基于PCI1713和LabVIEW的材料力学综合试验装置

张春青，于桂宾，刘春哲，蔡广新

(承德石油高等专科学校机械工程系，河北 承德 067000)

材料力学性能的测试不仅是高校材料力学的课程的一部分内容，而且也是企业及科研人员常用的一种材料性能测试手段，是结构设计必做的实验项目之一，因此对测试方法和测量精度要求较高，本试验装置是采用台湾研华的PCI1713高速采集卡和美国国家仪器公司(简称NI公司)的软件Labview进行开发的，测试数据精确，可移植性好，能进行静动态测量［1］。

1 测试系统组成

系统组成以PCI1713高速数据采集卡为核心，将应变仪的直流电桥输出的电压经过信号调理电路处理来满足数据采集卡对采集信号的要求，利用LabVIEW编程完成对数据的实时采集测量和数据处理。总体设计框图如图1所示。

2 应变仪

应变仪部分主要由测试梁、粘贴在梁上的应变片及加载梁构成(如图2所示)。1～5为测量片，0为温度补偿片(消除随着温度电阻应变片的阻值的变化)，位于不受力的梁端，起温度补偿作用。选用应变片的灵敏系数为2.0，电阻为120 Ω，采用双面贴片，可构成1/4桥，半桥和全桥测量。

3 信号调理系统

由于应变片电桥的输出为微弱的直流信号，而PCI1713采集卡需要的是1－5V的标准信号，为此设计信号调理电路将其放大。其次从电桥输出的信号易受到噪声和震动的干扰，因此设计放大电路时，应考虑到滤波功能。

双二阶环滤波电路是采用两个以上的积分器、加法器等组成的运算放大电路，可根据要求的传递函数，引入适当的反馈，构成滤波电路。其突出特点是电路灵敏度低，特性非常稳定，并可实现高通、低通、带通、带阻等多种滤波功能［2］，本系统采用了 TI公司的四通道运放OPA404，设计了一个双二阶环滤波电路。本系统选用的是低通滤波，具体电路如图3所示。

构成低频滤波器时，电路固有频率和通带增益如下:

式中，RG:上拉电阻，kΩ，RC:滤波电阻，kΩ，R1，R2:比较器电阻，kΩ，RF1，RF2:反馈电阻，kΩ，C1，C2:滤波电容，PF。

4 数据采集卡

信号调理单元输出的信号经数据采集卡并转换为供计算机读取数字信号。采集卡选用研华公司的基于PCI总线的数据采集卡PCI-1713，它有32通道隔离模拟量输入，其特点如下:

1)具有32路单端输入或者16路差分输入，满足本系统的6个测量参数的要求，同时留有一定的扩展余地。

2)具有12位的A/D转换器，转换精度高，转换时间为 2.5 μs。

3)采样频率可达100 kHz，能够实时反映系统参数的变化。

4)通道增益可编程。

由于来自传感器或应变片的的信号比较容易受到干扰影响，尤其是共模干扰(主要是由数据采集卡PCI1713地电位和信号源地电位不完全相等造成)，采用模拟量的差分输入可以消除模拟量的共模干扰。如果信号源比较干净，可以采用单端输入的方式。本系统采用差分输入模式，其模拟输入信号连接方式如图4所示。

图4中，Vs为待测量的模拟信号，Vcm为待测量模拟信号地与PCI1713地之间的共模电压。

5 数据采集及处理

采集软件采用LabVIEW编程完成实时显示测量结果，测试界面见图5所示。在图2所示的位置施加载荷，点击测试界面的测量按钮，就会测得该载荷下，5个点的应变情况，然后逐级增加载荷。

根据公式 σ =Eε，得 Δσi实=EΔεi平均(Δεi平均为第 i点应变增量的平均值)，测完后点击数据处理就可以由软件自动计算出结果，并与理论值进行比较。

结合ansys软件绘制受力后的变形状况，图6所示的是梁弯曲实验中加载后梁的变形图，在实验过程中还可以看到梁变形的动画演示，更加深了学生对此内容的理解。

本测试系统不仅可以对已知梁材料进行的测量，计算结果与理论值比较，来验证弯曲正应力公式，而且还可以根据测试曲线，根据来反求测试材料的类型。应力增量的理论值由

式中，Fa:试验力，N，a:梁支撑间距离，mm，b:梁宽度，mm，h:梁高度，mm，y:测点距梁端点距离，mm。

按照图2所示的装置尺寸计算出σ，由测试系统可直接测出应变的值，因而由公式σ=Eε可求出被测梁的弹性模量。在弹性范围内，逐级增加载荷，分别求出弹性模量的值，取其平均值。根据测试软件绘制的应力-应变的曲线图，曲线的斜率即为E，对比求出的平均值和斜率，从而判断出梁(被测构件)的材料［3，4］。

6 结束语

该测试系统具备以下功能

1)自动采集数据，实时显示测量曲线。

2)强大的数据处理功能，与ansys相结合，绘制受力后的变形图及应力云图。

3)具有数据库管理功能，可以查询已做的试验结果

4)系统适应性强，可适应各种场合和任何电阻值的应变信号输入。

5)系统不仅能测试已知材料的应力应变，而且还可以根据测试数据绘出的应力-应变曲线的求出被测件材料的弹性模量，从而推断被测构件的材料。

通过该测试系统，不仅可以在一台计算机上完成应力应变的自动测试，降低测试成本，提高测试效率，增强系统的灵活性，同时给教学实验带来很大的方便，通过实时曲线和变形动画，一方面提高学生学习兴趣，另一方面也加深了对理论知识的理解。同时该系统在一定程度上为鉴定金属材料的主要成分提供了一种先进可行的办法。

［1］赵海新，左明伟，孙晓娜.电子点火与电控热油喷射实验教学系统设计［J］.承德石油专科学校学报，2013，15(2):55 －59，62.

［2］张国雄，金篆芷.测控电路［M］.北京:机械工业出版社，2001.

［3］朱玉萍，苏 虹，戴乐云，等.应变电测的灰色建模方法［J］.江苏大学学报(自然科学版)，2002，23(6):95－98.

［4］NEEBELDanial J，BLANDINO Joseph R，LAWRENCEDavid J.Stress and strain［J］.College ofIntegratedSci-ence andT-echnologyJamesMadisonUniversity，2002，20(2):103 －110.