利用DRLab實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)剪切模量G測定實(shí)驗(yàn)

張秀全，鄭德聰，孫青芳

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，山西 太谷030801）

DRlab（Dynamic Reconfigurable Lab）也稱為創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，DRVI可重組虛擬儀器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，是DRLab創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心平臺，DRVI在普通虛擬儀器采用的標(biāo)準(zhǔn)PC架構(gòu)和儀器板卡基礎(chǔ)上，采用軟件總線和軟件芯片技術(shù)，取消傳統(tǒng)程序設(shè)計中的編譯、鏈接環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)虛擬儀器開發(fā)平臺和運(yùn)行平臺一體化。具有總線型系統(tǒng)開放結(jié)構(gòu)和軟硬件模塊組件化、積木化的特點(diǎn)；能與A／D卡、I／O卡等信號采集硬件進(jìn)行組合與連接，進(jìn)行實(shí)際信號的檢測；與相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)對象和傳感器相結(jié)合，內(nèi)置嵌入式Web服務(wù)器和ActiveX客戶端程序，支持網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)行，支持自動化腳本技術(shù)，VBScript語言編制小程序；可以迅速組建一個開放性網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)室，真正讓學(xué)生針對實(shí)際對象去選擇測試手段、信號分析和處理方法［1］。

剪切模量G測定實(shí)驗(yàn)是材料力學(xué)課程教學(xué)大綱要求的主要實(shí)驗(yàn)之一，目前大多采用的電測法測量［2，3］是以靜態(tài)電阻應(yīng)變儀為核心的應(yīng)變測試系統(tǒng)。為了充分利用現(xiàn)有教學(xué)設(shè)備和資源，應(yīng)用動態(tài)電阻應(yīng)變儀對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的輸出信號進(jìn)行處理，由DRlab擴(kuò)展模塊A／D卡、I／O卡等信號采集硬件與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，確定測量應(yīng)變值，完成剪切模量G測定實(shí)驗(yàn)［4，1］。系統(tǒng)開發(fā)的目的是，應(yīng)用動態(tài)應(yīng)變儀標(biāo)定和實(shí)測時的輸出采樣值，取其平均值作為靜態(tài)測量結(jié)果，并設(shè)計適合學(xué)生微機(jī)實(shí)驗(yàn)操作的系統(tǒng)界面。系統(tǒng)開發(fā)對于利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行二次開發(fā)，進(jìn)行多種實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，擴(kuò)展設(shè)備功能，提高利用率，減少實(shí)驗(yàn)設(shè)備的投入，強(qiáng)化學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)具有重要意義［5～7］。

1 實(shí)驗(yàn)原理

采用圓環(huán)形截面的純扭轉(zhuǎn)梁，材料處于純剪切應(yīng)力狀態(tài)。在比例極限范圍內(nèi)，材料的扭矩與剪應(yīng)變成正比，即滿足剪切胡克定律［8］：

式中，γ－扭轉(zhuǎn)梁的剪應(yīng)變／Pa；

T－扭轉(zhuǎn)梁受到的扭矩／N·m；

Wt－抗扭截面模量／m4。

為了測得材料的剪切彈性模量G，可測出扭矩T和剪應(yīng)變γ，由上式間接得彈性模量G。

剪應(yīng)變γ的測量，也采用間接方法。純剪切狀態(tài)下的應(yīng)力見圖1。主應(yīng)力σ1和σ3的方向與軸線方向的夾角為45°，且|σ1|＝|σ3|＝τ。采用電阻應(yīng)變式測量方法，沿與軸線成45°方向布置應(yīng)變片R1和R2，其中R1反映正應(yīng)變ε1，R2反映負(fù)應(yīng)變ε3，接成半橋測量電路，見圖2。通過測得的主應(yīng)變ε1和ε3反映剪應(yīng)變γ的大小。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)見圖3。

圖1 純剪應(yīng)力狀態(tài)示意圖Fig．1 diagram of pure shear stress state

圖2 半橋測量電路Fig．2 Half bridge measurement circuit

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖Fig．3 Block diagram of experiment system

2 程序設(shè)計

測試過程見圖4。動態(tài)應(yīng)變儀的輸出采樣值必須通過電標(biāo)定常數(shù)轉(zhuǎn)化為被測應(yīng)變值的大小。在電橋處于平衡狀態(tài)時，采樣輸出值也應(yīng)為0，可以通過調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)采集卡的調(diào)零旋鈕實(shí)現(xiàn)。

圖4 測試過程示意圖Fig．4 Test process sketch figure

設(shè)電橋平衡，由圖4可看出，當(dāng)輸入應(yīng)變值為零時，標(biāo)定正應(yīng)變ε＋時，對應(yīng)的輸出采樣值為Y＋，標(biāo)定負(fù)應(yīng)變ε－時，對應(yīng)的輸出采樣值為Y－，這時正、負(fù)電標(biāo)定常數(shù)分別為：

其中，ε＋、ε－由動態(tài)電阻應(yīng)變儀的標(biāo)定開關(guān)給出。

實(shí)測正、負(fù)應(yīng)變值分別為：

式中，Yx－通過數(shù)據(jù)采集儀得到的輸出采樣平均值；

圖5為剪切彈性模量G測定的程序流程圖。圖6為實(shí)驗(yàn)操作界面。

圖5 測量剪切彈性模量G的程序流程圖Fig．5 Measurement of shear modulus G program flow chart

3 討論

從DRlab實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)際操作界面可以看出，給定試樣基本參數(shù)，根據(jù)載荷變化，動態(tài)應(yīng)變儀的輸出采樣值通過電標(biāo)定常數(shù)轉(zhuǎn)化為被測應(yīng)變值，學(xué)生可以直觀的觀察和讀取剪切模量G測定過程的所有數(shù)據(jù)，能很好完成實(shí)驗(yàn)。相對傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：

圖6 實(shí)驗(yàn)操作界面Fig．6 Experimental operating interface

（1）內(nèi)置嵌入式 Web服務(wù)器和ActiveX客戶端程序，支持網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)行，以瀏覽器／Web服務(wù)器方式提供多學(xué)生終端支持，應(yīng)用不到3M的客戶端程序，在學(xué)生計算機(jī)上提供一個完善的虛擬儀器和虛擬實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行平臺，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的軟、硬件共享。

（2）采用“虛擬儀器網(wǎng)頁”技術(shù)，以腳本方式對所設(shè)計的虛擬儀器進(jìn)行描述。便于教師布置實(shí)驗(yàn)任務(wù)和學(xué)生上交實(shí)驗(yàn)作業(yè)。

4 結(jié)論

（1）“剪切模量G測定實(shí)驗(yàn)”系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)，應(yīng)用DRlab虛擬儀器平臺，實(shí)現(xiàn)了動態(tài)測試系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的靜態(tài)測試系統(tǒng)，完成了靜態(tài)剪切模量G測量實(shí)驗(yàn)，綜合利用DRlab實(shí)驗(yàn)臺的功能擴(kuò)展，設(shè)計出符合實(shí)驗(yàn)要求的測定系統(tǒng)，提高了設(shè)備的利用率，減少了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的投入。

（2）該系統(tǒng)已用于《工程材料》、《材料力學(xué)》等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，系統(tǒng)操作直觀、簡便，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，測量誤差較小。

（3）增強(qiáng)了學(xué)生的強(qiáng)化學(xué)生實(shí)踐動手能力，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)新技術(shù)的應(yīng)用。

［1］深圳市藍(lán)津信息技術(shù)有限公司．DRVI快速可重組虛擬儀器平臺用戶使用手冊［Z］．2003．

［2］賈民平，張洪亭，周劍英．測試技術(shù)［M］．北京：高等教育出版社，2011：239－242．

［3］萬鳴，古濱，黃利誠，等．材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)獨(dú)立設(shè)課教學(xué)改革實(shí)踐［J］．實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2009，7（4）：98－100．

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［8］馬永林，王清達(dá)，吳國華，等．材料力學(xué)［M］．北京：人民教育出版社，1966：18－33．