普源精電（RIGOL）多通道材料應(yīng)力測量系統(tǒng)

引言

材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。20世紀(jì)70年代，人們把信息、材料和能源作為社會文明的支柱。而到現(xiàn)代社會，材料已成為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防建設(shè)和人民生活的重要組成部分。

材料科學(xué)的發(fā)展在很大程度上依賴于檢測技術(shù)的提高。每一種新儀器和測試手段的發(fā)明創(chuàng)造，都對當(dāng)時(shí)新材料的出現(xiàn)和發(fā)展起到了促進(jìn)作用。檢測技術(shù)同時(shí)又是控制材料工藝流程和產(chǎn)品質(zhì)量的主要手段，使用傳感器，利用物理、化學(xué)或生物原理探究材料在各種外力作用下產(chǎn)生的應(yīng)變、應(yīng)力、強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等，從而達(dá)到控制產(chǎn)品質(zhì)量的目的。在接下來的文章中我們就陸續(xù)為大家介紹普源精電科技股份有限公司（RIGOL）產(chǎn)品在材料應(yīng)力檢測過程中的應(yīng)用案例。

圖一  經(jīng)典應(yīng)力裂紋

應(yīng)力測試

材料力學(xué)是研究材料力學(xué)性能及其變形規(guī)律的學(xué)科，而應(yīng)變應(yīng)力則是材料力學(xué)中的重要概念。應(yīng)變是材料在受到外力作用下產(chǎn)生的形變量，而應(yīng)力則是材料單位面積上的內(nèi)力。應(yīng)變應(yīng)力的研究對于材料的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用具有重要意義。

此外，應(yīng)力測試在建筑學(xué)中也是一個(gè)必不可少的過程。在這里應(yīng)力測試一般是指在建構(gòu)筑物施工過程中，如鋼結(jié)構(gòu)安裝、卸載、改造、加固，混凝土澆筑等過程，采用監(jiān)測儀器對受力結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化進(jìn)行監(jiān)測的技術(shù)手段，在監(jiān)測值接近控制值時(shí)發(fā)出報(bào)警，用來保證施工的安全性，也可用于檢查施工過程是否合理。

應(yīng)力測試的方法有以下幾類：

■   電阻應(yīng)變測量法：利用電阻應(yīng)變計(jì)測量應(yīng)力；

■   光彈性方法：利用光的彈性效應(yīng)測量應(yīng)力；

■   X射線衍射法：利用X光的衍射現(xiàn)象來測量應(yīng)力；

■   超聲法：利用超聲波在材料中的傳播特性來推斷應(yīng)力狀態(tài)。

其中電阻應(yīng)變測量法由于實(shí)施簡單，成本低廉，距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，是最廣泛的應(yīng)力測量方法。

圖二 金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)

電阻應(yīng)變片的基本構(gòu)造如圖二，它一般由敏感柵、基片、引線、蓋片等組成。敏感柵由高電阻系數(shù)的細(xì)絲彎曲而成柵狀，將其用粘合劑固定在基底上，而基片的作用是保證將構(gòu)件上應(yīng)變準(zhǔn)確地傳遞到敏感柵上去。

在測試時(shí)，將應(yīng)變片固定在被測試件的表面上，隨著試件受力變形，應(yīng)變片的敏感柵也獲得同樣的變形，從而使其電阻隨之發(fā)生變化，如圖三為應(yīng)變片在金屬伸縮時(shí)電阻值變化原理。通過一定測量線路將這種電阻變化通過儀表記錄下來，就能知道被測試件應(yīng)變量的大小。

圖三 應(yīng)變片在金屬伸縮時(shí)電阻值變化原理

測試挑戰(zhàn)

在電阻測量應(yīng)變的場景中，直接用萬用表配合應(yīng)變片進(jìn)行測量無疑是最簡單的，萬用表本身兼具電壓、電流、電阻等常規(guī)物理量的測量，且本身還能自定義傳感器，進(jìn)一步方便測試。如圖5所示，可以直接用萬用表測試應(yīng)變片電阻。

圖五 萬用表測電阻示意圖

應(yīng)力應(yīng)變的測量往往是需要多個(gè)測試點(diǎn)同時(shí)測量，特別是建筑過程中更是需要成百上千個(gè)測試點(diǎn)進(jìn)行分布式測量。而由于一臺萬用表只能進(jìn)行一項(xiàng)測試，如果應(yīng)變片的數(shù)量較多，那就得為每一個(gè)應(yīng)變片配置一臺測量萬用表，如圖6所示。

并且在實(shí)際測量場景中，如果想要進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總，萬用表雖然本身支持程控?cái)?shù)據(jù)遠(yuǎn)程讀取，但復(fù)數(shù)臺的萬用表一臺臺讀取無疑也會給數(shù)據(jù)匯總帶來困難。

圖六 萬用表測應(yīng)變方法

因此萬用表直接測量應(yīng)變方法的缺點(diǎn)如下：

●   多點(diǎn)位測量時(shí)儀器成本高

●   測試數(shù)據(jù)匯總困難，效率低

解決方案

為了解決上述問題，RIGOL推出了以矩陣開關(guān)系統(tǒng)M300為核心的解決方案。該方案單套系統(tǒng)最多可以集成160個(gè)應(yīng)變電阻測量通道，系統(tǒng)組成如下圖：

圖七 RIGOL-160路應(yīng)力測試方案結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)的主要構(gòu)成如下：

DM3068萬用表為測量單元：該設(shè)備在1MΩ及以下的電阻測量上的精度達(dá)到0.012%，有效確保測試數(shù)據(jù)的精確性和可靠性；

M300+測量板卡：M300是RIGOL推出的數(shù)據(jù)采集和矩陣開關(guān)系統(tǒng)，該設(shè)備單機(jī)可以配置5塊64通道單端或者32通道差分的通道切換卡，此方案中為了提高精度，采用差分通道測量，單機(jī)最多擴(kuò)展160通道；

模擬總線連接器：用于連接M300和DM3068，將M300連接的DUT直接轉(zhuǎn)接于DM3068的輸入端；

接線盒：用于將DUT的測試線連接至M300開關(guān)卡

圖八 接線盒和模擬總線連接器

該方案的優(yōu)點(diǎn)如下：

2  系統(tǒng)構(gòu)成簡單方便易用

M300測量系統(tǒng)采用了多種方便多通道測量場景的軟硬件設(shè)計(jì)：接線盒的設(shè)計(jì)使得工程師在連接DUT的時(shí)候，可以避免拆卸機(jī)器，直接在小小的接線盒中操作，更換線路更加便捷；測試設(shè)置中，可以自定義公式，可以直接將測量的應(yīng)力結(jié)果，根據(jù)應(yīng)變計(jì)算公式換算為應(yīng)變值，每個(gè)通道設(shè)置好后，可以直接復(fù)制到其他通道或者整個(gè)板卡

圖九 M300通道復(fù)制和公式編輯功能

2  單路成本極低

系統(tǒng)最小配置為20通道測量，20通道增加到160通道的每通道擴(kuò)展成本低于RMB200元，相對于動輒幾十萬的測量設(shè)備而言，幾乎可以忽略不計(jì)。

圖十 32通道卡示意圖

2  數(shù)據(jù)分析管理方便

系統(tǒng)的所有測試數(shù)據(jù)均取自于每套系統(tǒng)的單臺DM3068或者MC3065萬用表（卡）上，系統(tǒng)標(biāo)配的軟件即可完美的將數(shù)據(jù)導(dǎo)出并分類分析；對系統(tǒng)做軟件二次開發(fā)，也只需要最多控制倆臺設(shè)備，避免因?yàn)槎嘣O(shè)備控制造成的混亂。

圖十一 某20通道應(yīng)力測試結(jié)果

小結(jié)

普源精電（RIGOL） M300應(yīng)力測量系統(tǒng)不僅適用于測試材料應(yīng)力等參數(shù)，配置不同傳感器和測量單元后，該系統(tǒng)可以適用于眾多需要分布式測量或者批量測量的應(yīng)用場景，如：

搭配熱電偶用于監(jiān)控材料或者電路板元器件溫度

傳感器生產(chǎn)過程中，直接用于傳感器曲線測定

LED檢測中心，用于批量LED電量壽命檢測等