使用Keithley DAQ6510系统与KickStart软件简化应变计测量

简介

应变计是一种用于监测力变化的电阻装置。

当应变片所附着的物体变形或移动时，应变片也会变形并将机械特性转换为可电测量的信号。

应变传感器在多种应用中都很有价值：

电动汽车驱动系统扭矩测量研究：

与传统内燃机相比，电驱动系统具有明显更高的功率密度。电力驱动系统以更高的速度旋转，并且随着卡车（从乘用车到8级重型卡车）的电气化，其牵引扭矩也会增加。

建筑结构受力分析：

它可用于建筑结构的早期损伤检测，有助于我们更好地了解气候变化和环境因素对建筑的影响。

航空领域承重部件的监测：

应变计安装在航空航天的承重部件上，可用于检测飞行过程中的结构变化。

铁路系统压力监测：

它可用于检测超限压力情况并发出预警，帮助维护团队在问题扩大之前识别并处理潜在的故障点。

本应用笔记将重点介绍应变测量的一些基本原理，并提供一种使这些测量更容易实现的方法。

此外，我们还将展示如何使用Keithley DAQ6510 数据采集和记录万用表系统与KickStart 软件以简化的方式获取应变测量数据。

简化应变计测量

应变测量的典型变化通常不超过几个毫应变，相当于毫欧级的电阻变化。

常见的测量方法是使用惠斯通电桥结构，如图1 所示。

选择电桥中的电阻器，以便当电桥平衡时：

R1/R2=R4/R3，

此时输出电压VO=0。

下式是惠斯通电桥输出电压VO的计算公式。

下例中，电桥平衡情况为：

R2=R3=100，R1=R4=200。

图1：用于应变测量的惠斯通电桥结构示意图。

虽然我们可以用应变片代替R4，使其阻值发生变化，产生非零的输出电压VO，但这种电桥搭建方法比较复杂：

需要电压源

需要两个独立的电压测量通道

需要多个精密电阻

只有这样才能准确计算出最终的应变值。

此外，由于元件数量较多，可能需要电桥平衡、偏移调零或其他信号调节电路。

使用高精度数字万用表（DMM）直接测量应变片的电阻。 6 位数字万用表(DMM) 在测量低电阻器件时可提供极高的精度和分辨率。当电阻值低于100时，可采用四线（开尔文）测量方法来消除测试线电阻带来的误差。其主要缺点是，如果通过多路复用器监控多个设备，四线方法需要的通道数是传统双线电阻方法的两倍。然而，越来越多的应变计制造商开始提供更高电阻的器件，使两线测量更适合应用并增加开关系统的通道容量。

图2 显示了如何根据设备压缩状态和静止状态之间的长度差来计算应变。

应变定义为：应变=（长度变化）/（无应力时的原始长度）

图2：通过比较设备的受压状态和静止状态来计算应变。

制造商通常为其应变仪设备提供一个应变系数（GF），用于表示设备对应变的敏感度。公式如下，其中R为电阻值：

为了找到应变，公式可以转换为：

由于器件的GF已知，并且可以通过初始测量获得其在静止状态下的电阻，因此可以利用斜率-截距公式对每个受力状态下测量的电阻值进行应变转换计算。对于截距b，我们使用1/GF（GF的负倒数）作为计算参数：

执行应变测量

下面的例子说明了如何使用：

Keithley DAQ6510 6 位数据采集和记录万用表系统

启动软件

执行应变计测量。

假设：

我们使用具有以下参数的预接线应变仪：

标称电阻：350

规格系数GF：1.93

连接复用卡通道101

当DAQ6510 连接到计算机并且KickStart 软件运行时：

1. 打开Data Logger App（数据记录器应用程序）

选择DAQ6510作为测量仪器

图3：启动数据记录器应用程序。

从功能列表中选择2 线电阻，然后选择应变计连接的通道（通道——101）。在界面的Channel区域（见图4），点击Measure Now即可获取应变片的静态电阻值。

图4：在无应变状态下测量设备将为我们提供用于计算应变的已知因素之一。

使用我们的测量值和制造商指定的GF，计算斜截距系数，如下所示：

选中Math控件展开选项，选择mX+b作为Function，并将上面计算的系数填入相应的输入字段。另请注意，您可以将自定义单位应用于计算结果。使用计算机的数字键盘并按Alt+238，您可以生成代表应变单位的小写希腊字母。

图5：应用数学系数和用户指定的单位。

应用设置后，单击“保存设置”。

为了获得快速测量序列，请将扫描间隔的值更改为0.25 秒。单击运行按钮。

切换到“图表”视图后，您将看到，当您向安装应变计的表面施加张力和压力时，图表会按预期更新，其中Y 轴代表微应变() 级别的测量值。

图6：显示应变测量结果的图表。

总结

Keithley KickStart 软件通过每通道数学函数和自定义单位功能快速实现应变测量自动化。此外，吉时利DAQ6510 6 位数据采集和记录万用表系统可以测量多达80 个两线设备通道上微欧范围内的电阻变化；同样，Keithley 3706A 系列系统开关和多路复用器也可以实现这些测量，但在多达576 个两线通道上提供更高的测量精度。

尽管惠斯通电桥方法非常常见，但使用具有开关功能的高精度数字万用表进行直接电阻测量可以大大简化您的测试设置。当应变片电阻低于100时，可以使用四线电阻测量，但需要更复杂的接线，并且在开关能力方面可用的通道数较少。两线电阻测量可提供更高的通道带宽，并且当应变仪装置的电阻较高时是最佳选择。