同时记录标定的输出量。利用最小二乘法确定系统灵敏度，并以此确定动态实测参数的大小[9,10]。

图2 应变测试系统原理图Fig.2 Strain test system principle diagram

标定和实测记录过程曲线如图3所示。

图3 标定和实测记录过程曲线Fig.3 Calibration and test record process curve

电标定常数k为：

式中：

系统的灵敏度S为：

式中：

n-加载次数；

Pi-输入已知被测量，i=1,2,……，n;

实测信号的大小由以下式确定：

2 系统硬件设计

测试系统的硬件组成如图4所示。

图4 测试系统硬件组成框图Fig.4 The test system hardware block diagram

被测量P作用于应变式传感器的弹性元件，通过应变转换为贴于其上的应变片电阻变化。电阻应变片由SCXI-1314接线盒组成测量电桥，转化为电压信号后，通过SCXI-1520进行信号的放大，阻抗匹配、滤波等调理过程，再由PXI-6251M型数据采集卡采集电压信号，通过的LabVIEW软件显示结果并存储有关数据。

3 软件实现

3.1 前面板设计

根据应变测试系统标定及数据采集要求，利用LabVIEW软件开发平台，编写程序。系统前面板设计结果如图5所示。

图5 程序前面板图Fig.5 Program front panel diagram

前面板中包括通道选择设置、采样率设置、采样点数设置、电标定输出显示、标定波形显示窗口、动态采样波形显示窗口、动态采样按钮以及机械标定输入、输出、控制按钮。在采样前对通道、采样率、采样点数进行设置。采样时在机械标定输入窗口分别输入各载荷，依次按下各个标定控制按钮，可分别得到各对应载荷的采样输出，由此计算出标定常数。而电标定过程则是在后台程序中设计，只在前面板中显示电标定输出值[11,12]。

按下动态采样按钮，可完成所设置的采样点数的数据采集。程序自动将所采集的数据保存在Excel的数据表中，方便后续的数据分析与处理的调用。标定与动态采样波形显示窗口可对测试过程进行观察与监视。

3.2 后台设计

后台设计是实现系统前面板功能的核心。该系统的程序设计主要包括电标定程序、机械标定程序、动态数据采集程序与数据保存等组成。

3.2.1 电标定程序

电标定程序是通过对数据采集1000个采样点后后取均值作为电标定的输出。其信号采集由LabVIEW软件函数面板中的创建虚拟通道函数、定时函数、通道调零、启动任务函数、读取函数、清楚任务函数来完成电标定信号的采集[13,14]。电标定采集VI如图6所示。

3.2.2 机械标定程序

机械标定程也是通过函数面板中的各个采集函数来控制完成机械标定过程的数据采集。机械标定采集VI如图7所示。

图6 电标定采集图Fig.6 Electrical calibration acquisition diagram

图7 机械标定采集图Fig.7 Mechanical calibration acquisition diagram

3.2.3 动态采集与数据保存程序

动态数据采集与数据保存可完成悬臂梁震动信号的采集，并可将采集的数据保存在Excel的表格中。动态数据采集与数据保存VI如图8所示。

图8 动态采集图Fig.8 Dynamic acquisition diagram

4 结论

(1)根据信号测试要求，设计了具有电标定、机械标定功能的电阻应变信号采集系统。

(2)利用标准等强度悬臂梁及动态电阻应变仪为核心的测试系统与该系统测量结果进行比较，实验结果表明，系统稳定性和准确性较高，可用于工程实际测量。

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