虛擬儀器技術的應變測試系統設計

何吉祥+++樊可清

摘 要：測試一輛自行車遭遇正面沖撞時，車架橫梁、斜梁、豎梁等關鍵部位的受力大小以及不同部位沖擊力之間的相互關系。將應變測試數據處理結果與理論分析的結論進行對比。通過在自行車三個梁的關鍵部位粘貼應變片，分析三個梁的變形方式。同時比較各處受力峰值之間的時間差，最后判斷車架斷裂危險情況。文章以虛擬儀器LabVIEW為平臺開發了應變測試系統，實現了多通道數據采集和存儲管理，實時顯示自行車沖撞受力過程的波形，實時顯示應變量值。關鍵詞：自行車；應變測試；LabVIEW；數據采集

引言

傳統儀器系統由特定的硬件系統構成，功能、性能固定，而且不能進行復雜的運算處理。與之對比的是現代計算機化的儀器測控系統，它所用到的傳感器件與傳統儀器相同，功能由軟件編程實現，可進行復雜控制，實現大規模網絡化群控。由此，虛擬儀器技術得到迅速發展，形成了以計算機及網絡為基礎，以軟件為核心的信息測試、分析、存儲、傳輸與控制技術。虛擬儀器技術借助于計算機對采集和調理后的信號進行計算、分析、處理和顯示，從而構成具有測試功能的計算機儀器系統[1]。美國NI（National Instruments）公司的LabVIEW（Virtual Instrument Engineering Workbench），LabVIEW作為一種圖形化編程軟件，直觀、易行，更加貼近儀表系統的物理意義，可直接驅動硬件系統，降低了對開發者硬件能力的要求。特別的是，它開發周期短，可現場編程、調試[2]。

本論文設計是將應變測試技術應用在一輛超靜定結構的自行車，在生活中自行車是一種方便的交通工具，如果自行車遭遇碰撞，需要分析它的受力大小以及各部位的變形方式。因為自行車沖撞時受力很復雜，研究自行車在碰撞過程中受力情況是非常有必要的。

1 電阻應變測量原理

1.1 電阻應變片的傳感原理

電阻應變測量的方法是電測法，即將物理量、力學量和機械量等非電量通過敏感元件轉換成電量來進行測量的一種實驗方法[3]。

均勻電阻絲的阻值R可以表示為：

于是電橋輸出電壓與應變的關系為：v=■V·K·A（？著1-？著2+？著3-？著4），其中A為增益（靈敏度）。正是由于橋臂阻值變化，得到正比變化的輸出電壓，再由輸出電壓與應變的關系求出應變，然后根據胡克定律得知應力與應變成正比，即可由應變值計算出被測處所受的應力值。

2 硬件系統搭建

應變測試硬件系統由自行車、應變片與輪輻式稱重傳感器、BZ2210系列多通道動態應變儀、NI公司的NI PCIe-6361數據采集卡與NI SCB-68屏蔽接線盒、計算機五部分組成。由傳感器件測得的電壓經過信號調理系統，再由數據采集設備采集電壓信號，在計算機上利用LabVIEW編程完成對應變量的實時測量?？傮w設計框圖如圖2所示。

2.1 車架橫梁、斜梁及豎梁等主梁受力形式測試示意圖

2.2 稱重力傳感器

美國TRANSCELL（傳力）輪輻式傳感器，優質合金鋼材質，高精度、高穩定性，安裝簡便、快速，表層鍍鎳防腐處理。本設計使用的力傳感器量程為2t，額定輸出為3.0mv/V，偏差±0.25%。量程2t，3.0mv/V，它的原理是：如果供橋電壓為1V，當稱重2t時電橋輸出是3.0mv。如果選擇應變儀的供橋電壓為4V，靈敏度為10（即1000倍放大），調零。這時，傳感器稱重2t時電橋輸出12.0mV，經過1000倍放大后得到12.0（伏）電壓，得到比例系數是（2t/12.0，kg/伏）。把一個未知的重量的物體放在傳感器上，讀應變儀的輸出電壓，假設讀到的電壓是U（伏），那么該物體的重量是U*（2000/12.0），單位為kg。使用力傳感器的目的是明顯看到人推自行車的用力大小情況。

2.3 信號調理系統

由于自行車碰撞所產生的應變信號微弱，需要信號調理系統將其放大和濾波。本設計使用的動態應變儀為自動平衡應變儀，并且可以組成多通道。橋盒與應變儀是配套使用的，應變片通過橋盒接成惠思登電橋，圖3為橋盒的結構，橋盒結構接口①和⑤、⑤和⑥、③和⑦之間的電阻為120歐標稱電阻，可以接任何方式的橋。

圖3中，A1、A2測量電橋相對的兩個臂；D1、D2測量電橋相對的兩個臂。將貼在自行車上的應變片接入橋盒，再輸入應變儀，調零，再通過調節應變儀前面板的供橋電壓和靈敏度（即增益，x 100）來控制輸出電壓 。應變儀輸出電壓范圍為±10Vp。

2.4 數據采集設備

數據采集設備包括NI公司的PCIe6361數據采集卡與NI SCB-68屏蔽接線盒兩部分。數據采集卡是將預處理以后的模擬信號變為數字信號，存到指定的地方，其核心是A/D轉換器[5]。PCIe6361數據采集卡具有16路模擬輸入通道，分別是AI 0～AI 15，16位分辨率。量程±10V，滿足信號從通過應變儀調理后輸出的電壓的要求。NI SCB-68是一款屏蔽式I/O接線盒，采集卡結合屏蔽式電纜時，屏蔽電纜關鍵提供堅固且噪音極低的信號終端。

選擇以上硬件做自行車碰撞試驗，成本比較大，因為試驗是在實驗室進行，故選擇以上硬件已滿足了做試驗的條件。如果應用在工業上，不建議選擇NI公司的采集卡，可以使用其他方法采集數據。

3 軟件系統平臺

3.1 前面板設計

前面板是圖形用戶界面，經過修飾優化，總共五個波形顯示圖，對于自行車的三個梁分為不同通道實時顯示自行車沖撞的受力過程變化，實時顯示應變數值及峰值時間。前面板如圖4所示。

3.2 程序框圖設計

程序框圖包括數據采集模塊、采集電壓轉換成應變值選擇功能模塊、數值顯示模塊以及數據存儲管理模塊幾部分組成。本設計采用供橋電壓為4V，靈敏度選擇為1000，靈敏系數為2，根據實際經驗，自行車碰撞一般為幾百微應變，部分自行車能達到700-1000微應變左右?？傮w程序框圖如圖5所示[6]。

4 數據處理與分析

4.1 分析三個梁的變形方式

根據結構力學有限元分析的理論，選中自行車的三個關鍵部位貼應變片。根據自行車的高度，安裝好力傳感器在墻上的高度。力傳感器穩定固定在墻上，理論上不能有任何移動，否則會影響測量的準確性。把自行車的輪胎緩沖作用忽略，默認力傳感器測量到的沖擊力就是自行車輪胎受到的沖擊力。人推著自行車往力傳感器沖撞，重復沖撞多次，拿出三次典型數據分析，同時三次人推自行車用力大小逐漸增加，由于惠思登電橋不是完全理想平衡和包括底噪的干擾以及儀器誤差和系統誤差，每次碰撞前都需記錄下應變初始值，應變初始值，即均值，測試系統前面板顯示的應變均值就是這個目的，將自行車碰撞之后的最大值減去應變初始值，即三個梁分別受到的最大應變量。

三次應變初始值如表1所示，單位為微應變。

三次自行車試驗碰撞后的最大應變值如表2所示，單位為微應變。

前文已提到，根據實際經驗，自行車碰撞一般為幾百微應變，性能差一點的自行車能達到700-1000左右微應變，故本次試驗是成功的，數據是可靠的。測試系統實時顯示自行車沖撞的受力過程，第三次自行車碰撞受力過程如圖6所示。

從表1、表2及圖6，可以得出以下結論：

（1）隨著人推自行車用力的增加，受到的應變量也是遞增的，這符合實際情況；（2）車架受力最大的部位是斜梁，橫梁次之，豎梁最小，也符合實際情況，因為斜梁跟車輪胎最接近，自行車一碰撞，斜梁產生的變化最大，而豎梁處于自行車的后部，自然受到的沖擊最??；以第三次試驗橫梁為例，碰撞后的受力值減去初始值大約為800微應變，應變片是貼在橫梁的上下表面，且對稱，上表面為R1，下表面為R2，接的是相鄰橋臂。實驗前假設橫梁是彎曲變形，且由上表面往下表面方向彎曲，即一個微小的弓形，具體力分析圖見圖7所示。碰撞過程中上表面的應變片被拉伸，而下表面的應變片同比例同時壓縮，所以如果是相鄰橋臂，輸出電壓為半橋電壓，如果是拉壓變形，上表面和下表面的應變片同時被拉伸，而接的還是相鄰橋臂，那么輸出電壓就為0。由于此次試驗有明顯的應變量變化，代表橫梁受到的變形方式為彎曲變形，可以這樣說，在存在彎曲變形和拉壓變形的情況下，彎曲變形占主導變形方式。其他梁類似分析，也都是彎曲變形。

4.2 比較各處受力峰值之間的時間差

各處受力峰值時間如表3所示，單位為秒。

由表3可以得出：每次碰撞，力傳感器肯定是先受力的，然后橫梁和斜梁幾乎同步受力，而豎梁每次受到的沖擊作用時間稍微滯后。

由自行車車架沖撞時受力的大小不同以及沖擊受力時間的不同，可以判斷自行車在受到較大碰撞接近斷裂時，橫梁和斜梁比豎梁會先出現危險斷裂情況。

5 結束語

通過在自行車三個主梁的合適位置的上下表面貼應變片，分析出車架橫梁、斜梁和豎梁三個梁的變形方式主要是彎曲變形，也分析出自行車每次碰撞的受力最大的部位是斜梁。同時比較各處受力峰值之間的時間差，得到三個梁分別作用時間先后。綜合以上分析，可以判別出橫梁和斜梁最先出現斷裂情況。受到的應變越大，作用時間越早，證明接近斷裂的程序越快。本論文以虛擬儀器技術為平臺，設計出應變測試系統，實現了多通道數據采集和存儲管理，實時顯示自行車沖撞受力過程的波形，實時顯示應變量值。

參考文獻

[1]羅開玉，李伯全，孫杰，等.基于虛擬儀器技術的應變測試系統[J].江蘇大學學報：自然科學版，2005，3：106-108.

[2]陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW8.20程序設計從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2007.

[3]王琦.電測法在應變測量中的應用簡述[J].濰坊高等職業教育，2009，5（4）：67-68.

[4]蔡共宣，林富生.工程測試與信號處理（第二版）[M].武漢：華中科技大學出版社，2011.

[5]盧文祥，杜潤生.機械工程測試·信息·信號分析（第三版）[M].武漢：華中科技大學出版社，2014：297-300.

[6]柏林.虛擬儀器及其在機械測試中的應用[M].北京：科學出版社，2007：307-398.