连接应变计至DAQ设备

本节内容包含

事前准备

本文档主要介绍连接和配置DAQ设备进行应变计测量的详细步骤。使用NI DAQ硬件设备前,请确保已安装应用程序开发环境和NI-DAQmx驱动程序。详细信息,请参阅安装LabVIEW和NI-DAQmx

应变测量基础

应变计的电阻与设备的应变存在比例关系。通过应变计和信号调理可测量应变。对与应变计连接的设备施加力,通过测量电阻(Ω)变化可获得应变值。应变计对不同材料的挤压和振动将返回不同的电压值。应变计电阻的变化表示材料的形变。对于电压测量,应变计需要激励(通常为电压激励)和线性化。

通常,应变测量的值以µε为单位。因此,应变测量需要准确测量电阻非常微小的变化。例如,如测量样本的实际应变为500 µε,则应变计因子为2的应变计可检测的电阻变化为2 × (500 × 10 -6 ) = 0.1%。对于120 Ω的电阻,变化值为0.12 Ω。

惠斯通电桥

要测量电阻的微小变化和补偿温度变化,应变计通常使用带有电压或电流激励源的惠斯通电桥。常见的惠斯通电桥由四个相互连接的电桥臂和激励电压VEX组成。一个或一个以上的电桥臂为有效传感元素。

图1. 惠斯通电桥

惠斯通电桥等价于两个并联的电压驱动器电路。R1和R2为一个电压驱动器电路,R3和R4为另一个电压驱动器电路。惠斯通电桥的输出为电压驱动器中间点之间的电压。

物理现象(例如,温度变化或样本的应变)可改变惠斯通电桥中传感元素的阻值。惠斯通电桥配置可测量由样本物理变化引起的传感元素阻值的微小变化。

应变计因子

应变计最重要的参数为应变计因子,用于表示应变灵敏度。应变计因子是电阻变化与长度变化/应变的比值。电桥中的每个应变计都必须具有相同的应变计因子。

金属应变计的应变计因子通常约为2。通过传感器厂商或相关文档可获取应变计的实际应变计因子。

额定应变计电阻

额定应变计电阻是应变计处于非应变状态时的电阻。通过传感器厂商或相关文档可获取应变计的额定应变计电阻。各电桥臂的电阻必须与电桥处于非应变状态时的电阻相同。举例来说,如有2个应变计和2个参考电阻,应变计的额定电阻必须相同,参考电阻的阻值也必须与应变计的额定电阻相同。

应变计类型

应变计按惠斯通桥配置,指惠斯通电桥中的有效元素总和。应变计配置有以下三种:1/4桥、半桥和全桥配置。通过惠斯通电桥中的有效元素数量即可判定电桥配置的类型,您可测量轴向应变和弯曲应变。

 配置
有效元素数量
 1/4桥
1
 半桥
2
 全桥
4

表1. 应变计配置

NI-DAQmx应变虚拟通道使用下列公式将电压换算为应变。

Vr = (VCH / VEX)应变后 – (VCH / VEX)未应变

其中,VEX为激励电压,VCH为测量到的电压。

1/4桥(类型I)

下图为使用1/4桥(类型I)配置测量轴向应变和弯曲应变时应变计电阻的位置。

图2. 1/4桥(类型I)配置

1/4桥(类型I)的应变计配置具有下列特点:

  • 单个有效应变计元素位于轴向或弯曲应变的主方向。
  • 是在一个半桥电路中增加了一个无效1/4桥构成电阻,又称虚电阻。
  • 温度变化会降低测量精度。
  • 1000 µε时的灵敏度为~0.5 mVout/ VEX输入。

图3. 1/4桥(类型I)电路图

图3电路图中的符号意思如下:

  • R1是半桥构成电阻。
  • R2是半桥构成电阻。
  • R3是1/4桥构成电阻,又称虚电阻。
  • R4是用于测量伸展应变(+ε)的有效应变计元素。
  • VEX是激励电压。
  • RL是导线电阻。
  • VCH是测量到的电压。

1/4桥(类型II)

下图为使用1/4桥(类型II)配置测量轴向应变和弯曲应变时应变计电阻的位置。

图4. 1/4桥(类型II)配置

1/4桥(类型II)的应变计配置具有下列特点:

  • 具有一个有效应变计元素和一个无效的温度传感1/4桥元素(又称为虚电阻)。有效元素位于轴向或弯曲应变的方向。虚电阻位于应变样本附近,但并未连接至应变样本,通常垂直于主要的轴向应变方向。该配置常被误认为是半桥(类型I)配置,但在半桥(类型I)配置中,R3为有效元素且连接至应变样本,用于测量泊松比效应。
  • 电阻共同构成了一个半桥结构。
  • 可补偿温度。
  • 1000 µε时的灵敏度为~0.5 mVout/ VEX输入。

图5. 1/4桥(类型II)的电路图

电路图中的符号含义如下:

  • R1是半桥构成电阻。
  • R2是半桥构成电阻。
  • R3是1/4桥的温度传感元素,称为虚电阻。
  • R4是用于测量伸展应变(+ε)的有效应变计元素。
  • VEX是激励电压。
  • RL是导线电阻。
  • VCH是测量到的电压。

半桥类型I

下图为使用半桥(类型I)配置测量轴向应变和弯曲应变时应变计电阻的位置。

图6. 半桥(类型I)配置

半桥(类型I)的应变计配置具有下列特点:

  • 具有两个有效应变计元素,一个位于轴向应变方向,另一个垂直于主要的轴向应变方向,用作测量泊松应变。
  • 桥构成电阻提供了一个半桥结构。
  • 可测量轴向和弯曲应变。
  • 可补偿温度。
  • 对主应变测量总效应的补偿由材料的泊松比确定。
  • 1000 µε时的灵敏度为~0.65 mVout/ VEX输入。

图7. 半桥(类型I)的电路图

电路图中的符号含义如下:

  • R1是半桥构成电阻。
  • R2是半桥构成电阻。
  • R3是有效应变计元素,用于测量泊松效应(-ε)导致的收缩。
  • R4是用于测量伸展应变(+ε)的有效应变计元素。
  • VEX是激励电压。
  • RL是导线电阻。
  • VCH是测量到的电压。

半桥(类型II)

半桥(类型II)配置仅适用于测量弯曲应变。下图为使用半桥(类型II)配置测量弯曲应变时的应变计电阻位置:

图8. 半桥(类型II)配置

半桥(类型II)的应变计配置具有下列特点:

  • 两个有效应变计元素分别位于应变样本顶部的轴向应变方向,以及应变样本底部的轴向应变方向。
  • 桥构成电阻提供了一个半桥结构。
  • 可测量弯曲应变。
  • 不可测量轴向应变。
  • 可补偿温度。
  • 1000 µε时的灵敏度为~1 mVout/ VEX输入。

图9. 半桥(类型II)的电路图

电路图中的符号含义如下:

  • R1是半桥构成电阻。
  • R2是半桥构成电阻。
  • R3是用于测量收缩应变(–ε)的有效应变计元素。
  • R4是用于测量伸展应变(+ε)的有效应变计电阻。
  • VEX是激励电压。
  • RL是导线电阻。
  • VCH是测量到的电压。

全桥(类型I)

全桥(类型I)配置仅适用于测量弯曲应变。下图为使用全桥(类型I)配置测量弯曲应变时应变计电阻位置:

图10. 全桥(类型I)配置

全桥(类型I)的应变计配置具有下列特点:

  • 拥有四个有效应变计元素;两个位于应变样本顶部的弯曲应变方向,两个位于应变样本底部的弯曲应变方向。
  • 可精确地测量弯曲应变。
  • 不可测量轴向应变。
  • 可补偿温度。
  • 可补偿导线电阻对测量产生的影响。
  • 1000 µε时的灵敏度为~2.0 mVout/ VEX输入。

图11. 全桥(类型I)的电路图

电路图中的符号含义如下:

  • R1是用于测量收缩应变(–ε)的有效应变计元素。
  • R2是用于测量伸展应变(+ε)的有效应变计元素。
  • R3是用于测量收缩应变(–ε)的有效应变计元素。
  • R4是用于测量伸展应变(+ε)的有效应变计元素。
  • VEX是激励电压。
  • RL是导线电阻。
  • VCH是测量到的电压。

全桥(类型II)

全桥(类型II)配置仅适用于测量弯曲应变。下图为使用全桥(类型II)测量弯曲应变时的应变计元素:

图12. 全桥(类型II)配置

全桥(类型II)的应变计配置具有下列特点:

  • 拥有四个有效应变计元素。两个位于弯曲应变方向,一个位于应变样本的顶部,一个位于应变计样本的底部。另外两个用作泊松应变计,垂直于主要的轴向应变方向,一个位于应变样本的顶部,一个位于应变计样本的底部。
  • 不可测量轴向应变。
  • 可补偿温度。
  • 对主应变测量总效应的补偿由材料的泊松比确定。
  • 可补偿导线电阻对测量产生的影响。
  • 1000 µε时的灵敏度为~1.3 mVout/ VEX输入。

图13. 全桥(类型II)的电路图

电路图中的符号含义如下:

  • R1是用于测量收缩泊松效应(-ε)的有效应变计元素。
  • R2是用于测量伸展泊松效应(+ε)的有效应变计元素。
  • R3是用于测量收缩应变(–ε)的有效应变计元素。
  • R4是用于测量伸展应变(+ε)的有效应变计元素。
  • VEX是激励电压。
  • RL是导线电阻。
  • VCH是测量到的电压。

全桥(类型III)

下图为使用全桥(类型III)配置测量轴向应变的应变计电阻位置:全桥(类型III)配置仅适用于测量轴向应变。

图14. 全桥(类型III)配置

全桥(类型III)的应变计配置具有下列特性:

  • 拥有四个有效应变计元素。两个位于轴向应变方向,一个位于应变样本的顶部,一个位于应变计样本的底部。另外两个用作泊松应变计,垂直于主要的轴向应变方向,一个位于应变样本的顶部,一个位于应变计样本的底部。
  • 可补偿温度。
  • 不能测量弯曲应变。
  • 对主应变测量总效应的补偿由材料的泊松比确定。
  • 可补偿导线电阻对测量产生的影响。
  • 1000 µε时的灵敏度为~1.3 mVout/ VEX输入。

图15. 全桥(类型III)的电路图

电路图中的符号含义如下:

  • R1是用于测量收缩泊松效应(-ε)的有效应变计元素。
  • R2是用于测量伸展应变(+ε)的有效应变计元素。
  • R3是用于测量收缩泊松效应(-ε)的有效应变计元素。
  • R4是用于测量伸展应变(+ε)的有效应变计元素。
  • VEX是激励电压。
  • RL是导线电阻。
  • VCH是测量到的电压。

应变计的信号调理要求

应变计常见的信号调理要求有:桥构成、桥激励、激励感应、信号放大、偏移清零、分流校准和线性化。考虑到应变计及所测量材料物理特性的改变、导线阻值的变化和对测试系统缺陷的补偿,应对传感器进行周期性校准。校准应变计通常包括两个步骤:偏移清零/电桥平衡和分流校准/增益调整。

桥构成

除非使用的是全桥应变计传感器,其他类型的应变计必须使用参考电阻构成完整桥结构。因此,应变计DAQ设备通常包含由两个高精度参考电阻组成的半桥结构。对于这两个桥构成电阻而言,其额定电阻是否一致远比其具体阻值是多少更为重要。理想情况下,两个阻值相同的电阻可为测量通道的负极输入导线提供稳定的参考电压VEX/2。此外,桥构成电阻的阻值越高,由激励电压导致的电流牵引就越小。

电桥激励

应变计DAQ设备通常会为电桥提供一个恒定的电压。虽然业界尚未形成激励电压的统一标准,激励电压通常为3 V至10 V。

激励电压补偿

如电桥电路远离DAQ设备和激励源,连接激励源和电桥的导线的阻值产生的电压降可能会导致误差。因此,部分DAQ设备包含负载端电压采样功能,用于补偿该误差。通常有两种负载端电压采样方法。一种方法是另外连接负载端采样线至激励电压连接电桥电路的位置。该采样线用于调节激励源、补偿导线上的电压损失,并为电桥提供所需电压。另一种方法是使用单独的测量通道,直接测量电桥两端的激励电压。由于测量通道导线上的电流极小,导线电阻对测量的影响可忽略不计。然后可通过电压至应变转换中测量的激励电压来补偿导线上的电压损失。

信号放大

应变计和电桥的输出值相对较小。实际应用中,绝大多数应变计电桥和基于应变计的传感器的输出值都小于10 mV/V(激励电压为1 V时的输出值为10 mV)。因此,应变计DAQ设备通常包含放大器,用于放大信号电平,提高测量精度和信噪比。

偏移清零(电桥平衡)

安装应变计时,即使没有应变时,应变计的输出可能也不为0 V。对电桥桥臂的微小改动可导致初始的偏移电压不为零。测量系统可用几种不同的方式来处理这个初始偏移电压。

软件补偿

该方法通过在软件中补偿初始桥电压来平衡电桥。该方法要求在应变输入前进行一次初始测量,获得一个初始电压,用于之后应变的计算。该方法简单快速,无需手动调整。该方法的缺点是无法从根本上消除电桥偏移。如偏移足够大,将会限制输出电压上的放大器增益,从而限制测量的动态范围。

偏移清零(电路)

该方法通过可调节电阻或电位计调整电桥的输出为0 V。

硬件清零补偿

该方法同样无法从根本上消除电桥偏移。清零电路通过为放大器的输出添加可调节的DC电压(正值或负值),来补偿初始电压偏移。关于具体DAQ设备的偏移清零方法,请参阅设备文档。

分流校准(增益调整)

如应变计上的物理应变已知,可通过比较测量到的应变和计算出的应变值来检验应变测量系统的输出。计算值和测量值之间的差值即可作为测量的增益调整因子。如不知道应变测量中的所有参数值,可为应变计并联一个较大的阻值已知的电阻来仿真一个机械应变。该电阻称为分流电阻,用于抵消电桥的零电压值偏移。由于分流电阻的阻值已知,可计算出由机械应变引起的电阻电压降。然后将计算值与应变计输出的实际电压值进行比较,两者之差即为测量的增益调整因子(校准因子)。

找出DAQ设备的引脚分布

连接信号前,请先了解设备的引脚分布。

  1. 打开Measurement & Automation Explorer (MAX),展开“设备和接口”。
  2. 右键单击设备名称,选择“设备引脚”。

图16. 设备引脚帮助

配置应变测量

通过MAX,您可快速验证测量系统的精度。使用NI-DAQmx的全局虚拟通道可在不编程的情况下配置应变测量任务。虚拟通道是NI-DAQmx驱动构架的一个概念,它表示包括名称、物理通道、输入端连接、信号测量或生成的类型以及换算信息在内的一组属性设置。

请按照下列步骤进行操作:
  1. 在MAX中,右键单击“数据邻居”并选择“新建”。
  2. 选择“NI-DAQmx全局虚拟通道”,并单击“下一步”。
  3. 选择“采集信号»模拟输入»应变”。

图17. 创建NI-DAQmx虚拟通道

  1. 选择通道ai0或其他连接应变计的物理通道。物理通道指测量和产生模拟信号或数字信号的接线端或引脚。一个物理通道可能包括一个以上的接线端或引脚,例如差分输入通道就是如此。

图18. 设备物理通道

  1. 单击“下一步”,输入全局虚拟通道的名称或使用默认名称。
  2. 单击“完成”,即可在MAX中看到以下屏幕:

图19. 在MAX中设置应变通道

  1. 在设置选项卡中输入应变计的最大应变值和最小应变值(默认值为-1m至1m)。
  2. 根据传感器规格和“应变测量基础”部分的信息,配置“应变计因子”、“应变计电阻”、“初始电压”、“VEX源”、“VEX值(V)”、“导线电阻”,以及“应变配置”。

连接应变计至设备

接下来,请将应变计实际连接至DAQ设备。

  1. 单击MAX中的“连线”选项卡。

图20. 应变计连线图

连线图显示了根据所选的物理通道应连接DAQ设备的哪些引脚。本例为全桥(类型I)配置,使用了引脚 2、3、6和7,分别对应于NI 9237 C系列模块上的AI+、AI-、EX+和EX-。

应变计校准

配置应变计测量任务时,可使用应变计校准向导校准应变计。按照下列步骤,校准应变计:

图21. 应变计校准向导

  1. 选择“设备”选显卡,单击“校准”打开“应变计校准向导”。
  2. 完成设置硬件窗口的各个步骤。您可配置下列设置:
    1. 启用偏移量清零—选择该选项开始偏移量清零校准流程。
    2. 启用分流校准—选择该选项开始分流校准流程。选择后需进行下列配置:
      1. 分流电阻值—指定分流电阻的实际阻值。默认值是分流电阻的出厂阻值。为达到最佳精度,可使用6½数字万用表测量整个分流校准电路的电阻,同时需打开分流开关并连接所有导线。这种方法可补偿分流启用开关的电阻和较长导线的导线电阻,提高测量精度。不过,因为分流电阻阻值很大,上述电阻不会明显影响测量精度。
      2. 分流电阻位置—指定分流电阻连接至惠斯通电桥的位置。关于R1、R2、R3和R4的相对位置,请参阅设置硬件窗口的示意图。
  3. 单击“下一步”。

图22. 测量和校准窗口

  1. 请使用测量和校准窗口,测量并校准应变计。软件将自动进行第一次测量,并在表格中显示结果。表格包含下列信息:
    1. 通道信息
      1. 通道名称—进行应变计校准的虚拟通道的名称。
      2. 物理通道—连接应变计的物理通道。
    2. 偏移调整—该部分显示偏移错误,以进一步确定是否需要进行偏移清零校准。如要进行分流校准,请进行偏移清零校准。
      1. 测量值(应变)—测得的应变值,单位与应变相同。通常该值应接近于零。
      2. 误差(%) —偏移量误差百分比,由此等式决定:误差 (%) = [(偏移量 * 100) / (最大应变范围值最小应变范围值)],其中最大应变范围值最小应变范围值是虚拟通道指定的最大和最小应变范围。
      3. 增益调节—显示增益误差的相关值以及分流校准步骤:
        1. 仿真值(应变)—仿真应变值取决于硬件设置和分流电阻值。
        2. 测量值(应变)—测得的应变值。通常该值应接近于仿真应变值。
        3. 增益调整值—增益调整值。该值是分流校准的最终结果,用于在本通道上对应变测量值的换算。该值通常接近于1,表示测量值等于仿真值。通道将增益调整值保存为AI.Bridge.ShuntCal.GainAdjust属性。
        4. 误差(%)—增益误差百分比,由此等式决定:误差 (%) = (测得值 – 仿真值) x 100 / (最大值最小值),其中最大值最小值是虚拟通道指定的最大和最小应变范围。
      4. 测量及校准时可使用下列按钮:
        1. 单击“测量”,使用前次应变计运行时所得的偏移量和分流校准数据进行初步测量。
        2. 单击“重置”,重置偏移量和分离校准数据,并使用默认值进行测量。
        3. 单击“校准”,执行偏移量或分流校准流程。测量结果将在表格中显示。
      5. 完成后单击“完成”。校准数据被保存为虚拟通道的一部分。成功后,此后在该虚拟通道换算电压为应变时将自动套用校准得出的数据。

测试信号

NI-DAQmx全局虚拟通道可预览测量结果。

  1. 在MAX中单击“NI-DAQmx全局通道”选项卡,然后单击“运行”按钮。测得应变值将在窗口顶部显示。

图23. 在MAX中预览应变测量

在“显示类型”下拉菜单中,您可选择通过表格或图表预览。此外,您也可保存NI-DAQmx全局虚拟通道的配置以供未来参考。

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