引言

材料是人類賴以生存和發展的物質基礎。20世紀70年代，人們把信息、材料和能源作為社會文明的支柱。而到現代社會，材料已成為國民經濟建設、國防建設和人民生活的重要組成部分。

材料科學的發展在很大程度上依賴于檢測技術的提高。每一種新儀器和測試手段的發明創造，都對當時新材料的出現和發展起到了促進作用。檢測技術同時又是控制材料工藝流程和產品質量的主要手段，使用傳感器，利用物理、化學或生物原理探究材料在各種外力作用下產生的應變、應力、強度、剛度、穩定性等，從而達到控制產品質量的目的。在接下來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）產品在材料應力檢測過程中的應用案例。

 

圖一 經典應力裂紋

應力測試

材料力學是研究材料力學性能及其變形規律的學科，而應變應力則是材料力學中的重要概念。應變是材料在受到外力作用下產生的形變量，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，應力測試在建筑學中也是一個必不可少的過程。在這里應力測試一般是指在建構筑物施工過程中，如鋼結構安裝、卸載、改造、加固，混凝土澆筑等過程，采用監測儀器對受力結構的應力變化進行監測的技術手段，在監測值接近控制值時發出報警，用來保證施工的安全性，也可用于檢查施工過程是否合理。

應力測試的方法有以下幾類：

?  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射線衍射法：利用X光的衍射現象來測量應力；

?  超聲法：利用超聲波在材料中的傳播特性來推斷應力狀態。

其中電阻應變測量法由于實施簡單，成本低廉，距離遠等優點，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、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，將應變片固定在被測試件的表面上，隨著試件受力變形，應變片的敏感柵也獲得同樣的變形，從而使其電阻隨之發生變化，如圖三為應變片在金屬伸縮時電阻值變化原理。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變量的大小。

 

圖三 應變片在金屬伸縮時電阻值變化原理

測試挑戰

在電阻測量應變的場景中，直接用萬用表配合應變片進行測量無疑是最簡單的，萬用表本身兼具電壓、電流、電阻等常規物理量的測量，且本身還能自定義傳感器，進一步方便測試。如圖5所示，可以直接用萬用表測試應變片電阻。

  

圖五 萬用表測電阻示意圖

應力應變的測量往往是需要多個測試點同時測量，特別是建筑過程中更是需要成百上千個測試點進行分布式測量。而由于一臺萬用表只能進行一項測試，如果應變片的數量較多，那就得為每一個應變片配置一臺測量萬用表，如圖6所示。

并且在實際測量場景中，如果想要進行數據匯總，萬用表雖然本身支持程控數據遠程讀取，但復數臺的萬用表一臺臺讀取無疑也會給數據匯總帶來困難。

 

圖六 萬用表測應變方法

因此萬用表直接測量應變方法的缺點如下：

?  多點位測量時儀器成本高

?  測試數據匯總困難，效率低

解決方案

為了解決上述問題，RIGOL推出了以矩陣開關系統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關系統，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；

接線盒：用于將DUT的測試線連接至M300開關卡

  

圖八 接線盒和模擬總線連接器

該方案的優點如下：

? 系統構成簡單方便易用

M300測量系統采用了多種方便多通道測量場景的軟硬件設計：接線盒的設計使得工程師在連接DUT的時候，可以避免拆卸機器，直接在小小的接線盒中操作，更換線路更加便捷；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，每個通道設置好后，可以直接復制到其他通道或者整個板卡

 

圖九 M300通道復制和公式編輯功能

? 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，相對于動輒幾十萬的測量設備而言，幾乎可以忽略不計。

圖十 32通道卡示意圖

?  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MC3065萬用表（卡）上，系統標配的軟件即可完美的將數據導出并分類分析；對系統做軟件二次開發，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

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