虚拟仪器技术的应变测试系统设计

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1、虚拟仪器技术的应变测试系统设计　　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　　

2、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?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（NationalInstruments）公司的La

3、bVIEW（VirtualInstrumentEngineeringWorkbench），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

4、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

5、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NIPCIe-6361数据采集卡与NISCB-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

6、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

7、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

8、仪前面板的供桥电压和灵敏度（即增益，x100）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NISCB-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AI0～AI15，16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。NISCB-