虛擬儀器高溫應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)

尹曰雷，王文瑞，胡　挺，任　欣

虛擬儀器高溫應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)

尹曰雷，王文瑞，胡挺，任欣

（北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，北京100083）

高溫環(huán)境下進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量時(shí)，溫度會(huì)對(duì)應(yīng)變片的靈敏度、熱輸出、零漂和蠕變等參數(shù)特性產(chǎn)生影響，需要采取有效措施來(lái)保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。該文針對(duì)高溫對(duì)應(yīng)變片參數(shù)特性的影響，采用標(biāo)定數(shù)據(jù)跟蹤及自動(dòng)處理的方法對(duì)應(yīng)變測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正補(bǔ)償，并開(kāi)發(fā)配套的高溫應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)。該測(cè)試系統(tǒng)可對(duì)應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償修正，從而得到滿足測(cè)量準(zhǔn)確度要求的應(yīng)變數(shù)據(jù)，此外該系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、回放和打印輸出等功能。試驗(yàn)驗(yàn)證表明：該測(cè)試系統(tǒng)對(duì)高溫應(yīng)變測(cè)量具有較好的適用性，能有效地提高高溫應(yīng)變測(cè)量的準(zhǔn)確度。

高溫應(yīng)變；虛擬儀器；應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)；自動(dòng)補(bǔ)償

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2015.09.018

0　引言

高溫應(yīng)變測(cè)量技術(shù)在航空航天、化學(xué)、冶金工業(yè)等部門(mén)的應(yīng)用越來(lái)越普遍，高溫環(huán)境對(duì)應(yīng)變準(zhǔn)確測(cè)量的影響往往是工程中的難點(diǎn)［1］。在高溫環(huán)境下，溫度會(huì)對(duì)應(yīng)變片的靈敏度、熱輸出、零漂及蠕變等參數(shù)特性產(chǎn)生影響，測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差往往比真實(shí)值還大，從而難以獲得高準(zhǔn)確度的測(cè)量結(jié)果［2］。傳統(tǒng)的測(cè)量系統(tǒng)使用儀器多、儀器之間必須匹配，且難以對(duì)測(cè)量過(guò)程中的誤差進(jìn)行有效的修正，存在技術(shù)更新周期長(zhǎng)、開(kāi)發(fā)維護(hù)費(fèi)用高等缺點(diǎn)，難以滿足高溫測(cè)量的要求［3-5］。虛擬儀器技術(shù)作為儀器領(lǐng)域的新興技術(shù)，為高溫應(yīng)變的測(cè)量提供了一種新的方法和途徑。虛擬儀器技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀器技術(shù)深層次結(jié)合而產(chǎn)生的全新概念的技術(shù)，它把現(xiàn)成即用的商業(yè)技術(shù)與創(chuàng)新的軟硬件平臺(tái)相集成，從而為工業(yè)控制及測(cè)量提供了一種新的解決方案［6-8］。

由于高溫測(cè)量的特殊性，目前尚缺少對(duì)高溫應(yīng)變測(cè)量數(shù)據(jù)根據(jù)應(yīng)變片參數(shù)特性進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償修正、顯示的測(cè)量系統(tǒng)。本文針對(duì)高溫環(huán)境下應(yīng)變測(cè)量的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了基于虛擬儀器技術(shù)的高溫應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果的自動(dòng)修正、補(bǔ)償、顯示及自動(dòng)回放等功能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了測(cè)量系統(tǒng)對(duì)于高溫應(yīng)變測(cè)量的適用性，為高溫應(yīng)變測(cè)量提供了一種可行的方法，且測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)單方便，軟件是該系統(tǒng)的核心，整個(gè)系統(tǒng)的更新只需要通過(guò)軟件升級(jí)即可實(shí)現(xiàn)。

1　高溫應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)原理

高溫應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)主要由傳感器、應(yīng)變信號(hào)調(diào)理儀、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)以及應(yīng)用軟件組成，如圖1所示。硬件部分主要完成應(yīng)變數(shù)據(jù)的采集，由軟件對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行修正補(bǔ)償，得到滿足要求的測(cè)量數(shù)據(jù)。

圖1　高溫應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)

高溫環(huán)境下，當(dāng)構(gòu)件受力產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，貼在構(gòu)件上的電阻應(yīng)變片會(huì)將應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)化為電阻的變化，應(yīng)變信號(hào)調(diào)理儀將應(yīng)變片阻值的變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，同時(shí)應(yīng)變信號(hào)調(diào)理儀收到熱電偶傳來(lái)的溫度信號(hào)，應(yīng)變調(diào)理儀將傳過(guò)來(lái)的應(yīng)變信號(hào)和溫度信號(hào)進(jìn)行放大等處理，使之達(dá)到數(shù)據(jù)采集卡的采集范圍并傳遞給數(shù)據(jù)采集卡；數(shù)據(jù)采集卡對(duì)信號(hào)調(diào)理儀傳過(guò)來(lái)的信號(hào)進(jìn)行采樣、量化和編碼，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號(hào)被送入計(jì)算機(jī)；由軟件部分對(duì)采集到的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償修正、存儲(chǔ)回放等功能，并將修正后的結(jié)果實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。

2　高溫應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的硬件主要由傳感器、應(yīng)變信號(hào)調(diào)理儀、數(shù)據(jù)采集卡以及計(jì)算機(jī)4部分組成。

與常溫應(yīng)變測(cè)量相比，高溫應(yīng)變測(cè)量需要采用專門(mén)的電阻應(yīng)變片，本文采用的應(yīng)變片柵絲材料為高溫鐵鉻鋁，該應(yīng)變片經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證可用于1000℃內(nèi)高溫應(yīng)變測(cè)量。應(yīng)變信號(hào)調(diào)理儀為1861應(yīng)變調(diào)理器，可實(shí)現(xiàn)8通道動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量，內(nèi)含橋壓供給、信號(hào)放大、低通濾波、預(yù)平衡等單元，可將應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行放大、濾波處理，以達(dá)到數(shù)據(jù)采集卡的采集范圍。數(shù)據(jù)采集卡采用USB2821數(shù)據(jù)采集卡，該采集卡具有12位轉(zhuǎn)換精度，其連接方式可為AD單端輸入連接方式和AD雙端輸入連接方式，最大可實(shí)現(xiàn)32通道數(shù)據(jù)的同時(shí)采集（單端輸入連接方式）。由計(jì)算機(jī)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到修正后的應(yīng)變信號(hào)。

3　高溫應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件是高溫應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的核心，收到的應(yīng)變信號(hào)在計(jì)算機(jī)軟件中完成自動(dòng)修正補(bǔ)償、顯示、分析處理等。根據(jù)實(shí)際測(cè)量的需求，軟件主要包括參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、波形顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和波形回放模塊，如圖2所示。

圖2　測(cè)量軟件模塊圖

參數(shù)設(shè)置模塊：參數(shù)設(shè)置模塊是軟件的重要組成部分，該模塊的功能是根據(jù)測(cè)量環(huán)境和要求的不同來(lái)設(shè)置采集參數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)、材料參數(shù)以及通道參數(shù)等，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析處理、顯示等提供參數(shù)依據(jù)。

數(shù)據(jù)處理模塊：數(shù)據(jù)處理模塊是高溫應(yīng)變測(cè)試模塊的核心，該模塊根據(jù)標(biāo)定的靈敏度、熱輸出、零漂及蠕變的值，對(duì)采集到的應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償修正，從而得到滿足精度要求的測(cè)量結(jié)果。

波形顯示模塊：波形顯示模塊是利用圖形來(lái)顯示測(cè)量結(jié)果，可以更加直觀地看出被測(cè)量的數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊：高溫應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)從測(cè)試開(kāi)始到結(jié)束都需要一定的時(shí)間，而且是適時(shí)高速的數(shù)據(jù)采集，這將會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊是對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)以方便后期數(shù)據(jù)分析處理。

波形回放模塊：波形回放模塊可以完成對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)的查看分析，可以同時(shí)顯示4個(gè)通道的應(yīng)變值，同時(shí)還可以顯示每個(gè)通道的應(yīng)變平均值和最大值。軟件的界面如圖3所示。

測(cè)量軟件對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)采用曲線修正法［9］。數(shù)據(jù)測(cè)量之前，數(shù)據(jù)處理模塊將從常溫到最高溫度之間應(yīng)變片的靈敏度、熱輸出、零漂和蠕變值保存到軟件的數(shù)據(jù)庫(kù)中。測(cè)量時(shí)，首先根據(jù)測(cè)量環(huán)境的不同對(duì)參數(shù)設(shè)置模塊進(jìn)行設(shè)置，數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)數(shù)據(jù)采集卡采集到的溫度信號(hào)對(duì)標(biāo)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行三次樣條插值［10-11］，找出對(duì)應(yīng)溫度下的熱輸出、靈敏度、零漂和蠕變，對(duì)采集到的應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償修正，從而得到滿足測(cè)量精度的測(cè)量結(jié)果，波形顯示模塊將修正后的結(jié)果顯示出來(lái)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊負(fù)責(zé)將修正的數(shù)據(jù)和參數(shù)設(shè)置模塊設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行保存。波形回放模塊利用存儲(chǔ)的應(yīng)變數(shù)據(jù)和設(shè)置的參數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的回放。軟件數(shù)據(jù)處理的流程圖如圖4所示。

圖4　高溫測(cè)量系統(tǒng)界面圖

圖4　數(shù)據(jù)處理流程圖

4　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在采用標(biāo)定裝置標(biāo)定應(yīng)變片在不同溫度下的靈敏度、熱輸出、零漂、蠕變之后利用測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。測(cè)試實(shí)驗(yàn)用梁材料為GH99，尺寸為420mm× 30mm×5.70mm。首先，實(shí)驗(yàn)需要在常溫下加載70 kg的載荷，并經(jīng)過(guò)3次預(yù)加載。然后分別在常溫、200℃、400℃、600℃、800℃下進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，在20℃和800℃環(huán)境下加載70kg時(shí)，測(cè)試構(gòu)件的指示應(yīng)變?nèi)鐖D5、圖6所示。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了3組，每組有4個(gè)應(yīng)變片，12組數(shù)據(jù)應(yīng)變的平均值如表1所示。

表1　測(cè)量應(yīng)變值和測(cè)量誤差

圖5　20℃時(shí)測(cè)試系統(tǒng)的指示應(yīng)變

圖6　800℃時(shí)測(cè)試系統(tǒng)的指示應(yīng)變

實(shí)驗(yàn)采用位移加載的加載方式將位移加載到5.900mm，得到在常溫、200℃、400℃、600℃、800℃下應(yīng)變片的測(cè)量誤差，分別為-1.3%、4.66%、8.62%、-12.51%、-14.15%隨著溫度的增加，測(cè)量誤差也隨之增加。在工程測(cè)試中，600℃以下要求測(cè)量誤差＜20%，在600～800℃要求測(cè)量誤差＜30%，因此測(cè)試系統(tǒng)可以滿足測(cè)量要求。

5　結(jié)束語(yǔ)

基于虛擬儀器的高溫應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變的同時(shí)測(cè)量，能夠自動(dòng)補(bǔ)償測(cè)量數(shù)據(jù)。通過(guò)數(shù)據(jù)的自動(dòng)補(bǔ)償修正，減小了高溫環(huán)境測(cè)量時(shí)靈敏度、熱輸出、零漂和蠕變等對(duì)測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度的影響，從而得到了能夠滿足測(cè)量精度要求的數(shù)據(jù)，完成了高溫環(huán)境下的應(yīng)變測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)對(duì)常溫至800℃下的構(gòu)件的應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量時(shí)均具有良好的測(cè)量結(jié)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

航空科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目（20145674004）北京市高校青年英才計(jì)劃（YETP0368）

尹曰雷（1990-），男，山東聊城市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)楦邷貥?gòu)件/材料應(yīng)變場(chǎng)的測(cè)量及其熱機(jī)耦合的研究。