虚拟仪器高温应变测量系统

尹曰雷，王文瑞，胡　挺，任　欣

虚拟仪器高温应变测量系统

尹曰雷，王文瑞，胡挺，任欣

（北京科技大学机械工程学院，北京100083）

高温环境下进行应变测量时，温度会对应变片的灵敏度、热输出、零漂和蠕变等参数特性产生影响，需要采取有效措施来保证测量结果的准确度。该文针对高温对应变片参数特性的影响，采用标定数据跟踪及自动处理的方法对应变测量数据进行修正补偿，并开发配套的高温应变测量系统。该测试系统可对应变测试数据进行自动补偿修正，从而得到满足测量准确度要求的应变数据，此外该系统还可实现测试数据的实时显示、存储、回放和打印输出等功能。试验验证表明：该测试系统对高温应变测量具有较好的适用性，能有效地提高高温应变测量的准确度。

高温应变；虚拟仪器；应变测量系统；自动补偿

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2015.09.018

0　引言

高温应变测量技术在航空航天、化学、冶金工业等部门的应用越来越普遍，高温环境对应变准确测量的影响往往是工程中的难点［1］。在高温环境下，温度会对应变片的灵敏度、热输出、零漂及蠕变等参数特性产生影响，测量数据的误差往往比真实值还大，从而难以获得高准确度的测量结果［2］。传统的测量系统使用仪器多、仪器之间必须匹配，且难以对测量过程中的误差进行有效的修正，存在技术更新周期长、开发维护费用高等缺点，难以满足高温测量的要求［3-5］。虚拟仪器技术作为仪器领域的新兴技术，为高温应变的测量提供了一种新的方法和途径。虚拟仪器技术是计算机技术与仪器技术深层次结合而产生的全新概念的技术，它把现成即用的商业技术与创新的软硬件平台相集成，从而为工业控制及测量提供了一种新的解决方案［6-8］。

由于高温测量的特殊性，目前尚缺少对高温应变测量数据根据应变片参数特性进行实时补偿修正、显示的测量系统。本文针对高温环境下应变测量的特点，开发了基于虚拟仪器技术的高温应变测量系统，该系统可实现测量结果的自动修正、补偿、显示及自动回放等功能。通过实验验证了测量系统对于高温应变测量的适用性，为高温应变测量提供了一种可行的方法，且测试系统简单方便，软件是该系统的核心，整个系统的更新只需要通过软件升级即可实现。

1　高温应变测量系统原理

高温应变测量系统主要由传感器、应变信号调理仪、数据采集卡、计算机以及应用软件组成，如图1所示。硬件部分主要完成应变数据的采集，由软件对采集到的信号进行修正补偿，得到满足要求的测量数据。

图1　高温应变测试系统

高温环境下，当构件受力产生应变时，贴在构件上的电阻应变片会将应变信号转化为电阻的变化，应变信号调理仪将应变片阻值的变化转化为电信号，同时应变信号调理仪收到热电偶传来的温度信号，应变调理仪将传过来的应变信号和温度信号进行放大等处理，使之达到数据采集卡的采集范围并传递给数据采集卡；数据采集卡对信号调理仪传过来的信号进行采样、量化和编码，将模拟信号转化为数字信号，经过转换得到的数字信号被送入计算机；由软件部分对采集到的应变数据进行补偿修正、存储回放等功能，并将修正后的结果实时显示出来。

2　高温应变测量系统硬件设计

应变测量系统的硬件主要由传感器、应变信号调理仪、数据采集卡以及计算机4部分组成。

与常温应变测量相比，高温应变测量需要采用专门的电阻应变片，本文采用的应变片栅丝材料为高温铁铬铝，该应变片经试验验证可用于1000℃内高温应变测量。应变信号调理仪为1861应变调理器，可实现8通道动态应变测量，内含桥压供给、信号放大、低通滤波、预平衡等单元，可将应变信号进行放大、滤波处理，以达到数据采集卡的采集范围。数据采集卡采用USB2821数据采集卡，该采集卡具有12位转换精度，其连接方式可为AD单端输入连接方式和AD双端输入连接方式，最大可实现32通道数据的同时采集（单端输入连接方式）。由计算机对采集到的数据进行处理，得到修正后的应变信号。

3　高温应变测量系统软件设计

软件是高温应变测量系统的核心，收到的应变信号在计算机软件中完成自动修正补偿、显示、分析处理等。根据实际测量的需求，软件主要包括参数设置模块、数据处理模块、波形显示模块、数据存储模块和波形回放模块，如图2所示。

图2　测量软件模块图

参数设置模块：参数设置模块是软件的重要组成部分，该模块的功能是根据测量环境和要求的不同来设置采集参数、系统参数、材料参数以及通道参数等，为后续的数据分析处理、显示等提供参数依据。

数据处理模块：数据处理模块是高温应变测试模块的核心，该模块根据标定的灵敏度、热输出、零漂及蠕变的值，对采集到的应变信号进行补偿修正，从而得到满足精度要求的测量结果。

波形显示模块：波形显示模块是利用图形来显示测量结果，可以更加直观地看出被测量的数据变化趋势。

数据存储模块：高温应变测试系统从测试开始到结束都需要一定的时间，而且是适时高速的数据采集，这将会产生大量的数据。数据存储模块是对采集到的数据进行存储以方便后期数据分析处理。

波形回放模块：波形回放模块可以完成对数据存储模块存储的数据的查看分析，可以同时显示4个通道的应变值，同时还可以显示每个通道的应变平均值和最大值。软件的界面如图3所示。

测量软件对测量数据采用曲线修正法［9］。数据测量之前，数据处理模块将从常温到最高温度之间应变片的灵敏度、热输出、零漂和蠕变值保存到软件的数据库中。测量时，首先根据测量环境的不同对参数设置模块进行设置，数据处理模块根据数据采集卡采集到的温度信号对标定的数据进行三次样条插值［10-11］，找出对应温度下的热输出、灵敏度、零漂和蠕变，对采集到的应变信号进行补偿修正，从而得到满足测量精度的测量结果，波形显示模块将修正后的结果显示出来。数据存储模块负责将修正的数据和参数设置模块设置的参数进行保存。波形回放模块利用存储的应变数据和设置的参数实现数据的回放。软件数据处理的流程图如图4所示。

图4　高温测量系统界面图

图4　数据处理流程图

4　实验验证

在采用标定装置标定应变片在不同温度下的灵敏度、热输出、零漂、蠕变之后利用测量系统进行试验。测试实验用梁材料为GH99，尺寸为420mm× 30mm×5.70mm。首先，实验需要在常温下加载70 kg的载荷，并经过3次预加载。然后分别在常温、200℃、400℃、600℃、800℃下进行测试试验，在20℃和800℃环境下加载70kg时，测试构件的指示应变如图5、图6所示。实验进行了3组，每组有4个应变片，12组数据应变的平均值如表1所示。

表1　测量应变值和测量误差

图5　20℃时测试系统的指示应变

图6　800℃时测试系统的指示应变

实验采用位移加载的加载方式将位移加载到5.900mm，得到在常温、200℃、400℃、600℃、800℃下应变片的测量误差，分别为-1.3%、4.66%、8.62%、-12.51%、-14.15%随着温度的增加，测量误差也随之增加。在工程测试中，600℃以下要求测量误差＜20%，在600～800℃要求测量误差＜30%，因此测试系统可以满足测量要求。

5　结束语

基于虚拟仪器的高温应变测量系统可以实现温度和应变的同时测量，能够自动补偿测量数据。通过数据的自动补偿修正，减小了高温环境测量时灵敏度、热输出、零漂和蠕变等对测量结果准确度的影响，从而得到了能够满足测量精度要求的数据，完成了高温环境下的应变测试。实验结果表明该系统对常温至800℃下的构件的应变进行测量时均具有良好的测量结果。

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H igh tem perature strain measurement based on virtual instrument technology

YIN Yuelei，WANG Wenrui，HU Ting，Ren Xin
（School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China）

Strain measurement is difficult to be conducted through engineering tests at high temperature.Temperature will influence the sensitivity，thermal output，zero drift and creep characteristics of strain gauges.A targeted measure needs applying to ensure the accuracy of test data.A calibration data tracking and automated processing method has been adopted in this paper to correct the data measured.A high temperature strain measurement system has been designed on the basis of a virtual instrument to match the above method.This system can automatically compensate the measured strain data so as to improve the accuracy of the measuring results. Moreover，it can display，store and print the corrected data as well.Experiments have proved that the system for high temperature strain measurement can be applied to enhance the accuracy of test results.

high temperature strain；virtual instrument；strain measurement system；automatic compensation

A

1674-5124（2015）09-0079-03

2014-12-27；

2015-02-02

航空科学重点实验室基金项目（20145674004）北京市高校青年英才计划（YETP0368）

尹曰雷（1990-），男，山东聊城市人，硕士研究生，专业方向为高温构件/材料应变场的测量及其热机耦合的研究。