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1、中国科技论文 实 验 技 术 与 管 理 Vol121No16200434统计源期刊虚拟仪器在应变式称重教学实验中的应用刘伟伟,张松涛(大连理工大学机械工程学院,大连 116023)摘 要:本文详细介绍了应变式称重虚拟仪器的系统构成,应变式称重装置的结构与工作原理,DRVI快速可重组虚拟仪器平台的特点,称重标定脚本特性以及可视化虚拟仪器软面板构建与应用。关键词:应变式称重装置;虚拟仪器平台;数据采集仪中图分类号:G484文献标识码:B文章编号:1002-4956(2004)06-0034-05在机械工程测试技术课程中,虚拟仪器是基本教学内容。根据实验教学需要,本文设计了一种应变式称重
2、装置,并与DRVI虚拟仪器平台构建成快速可重组的称重虚拟仪器系统。这个系统的结构如图1所示,由应变式称重装置、数据采集仪和装有DVRI软件的微计算机三部分组成。通过这个实验系统可使学生真正了解虚拟仪器实验系统的基本构成和应变式称重装置标定的基本方法。由于该实验系统的功能可根据需要完全由用户自己设计,因此可以在平台上自己搭建虚拟仪器和测试系统,而不是使用设计好的虚拟仪器程序,让学生针对实际对象选择测试手段,选择信号分析和处理方法,通过实验提高学生的创新能力、设计能力和实践能力。图1 应变式称重虚拟仪器实验系统结构图1 应变式称重装置本文设计的应变式称重装置的结构如图1所示,其核心部件是一个应
3、变式测力传感器,它是由敏感元件和转换元件两部分组成。敏感元件是双孔平行梁弹性体,其作用是将被测重力转换成弹性体的弹性变形。转换元件是粘贴在弹性体上的应变片R1、R2,其作收稿日期:2004-02-17作者简介:刘伟伟(1955—),女,工程师1©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.虚拟仪器在应变式称重教学实验中的应用35用是将弹性体的变形转换为应变片的电阻变化输出。转换元件的工作原理分析如下:粘贴在双孔平行梁弹性体上的电阻应变片,其轴向敏感方向的丝栅可等效成一根细长圆柱2形电阻丝,长度为l、半径为r、截
4、面积为S=πr、电阻率为ρ,其电阻R为lR=ρ×(1)S 当该电阻丝受到拉力F作用时,长度增加dl,半径缩小dr,电阻率增大dp,引起的电阻值变化dR,对(1)式全微分得:ρρlldR=dl-2dS+dρSSS 用相对变化量表示dRdldSdρ=-+(2)RlSρds2πrdrdr 因为ds=2πrdr=2=2sπrr所以可近拟写成ΔSΔr=2Sr 由材料力学可知,电阻丝横向收缩和纵向伸长的关系用泊松比μ表示,即Δr/r=-μΔl/l 带入(2)式,得ΔRΔlΔρΔρ/ρΔl=(1+2μ)+=1+2μ+=Gε(3)RlρΔl/ll式中ε=Δl/l为电阻丝的轴向应变,G为电阻丝的应
5、变灵敏系数,它的物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。根据虎克定律,应力σ、应变ε=Δl/l和弹性模量E之间的关系为σ=E·ε,则ΔRG·σ=G·ε=(4)RE在(4)式中对于铜材料来说,电阻丝的应变灵敏系数G为常数。这样,只要测得电阻应变片的电阻变化ΔR,就可计算出应力值,也就是测得了与其对应的外力F。2 数据采集仪在应变式称重虚拟仪器实验系统中,采用外置式并口数据采集仪,通过专用并口电缆与计算机、打印机端口相连。该数据采集仪集信号采集、传感器调理电路、数字输入输出等功能于一体,由专用的开关电源供电,12位分辩率,最高200kHz采样频率,具有8通道A/D输入,2通道D/A输出,带光电
6、隔离的16路数字I/O。数据采集仪在本实验中仅用了一个输入通道,在图1中,应变式称重装置的两个转换元件,即电阻应变片R1、R2接入数据采集仪,形成双臂半桥测量电路,如图2所示。图中R3、R4为固定电阻,若电阻应变片R1、R2的标称电阻与固定电阻R3、R4电阻值相等,则R1=R2=R3=R4=R,此时电桥输出电压U0=0。当称重时,电阻应变片R1、R2的©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.36实 验 技 术 与 管 理阻值分别变为R1+ΔR1、R2-ΔR2,若ΔR1=ΔR2=ΔR,则电桥输出电压1ΔRU
7、0=··E(5)2R 电桥输出电压经过数据采集仪中的A/D转换器后,送微计算机进行数据处理。3DRVI虚拟仪器平台DRVI是集开发、调试和运行平台为一体的网络化虚拟仪器平台。平台内设置多种信号源、数据显示、功能操作、信号分析、信号处理和仿真芯片,并能与A/D卡、I/O卡等信号采集硬件进行组合与连接,构建一个能根据需要快速重组的虚拟仪器系统。311DRVI平台特点DRVI是基于软件总线和芯片结构的快速可重组虚拟仪器开发平
