采用SCXI-1520測應(yīng)變信號的可行性研究

李會婷 李立洋

西安航天動力測控技術(shù)研究所 陜西 西安710025

1 引言

測試總線技術(shù)的發(fā)展從70年代提出了GPIB總線技術(shù)開始，主要經(jīng)歷了VXI、PCI發(fā)展到PXI。PXI系統(tǒng)是PCI總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，PXI的核心是Compact PCI的結(jié)構(gòu)與Microsoft Windows軟件，這使得PXI用戶能夠把包括機(jī)械、電氣和軟件在內(nèi)的PCI的優(yōu)越性能和Microsoft Windows軟件直接應(yīng)用到測試、測量、數(shù)據(jù)采集和工業(yè)控制中去，而隨著眾多廠商加盟PXI系統(tǒng)聯(lián)盟，使得用戶在配置PXI系統(tǒng)時(shí)可以從日益增多的PXI模塊及數(shù)以百計(jì)的Compact PCI模塊中來選擇合適的產(chǎn)品。它具有小型便攜、高速數(shù)據(jù)傳輸、模塊式結(jié)構(gòu)、通用性強(qiáng)、軟硬件標(biāo)準(zhǔn)化程度高、使用和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。特別是其測試功能強(qiáng)大、易于組建、使用靈活、模塊可重復(fù)利用，大大減少了用戶的系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間，在對速度、精度要求較高的場合，有著其它系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢。

2 現(xiàn)有應(yīng)變測量方式

目前采用的是SCXI-1102C模塊與自行研制的信號調(diào)理器相互配合來實(shí)現(xiàn)應(yīng)變測量，測試原理圖如圖1所示：

圖1 測試原理圖

3 待選模塊功能簡介

經(jīng)過調(diào)研，基于PXI總線的測試系統(tǒng)，適合應(yīng)變信號測量的模塊有SCXI-1521B和SCXI-1520，分別介紹如下。

3.1 SCXI-1521B SCXI-1521B模塊具有以下主要功能：

a.24路四分之一橋配橋信號調(diào)理模塊，配橋電阻為120歐姆；

b.可編程激勵電源，調(diào)節(jié)范圍：0-5V，調(diào)節(jié)步長數(shù)量1024；

c.單通道可編程分流電阻和零點(diǎn)扣除機(jī)制；

d.10赫茲低通濾波器；

e.固定增益42v/v。

3.2 SCXI-1520 SCXI-1520模塊具有以下功能：

a.8路模擬輸入通道，可配置全橋，二分之一橋，四分之一橋，配橋阻值為350歐姆和120歐姆兩種；

b.可編程激勵電源，調(diào)節(jié)范圍：0-10 V；

c.每通道可編程增益1-1000設(shè)置；

d.每通道可編程4 極巴特沃思濾波器，可屏蔽，可選10hz，100hz，1khz，10kz；

e.單通道可編程分流電阻和零點(diǎn)扣除機(jī)制。

SCXI-1521B模塊具有24個(gè)通道，可以滿足應(yīng)變信號測試通道要求，但由于SCXI-1521B模塊的10hz低通濾波器無法屏蔽掉，只適合靜態(tài)應(yīng)變測量，項(xiàng)目中應(yīng)變測量包含動態(tài)成分，因此不適合選用SCXI-1521B模塊。SCXI-1520模塊雖然只包含8個(gè)通道，但各項(xiàng)功能均滿足測試基本要求，可同時(shí)選用多塊模塊來實(shí)現(xiàn)測試。

4 SCXI-1 5 2 0 測量應(yīng)變方法

利用SCXI-1520結(jié)合SCXI-1314接線端子，采用三線制接法，可以實(shí)現(xiàn)直接或間接測量應(yīng)變量。測量原理如圖2所示：

圖2 測量原理

使用SCXI-1520模塊實(shí)現(xiàn)應(yīng)變信號測量，使用SCXI-1314接線端子上提供的電阻構(gòu)成四分之一橋，為平衡每一個(gè)橋臂上的壓降，使得惠斯通橋輸出的初始電壓最小，需要使橋臂上的電阻和應(yīng)變片的電阻阻值盡可能接近。SCXI-1314內(nèi)置的電阻是可插拔更換的，阻值為120Ω 和350Ω 可選，根據(jù)所用應(yīng)變片阻值均約為120Ω，因此選用120Ω阻值電阻。

4.1 三線制接法 如圖2所示，使用SCXI-1520進(jìn)行四分之一橋進(jìn)行應(yīng)變測量，激勵電壓VEX取5.0 V時(shí)，V CH-=2.5 V，RL取同樣長度、同樣規(guī)格的導(dǎo)線，由于R4≈R3，因此VCH+≈2.5 V，VCH≈0，即三線制接法可消除在沒有形變情況下的電橋輸出。

4.2 使用NI軟件自帶例程測電壓VCH(電壓值放大200倍)，使用標(biāo)定系數(shù)計(jì)算應(yīng)變 利用SCXI-1520結(jié)合SCXI-1314接線端子，可以實(shí)現(xiàn)直接或間接測量應(yīng)變量，

1)測試原理。將線阻、應(yīng)變因子、應(yīng)變計(jì)電阻對測試結(jié)果的影響通過標(biāo)定體現(xiàn)在標(biāo)定系數(shù)內(nèi)，實(shí)際應(yīng)變量即為實(shí)測VCH電壓*標(biāo)定系數(shù)。

2)設(shè)置如圖3所示。

圖3 設(shè)置面板

3)標(biāo)定。標(biāo)定結(jié)果如表1所示：

表1

4)應(yīng)變計(jì)算公式。Strain(με)=K*VCH

5)優(yōu)點(diǎn)。無需考慮線阻大?。恍枰ㄟ^標(biāo)定獲得標(biāo)定系數(shù)，配套的通用設(shè)備精密電阻箱還可以用于數(shù)據(jù)異常時(shí)查找問題。

5 SCXI-1 5 2 0 與SCXI-1 1 0 2 C測應(yīng)變量數(shù)據(jù)比對

5.1 現(xiàn)用通過標(biāo)定系數(shù)計(jì)算得到應(yīng)變方式對比 使用精密電阻箱對SCXI-1520進(jìn)行系數(shù)標(biāo)定法計(jì)算得應(yīng)變，與SCXI-1102C結(jié)合自研應(yīng)變調(diào)理箱進(jìn)行系數(shù)標(biāo)定后測得數(shù)據(jù)進(jìn)行比對。

線阻為0時(shí)，SCXI-1520測量方式與SCXI-1102C測量方式對比數(shù)據(jù)如表2所示：

表2

通過上表可以看出，SCXI-1520測應(yīng)變與SCXI-1102C測應(yīng)變最大差值為1.8%。

5.2 模擬不同的線纜長度通過SCXI-1520模塊進(jìn)行系數(shù)標(biāo)定后獲得應(yīng)變量 使用精密電阻箱對SCXI-1520進(jìn)行系數(shù)標(biāo)定后測試應(yīng)變，模擬不同的線纜長度(RL)條件下獲得應(yīng)變量進(jìn)行比對，比對數(shù)據(jù)如表3所示：

表3

R4=120.5 1534.7149 1534.0900 1530.5558 1526.5783 1526.2734 1530.4425 0.2792% 0.2383% 0.0074% -0.2525%-0.2724%R4=120.7 2299.9750 2298.9914 2294.0681 2288.0367 2287.7300 2293.7602 0.2709% 0.2281% 0.0134% -0.2495%-0.2629%R4=120.9 3062.8969 3062.4003 3055.6701 3048.0348 3047.4163 3055.2837 0.2492% 0.2329% 0.0126% -0.2373%-0.2575%R4=121.1 3825.6839 3825.0688 3817.2542 3804.9093 3803.9652 3815.3763 0.2702% 0.2540% 0.0492% -0.2743%-0.2991%R4=121.3 4583.9753 4583.3597 4574.0096 4563.1884 4561.8879 4573.2842 0.2338% 0.2203% 0.0159% -0.2208%-0.2492%R4=121.5 5344.1303 5343.5913 5333.3161 5320.4643 5319.3926 5332.1789 0.2241% 0.2140% 0.0213% -0.2197%-0.2398%R4=121.7 6102.6304 6102.2496 6090.9559 6076.3624 6075.3500 6089.5097 0.2155% 0.2092% 0.0237% -0.2159%-0.2325%

通過上表可以看出，不同線纜長度時(shí)對于SCXI-1520測試應(yīng)變結(jié)果最大影響不超過0.4%。

5.3 對于SCXI-1520以三種不同方式直接或間接獲得應(yīng)變量 通過標(biāo)定系數(shù)方式測量應(yīng)變(傳統(tǒng)方式)、調(diào)用內(nèi)部函數(shù)直接獲得應(yīng)變量以及通過測量橋路電壓，通過理論計(jì)算獲得應(yīng)變量三種方式數(shù)據(jù)對比，比對數(shù)據(jù)如表4所示：

測試條件：線阻為20.1歐姆(考慮)

R4為應(yīng)變片初始阻值，取常用值120.1歐姆計(jì)算，所有變化量均扣除初始值。

表4 對應(yīng)應(yīng)變量范圍

通過上表可以看出，最大偏差不超過0.6%。

6 結(jié)論

通過上述幾組數(shù)據(jù)的比對，包括對SCXI-1520模塊三種不同方式測應(yīng)變量，不同線阻條件下SCXI-1520模塊測得應(yīng)變量以及SCXI-1520與SCXI-1102模塊同樣使用標(biāo)定系數(shù)計(jì)算應(yīng)變量等多組數(shù)據(jù)，三線制接法測應(yīng)變無需考慮線阻大小，選用SCXI-1520模塊無論是多種方式測應(yīng)變量，還是和現(xiàn)用SCXI-1102模塊同樣采用標(biāo)定獲得系數(shù)方式計(jì)算實(shí)測應(yīng)變量，測得數(shù)據(jù)最大偏差為1.8%，完全滿足測試要求。