虚拟仪器技术的应变测试系统设计

何吉祥+++樊可清

摘 要：测试一辆自行车遭遇正面冲撞时，车架横梁、斜梁、竖梁等关键部位的受力大小以及不同部位冲击力之间的相互关系。将应变测试数据处理结果与理论分析的结论进行对比。通过在自行车三个梁的关键部位粘贴应变片，分析三个梁的变形方式。同时比较各处受力峰值之间的时间差，最后判断车架断裂危险情况。文章以虚拟仪器LabVIEW为平台开发了应变测试系统，实现了多通道数据采集和存储管理，实时显示自行车冲撞受力过程的波形，实时显示应变量值。关键词：自行车；应变测试；LabVIEW；数据采集

引言

传统仪器系统由特定的硬件系统构成，功能、性能固定，而且不能进行复杂的运算处理。与之对比的是现代计算机化的仪器测控系统，它所用到的传感器件与传统仪器相同，功能由軟件编程实现，可进行复杂控制，实现大规模网络化群控。由此，虚拟仪器技术得到迅速发展，形成了以计算机及网络为基础，以软件为核心的信息测试、分析、存储、传输与控制技术。虚拟仪器技术借助于计算机对采集和调理后的信号进行计算、分析、处理和显示，从而构成具有测试功能的计算机仪器系统[1]。美国NI（National Instruments）公司的LabVIEW（Virtual Instrument Engineering Workbench），LabVIEW作为一种图形化编程软件，直观、易行，更加贴近仪表系统的物理意义，可直接驱动硬件系统，降低了对开发者硬件能力的要求。特别的是，它开发周期短，可现场编程、调试[2]。

本论文设计是将应变测试技术应用在一辆超静定结构的自行车，在生活中自行车是一种方便的交通工具，如果自行车遭遇碰撞，需要分析它的受力大小以及各部位的变形方式。因为自行车冲撞时受力很复杂，研究自行车在碰撞过程中受力情况是非常有必要的。

1 电阻应变测量原理

1.1 电阻应变片的传感原理

电阻应变测量的方法是电测法，即将物理量、力学量和机械量等非电量通过敏感元件转换成电量来进行测量的一种实验方法[3]。

均匀电阻丝的阻值R可以表示为：

于是电桥输出电压与应变的关系为：v=■V·K·A（？着1-？着2+？着3-？着4），其中A为增益（灵敏度）。正是由于桥臂阻值变化，得到正比变化的输出电压，再由输出电压与应变的关系求出应变，然后根据胡克定律得知应力与应变成正比，即可由应变值计算出被测处所受的应力值。

2 硬件系统搭建

应变测试硬件系统由自行车、应变片与轮辐式称重传感器、BZ2210系列多通道动态应变仪、NI公司的NI PCIe-6361数据采集卡与NI SCB-68屏蔽接线盒、计算机五部分组成。由传感器件测得的电压经过信号调理系统，再由数据采集设备采集电压信号，在计算机上利用LabVIEW编程完成对应变量的实时测量。总体设计框图如图2所示。

2.1 车架横梁、斜梁及竖梁等主梁受力形式测试示意图

2.2 称重力传感器

美国TRANSCELL（传力）轮辐式传感器，优质合金钢材质，高精度、高稳定性，安装简便、快速，表层镀镍防腐处理。本设计使用的力传感器量程为2t，额定输出为3.0mv/V，偏差±0.25%。量程2t，3.0mv/V，它的原理是：如果供桥电压为1V，当称重2t时电桥输出是3.0mv。如果选择应变仪的供桥电压为4V，灵敏度为10（即1000倍放大），调零。这时，传感器称重2t时电桥输出12.0mV，经过1000倍放大后得到12.0（伏）电压，得到比例系数是（2t/12.0，kg/伏）。把一个未知的重量的物体放在传感器上，读应变仪的输出电压，假设读到的电压是U（伏），那么该物体的重量是U*（2000/12.0），单位为kg。使用力传感器的目的是明显看到人推自行车的用力大小情况。

2.3 信号调理系统

由于自行车碰撞所产生的应变信号微弱，需要信号调理系统将其放大和滤波。本设计使用的动态应变仪为自动平衡应变仪，并且可以组成多通道。桥盒与应变仪是配套使用的，应变片通过桥盒接成惠思登电桥，图3为桥盒的结构，桥盒结构接口①和⑤、⑤和⑥、③和⑦之间的电阻为120欧标称电阻，可以接任何方式的桥。

图3中，A1、A2测量电桥相对的两个臂；D1、D2测量电桥相对的两个臂。将贴在自行车上的应变片接入桥盒，再输入应变仪，调零，再通过调节应变仪前面板的供桥电压和灵敏度（即增益，x 100）来控制输出电压 。应变仪输出电压范围为±10Vp。

2.4 数据采集设备

数据采集设备包括NI公司的PCIe6361数据采集卡与NI SCB-68屏蔽接线盒两部分。数据采集卡是将预处理以后的模拟信号变为数字信号，存到指定的地方，其核心是A/D转换器[5]。PCIe6361数据采集卡具有16路模拟输入通道，分别是AI 0～AI 15，16位分辨率。量程±10V，满足信号从通过应变仪调理后输出的电压的要求。NI SCB-68是一款屏蔽式I/O接线盒，采集卡结合屏蔽式电缆时，屏蔽电缆关键提供坚固且噪音极低的信号终端。

选择以上硬件做自行车碰撞试验，成本比较大，因为试验是在实验室进行，故选择以上硬件已满足了做试验的条件。如果应用在工业上，不建议选择NI公司的采集卡，可以使用其他方法采集数据。

3 软件系统平台

3.1 前面板设计

前面板是图形用户界面，经过修饰优化，总共五个波形显示图，对于自行车的三个梁分为不同通道实时显示自行车冲撞的受力过程变化，实时显示应变数值及峰值时间。前面板如图4所示。

3.2 程序框图设计

程序框图包括数据采集模块、采集电压转换成应变值选择功能模块、数值显示模块以及数据存储管理模块几部分组成。本设计采用供桥电压为4V，灵敏度选择为1000，灵敏系数为2，根据实际经验，自行车碰撞一般为几百微应变，部分自行车能达到700-1000微应变左右。总体程序框图如图5所示[6]。

4 数据处理与分析

4.1 分析三个梁的变形方式

根据结构力学有限元分析的理论，选中自行车的三个关键部位贴应变片。根据自行车的高度，安装好力传感器在墙上的高度。力传感器稳定固定在墙上，理论上不能有任何移动，否则会影响测量的准确性。把自行车的轮胎缓冲作用忽略，默认力传感器测量到的冲击力就是自行车轮胎受到的冲击力。人推着自行车往力传感器冲撞，重复冲撞多次，拿出三次典型数据分析，同时三次人推自行车用力大小逐渐增加，由于惠思登电桥不是完全理想平衡和包括底噪的干擾以及仪器误差和系统误差，每次碰撞前都需记录下应变初始值，应变初始值，即均值，测试系统前面板显示的应变均值就是这个目的，将自行车碰撞之后的最大值减去应变初始值，即三个梁分别受到的最大应变量。

三次应变初始值如表1所示，单位为微应变。

三次自行车试验碰撞后的最大应变值如表2所示，单位为微应变。

前文已提到，根据实际经验，自行车碰撞一般为几百微应变，性能差一点的自行车能达到700-1000左右微应变，故本次试验是成功的，数据是可靠的。测试系统实时显示自行车冲撞的受力过程，第三次自行车碰撞受力过程如图6所示。

从表1、表2及图6，可以得出以下结论：

（1）随着人推自行车用力的增加，受到的应变量也是递增的，这符合实际情况；（2）车架受力最大的部位是斜梁，横梁次之，竖梁最小，也符合实际情况，因为斜梁跟车轮胎最接近，自行车一碰撞，斜梁产生的变化最大，而竖梁处于自行车的后部，自然受到的冲击最小；以第三次试验横梁为例，碰撞后的受力值减去初始值大约为800微应变，应变片是贴在横梁的上下表面，且对称，上表面为R1，下表面为R2，接的是相邻桥臂。实验前假设横梁是弯曲变形，且由上表面往下表面方向弯曲，即一个微小的弓形，具体力分析图见图7所示。碰撞过程中上表面的应变片被拉伸，而下表面的应变片同比例同时压缩，所以如果是相邻桥臂，输出电压为半桥电压，如果是拉压变形，上表面和下表面的应变片同时被拉伸，而接的还是相邻桥臂，那么输出电压就为0。由于此次试验有明显的应变量变化，代表横梁受到的变形方式为弯曲变形，可以这样说，在存在弯曲变形和拉压变形的情况下，弯曲变形占主导变形方式。其他梁类似分析，也都是弯曲变形。

4.2 比较各处受力峰值之间的时间差

各处受力峰值时间如表3所示，单位为秒。

由表3可以得出：每次碰撞，力传感器肯定是先受力的，然后横梁和斜梁几乎同步受力，而竖梁每次受到的冲击作用时间稍微滞后。

由自行车车架冲撞时受力的大小不同以及冲击受力时间的不同，可以判断自行车在受到较大碰撞接近断裂时，横梁和斜梁比竖梁会先出现危险断裂情况。

5 结束语

通过在自行车三个主梁的合适位置的上下表面贴应变片，分析出车架横梁、斜梁和竖梁三个梁的变形方式主要是弯曲变形，也分析出自行车每次碰撞的受力最大的部位是斜梁。同时比较各处受力峰值之间的时间差，得到三个梁分别作用时间先后。综合以上分析，可以判别出横梁和斜梁最先出现断裂情况。受到的应变越大，作用时间越早，证明接近断裂的程序越快。本论文以虚拟仪器技术为平台，设计出应变测试系统，实现了多通道数据采集和存储管理，实时显示自行车冲撞受力过程的波形，实时显示应变量值。

参考文献

[1]罗开玉，李伯全，孙杰，等.基于虚拟仪器技术的应变测试系统[J].江苏大学学报：自然科学版，2005，3：106-108.

[2]陈锡辉，张银鸿.LabVIEW8.20程序设计从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2007.

[3]王琦.电测法在应变测量中的应用简述[J].潍坊高等职业教育，2009，5（4）：67-68.

[4]蔡共宣，林富生.工程测试与信号处理（第二版）[M].武汉：华中科技大学出版社，2011.

[5]卢文祥，杜润生.机械工程测试·信息·信号分析（第三版）[M].武汉：华中科技大学出版社，2014：297-300.

[6]柏林.虚拟仪器及其在机械测试中的应用[M].北京：科学出版社，2007：307-398.