基于LabVIEW应力测量系统的设计分析*

蒋正忠，黄才贵，常青青

（南宁学院，南宁 530200）

0 引言

机械设备中的机械零件在工作过程所受到的工作应力是影响零件寿命、可靠性的一项重要指标。在没有可靠手段获取机械零件工作应力的情况下，出于降低风险考虑，机械零件的设计通常会保守设计。如果设计者缺乏强度设计经验，则较容易出现零件强度设计富余过多或强度设计不足这样的情况。因此，行之有效的获取零件工作应力的方法对机械零件的设计、分析、研究以及零件的后期改进都有着重要的意义。目前国内外对应力测量方法进行了较多的研究，如文献[1]分析了电阻应变片的种类和及其基本工作特性；文献[2]运用了模拟电路的分析方法阐述了获取电阻应变片应变值的思路；文献[3-4]阐述了电阻应变计将构件或弹性体的应变量转换为电阻的变化通常极其微小这一现象，提出了必须通过电路加以放大才能进行测量的思想。由于传统的应变、应力测量分析研究一般都是从应力测量整个流程中的一个具体环节做深入分析，而没有形成一套完整的应力测量系统。

本文将以应变片为基础，充分运用电路分析技术和现代数据采集技术，设计一套机械零件工作应力实时测量系统。系统将统筹电阻应变片工作特点、电阻应变片电阻变化量测量电路结构及其输出信号、电压放大电路以及最后阶段的电压模数转换和数据处理，使之各衔接环节的输入输出参数相匹配，形成一套完整的应力测量系统。

1 电阻应变片的工作原理

在弹性形变范围内，材料所受到的应力和材料的应变之间的关系如式（1）所示：

式中：σ为应力；E为材料的弹性模量；ε为应变。

因此，要获取材料的应力信息，可以转而获取材料的应变，然后再通过式（1）换算出应力值。这样，电阻应变片就应运而生。电阻应变片的构造如图1所示。

图1 电阻应变片的结构

图中，敏感栅是一条细长的电阻丝，当该电阻丝被牢固的黏贴在物体表面时，它就会跟随被贴表面做同步变形，电阻丝的相对变化量就与被黏贴物体表面的相对变化量一致。电阻丝被拉长或压短后，其电阻值会相应地变大或减小，所以电阻丝阻值的变化与其形变是相关的。由于敏感栅是被绝缘的黏贴在物体表面，所有电阻丝变形前后的电阻值的变化量可以间接反映被测材料的表面形变。

对于一根等截面的金属丝，其电阻值为：

式中： ρ为电阻丝的电阻率；L为电阻丝的长度；S为电阻丝的截面积。

当在电阻丝上施加一个拉力F时，其长度变化ΔL，横截面积反向变化ΔS，忽略电阻丝变形导致其电阻率的变化Δρ的影响[5-6]，根据式（2）得：

当电阻丝在弹性范围内变形时,金属丝受轴向力作用，其沿轴向的变化量和其沿径向的变化量存在比例关系[7]，即：

由式（7）可知，如果获取受力前后电阻丝的电阻相对变化量，结合式（1），则可以计算出电阻应变片黏贴处材料的表面应力值。

2 应变测量电路分析

为了测量电阻应变片的电阻相对变化量，将电阻应变片接入到特定的电路中，通过测量电路的电压参数来获取电阻应变片的电阻值变化信息[8]。图2所示为电阻相对变化量的测量电路。在图中，将R1置换为电阻应变片，当给a、c两点间加入供电电源Ue时，则在b、d端的输出电压Uo为：

图2 电阻阻值变化量测量电路

如果令R1=R2，R3=R4，则当电阻应变片R1受力被拉伸或压缩后，则有：

由于机械零部件受力变形时的绝对变形量非常微小，该绝对变形量引起的电阻值变形量ΔR1相对于式（9）分母中的2R1可以忽略不计，结合式（7），有：

在式（10）中，（1+2μ）通常称为电阻应变片的灵敏系数。由于该值与电阻应变片敏感栅的材料有关，由式（10）可知，当电阻应变的材料唯一确定后，只需要测量图2电路中的输出电压Uo，就可以换算出被测物体的表面应变，再结合式（1），便可以获取被测物体的表面应力值。

3 电压放大电路设计

对于目前常用的电阻应变片，电阻应变片的灵敏系数一般在2左右[9]。对于普通用途的钢材，如Q345，如果取安全系数为1.3，则其许用应力为：

材料Q345的弹性模量约为2×1011Pa。如果将图2中的供电电压Ue取值5 V，则由式（1）、式（10）可知，图2中电路的输出电压Uo为：

由此可见，即使Q345材料已经工作在许用应力状态，图2电路的输出电压Uo也只有约3.3 ms，而常见的AD转换器的量程较大一部分都在-10～10 V之间。由于图2电路的原始输出电压Uo相对AD转换器的量程较小，如果此时用AD转换器直接对Uo进行AD转换并不利于获得高精度的AD转换结果。因此，应将图2电路的原始输出电压放大适当的倍数后再进行AD转换。具体放大倍数，可以根据实际需求确定。假设被测对象的工作应力最大可能会达到345 MPa，则根据式（12）可以大概计算出原始电路的的最大输出电压为4.31 mV左右。若AD转换器的量程为-10～10 V，考虑给测量系统留有一定的测量余量，若给AD转换器预留1 V的测量余量，则放大电路的放大倍数应达到：

实际放大电路的放大倍数不一定要与式（13）的计算结果完全一致，而是与式（13）的计算结果基本吻合即可。如果被测对象的实际参数和受力状态等与上述的假设值不相符，只需将上述计算用的假设值和材料参数值等更改为实际被测对象的值和参数值再计算一遍即可，可以大概换算出需要的放大倍数。

如图2所示，将电路的输出电压放大指定的倍数，可以选择测量放大器AD620。AD620测量放大器是一种带有精密差动电压增益的器件，它具有高输入阻抗、低输出阻抗、强抗共模干扰能力、低温漂、低失调电压和高稳定增益等特点，在检测微弱信号的系统中，被广泛用作前置放大器[10]。基于AD620的电压放大电路如图3所示，根据芯片AD620的技术文档，图中所示放大电路的放大倍数和输出电压分别为：

由式（14）可知，为了计算图3所示放大电路的实际放大倍数，需要测量电阻RG的准确值。对于相同的RG电阻值的测量误差ΔRG，当 RG取值较小时，ΔRG对式（14）中放大倍数的计数结果影响较大。因此，当预期的放大倍数较大时，如（13）式所示要求放大2 088倍的情况，为了降低RG电阻值的测量误差对电路放大倍数计算结果的影响，可以进行两级电压放大，电路图如图4所示。此时电路的输出电压为：

图3 AD620电压放大电路

由式（16）可知，如果将其中的RG1和RG2设置为可调电阻，那么可以通过调节RG1和RG2的不同组合得到更为宽广的电压放大范围，以满足不同应力等级的测量放大倍数要求。

图4 基于AD620的两级电压放大电路

4 基于LabVIEW的测量软件设计

在通过实际测量获得式（16）的输出电压后，便可以反算出应变片所在位置处被测材料的当前应力值。在这里可以借助LabVIEW平台开发桌面虚拟仪器，配合NI的数据采集卡，完成对放大电路输出电压的采集，完成由电压到应力的反算以及应力数据的实时展现和数据保存，实现了人性化的人机交互应力测量系统。这种基于LabVIEW的虚拟仪器，配合配套的数据采集卡的应力测量系统，具有高度的可扩展性和灵活的功能可变更性。应力测量系统可分为数据采集参数配置模块、数据采集及数据处理模块、数据保存模块、数据展现模块。数据采集参数配置模块主要完成数据集采集卡AD转换输入通道、转换电压范围等参数的设置，如图5所示。

图5 数据采集参数配置

数据采集及数据处理模块主要完成模数转换以及对转换结果进行应力还原计算、最大应力值计算、平均应力值计算等工作。其主要的操作代码如图6所示。

数据保存模块用于将测量的所有数据保存到磁盘文件内，以便后期随时查阅。数据显示模块用于将测量系统的实时测量数据、历史测量数据的最大值和平均值等信息动态地显示在显示屏上，方便用户及时获取这些数据信息。最终完成的测量系统的用户操作界面及其虚拟仿真情况如图7所示。在图7所示的操作界面中主要完成一些实际测量参数、最大应力值等信息的输入或测量结果的展现。

图7 应力测量系统虚拟仿真界面

5 结束语

本文以LabVIEW和NI数据采集卡为工具，配合具体电阻应变片电阻值变化量检测电路和放大倍数可调的电压放大电路，设计了一套应力测量系统。该测量系统可以对应力进行实时检测、数据分析和数据保存。由于该系统是基于软件编程实现的，因此具有较高的结构调整灵活性和功能扩展性，可根据用户对应力测试的不同需求对测量系统中的数据采集、数据处理和数据展现等操作方式灵活调整，便于应力测试人员开展测试工作。