普源精電（RIGOL）多通道材料應力測量系統

引言

材料是人類(lèi)賴(lài)以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎。20世紀70年代，人們把信息、材料和能源作為社會(huì )文明的支柱。而到現代社會(huì )，材料已成為國民經(jīng)濟建設、國防建設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(lài)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，都對當時(shí)新材料的出現和發(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)生的應變、應力、強度、剛度、穩定性等，從而達到控制產(chǎn)品質(zhì)量的目的。在接下來(lái)的文章中我們就陸續為大家介紹普源精電科技股份有限公司（RIGOL）產(chǎn)品在材料應力檢測過(guò)程中的應用案例。

圖一  經(jīng)典應力裂紋

應力測試

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

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

應力測試的方法有以下幾類(lèi)：

■   電阻應變測量法：利用電阻應變計測量應力；

■   光彈性方法：利用光的彈性效應測量應力；

■   X射線(xiàn)衍射法：利用X光的衍射現象來(lái)測量應力；

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

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

圖二 金屬電阻應變片的結構

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

在測試時(shí)，將應變片固定在被測試件的表面上，隨著(zhù)試件受力變形，應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，如圖三為應變片在金屬伸縮時(shí)電阻值變化原理。通過(guò)一定測量線(xiàn)路將這種電阻變化通過(guò)儀表記錄下來(lái)，就能知道被測試件應變量的大小。

圖三 應變片在金屬伸縮時(shí)電阻值變化原理

測試挑戰

在電阻測量應變的場(chǎng)景中，直接用萬(wàn)用表配合應變片進(jìn)行測量無(wú)疑是最簡(jiǎn)單的，萬(wàn)用表本身兼具電壓、電流、電阻等常規物理量的測量，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(wàn)用表測試應變片電阻。

圖五 萬(wàn)用表測電阻示意圖

應力應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(guò)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(wàn)用表只能進(jìn)行一項測試，如果應變片的數量較多，那就得為每一個(gè)應變片配置一臺測量萬(wàn)用表，如圖6所示。

并且在實(shí)際測量場(chǎng)景中，如果想要進(jìn)行數據匯總，萬(wàn)用表雖然本身支持程控數據遠程讀取，但復數臺的萬(wàn)用表一臺臺讀取無(wú)疑也會(huì )給數據匯總帶來(lái)困難。

圖六 萬(wàn)用表測應變方法

因此萬(wàn)用表直接測量應變方法的缺點(diǎn)如下：

●   多點(diǎn)位測量時(shí)儀器成本高

●   測試數據匯總困難，效率低

解決方案

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

圖七 RIGOL-160路應力測試方案結構圖

該系統的主要構成如下：

DM3068萬(wàn)用表為測量單元：該設備在1MΩ及以下的電阻測量上的精度達到0.012%，有效確保測試數據的精確性和可靠性；

M300+測量板卡：M300是RIGOL推出的數據采集和矩陣開(kāi)關(guān)系統，該設備單機可以配置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，單機最多擴展160通道；

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

接線(xiàn)盒：用于將DUT的測試線(xiàn)連接至M300開(kāi)關(guān)卡

圖八 接線(xiàn)盒和模擬總線(xiàn)連接器

該方案的優(yōu)點(diǎn)如下：

2  系統構成簡(jiǎn)單方便易用

M300測量系統采用了多種方便多通道測量場(chǎng)景的軟硬件設計：接線(xiàn)盒的設計使得工程師在連接DUT的時(shí)候，可以避免拆卸機器，直接在小小的接線(xiàn)盒中操作，更換線(xiàn)路更加便捷；測試設置中，可以自定義公式，可以直接將測量的應力結果，根據應變計算公式換算為應變值，每個(gè)通道設置好后，可以直接復制到其他通道或者整個(gè)板卡

圖九 M300通道復制和公式編輯功能

2  單路成本極低

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

圖十 32通道卡示意圖

2  數據分析管理方便

系統的所有測試數據均取自于每套系統的單臺DM3068或者MC3065萬(wàn)用表（卡）上，系統標配的軟件即可完美的將數據導出并分類(lèi)分析；對系統做軟件二次開(kāi)發(fā)，也只需要最多控制倆臺設備，避免因為多設備控制造成的混亂。

圖十一 某20通道應力測試結果

小結

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

搭配熱電偶用于監控材料或者電路板元器件溫度

傳感器生產(chǎn)過(guò)程中，直接用于傳感器曲線(xiàn)測定

LED檢測中心，用于批量LED電量壽命檢測等