普源精电 M300多通道应力测量系统

引言

材料是人类赖以生存和发展的物质基础。20世纪70年代，人们把信息、材料和能源作为社会文明的支柱。而到现代社会，材料已成为国民经济建设、国防建设和人民生活的重要组成部分。

材料科学的发展在很大程度上依赖于检测技术的提高。每一种新仪器和测试手段的发明创造，都对当时新材料的出现和发展起到了促进作用。检测技术同时又是控制材料工艺流程和产品质量的主要手段，使用传感器，利用物理、化学或生物原理探究材料在各种外力作用下产生的应变、应力、强度、刚度、稳定性等，从而达到控制产品质量的目的。在接下来的文章中我们就陆续为大家介绍普源精电科技股份有限公司（RIGOL）产品在材料应力检测过程中的应用案例。

图一 经典应力裂纹

应力测试

材料力学是研究材料力学性能及其变形规律的学科，而应变应力则是材料力学中的重要概念。应变是材料在受到外力作用下产生的形变量，而应力则是材料单位面积上的内力。应变应力的研究对于材料的设计、制造和应用具有重要意义。

此外，应力测试在建筑学中也是一个必不可少的过程。在这里应力测试一般是指在建构筑物施工过程中，如钢结构安装、卸载、改造、加固，混凝土浇筑等过程，采用监测仪器对受力结构的应力变化进行监测的技术手段，在监测值接近控制值时发出报警，用来保证施工的安全性，也可用于检查施工过程是否合理。

应力测试的方法有以下几类：

• 电阻应变测量法：利用电阻应变计测量应力；
• 光弹性方法：利用光的弹性效应测量应力；
• X射线衍射法：利用X光的衍射现象来测量应力；
• 超声法：利用超声波在材料中的传播特性来推断应力状态。

其中电阻应变测量法由于实施简单，成本低廉，距离远等优点，是最广泛的应力测量方法。

 
图二 金属电阻应变片的结构

电阻应变片的基本构造如图二，它一般由敏感栅、基片、引线、盖片等组成。敏感栅由高电阻系数的细丝弯曲而成栅状，将其用粘合剂固定在基底上，而基片的作用是保证将构件上应变准确地传递到敏感栅上去。

在测试时，将应变片固定在被测试件的表面上，随着试件受力变形，应变片的敏感栅也获得同样的变形，从而使其电阻随之发生变化，如图三为应变片在金属伸缩时电阻值变化原理。通过一定测量线路将这种电阻变化通过仪表记录下来，就能知道被测试件应变量的大小。

图三 应变片在金属伸缩时电阻值变化原理

测试挑战

在电阻测量应变的场景中，直接用万用表配合应变片进行测量无疑是最简单的，万用表本身兼具电压、电流、电阻等常规物理量的测量，且本身还能自定义传感器，进一步方便测试。如图5所示，可以直接用万用表测试应变片电阻。

图五 万用表测电阻示意图

应力应变的测量往往是需要多个测试点同时测量，特别是建筑过程中更是需要成百上千个测试点进行分布式测量。而由于一台万用表只能进行一项测试，如果应变片的数量较多，那就得为每一个应变片配置一台测量万用表，如图6所示。

并且在实际测量场景中，如果想要进行数据汇总，万用表虽然本身支持程控数据远程读取，但复数台的万用表一台台读取无疑也会给数据汇总带来困难。

图六 万用表测应变方法

因此万用表直接测量应变方法的缺点如下：

• 多点位测量时仪器成本高；
• 测试数据汇总困难，效率低。

解决方案

为了解决上述问题，RIGOL推出了以矩阵开关系统M300为核心的解决方案。该方案单套系统最多可以集成160个应变电阻测量通道，系统组成如下图：

图七 RIGOL-160路应力测试方案结构图

该系统的主要构成如下：

• DM3068万用表为测量单元：该设备在1MΩ及以下的电阻测量上的精度达到0.012%，有效确保测试数据的精确性和可靠性；
• M300+测量板卡：M300是RIGOL推出的数据采集和矩阵开关系统，该设备单机可以配置5块64通道单端或者32通道差分的通道切换卡，此方案中为了提高精度，采用差分通道测量，单机最多扩展160通道；
• 模拟总线连接器：用于连接M300和DM3068，将M300连接的DUT直接转接于DM3068的输入端；
• 接线盒：用于将DUT的测试线连接至M300开关卡。

图八 接线盒和模拟总线连接器

该方案的优点如下：

■ 系统构成简单方便易用

M300测量系统采用了多种方便多通道测量场景的软硬件设计：接线盒的设计使得工程师在连接DUT的时候，可以避免拆卸机器，直接在小小的接线盒中操作，更换线路更加便捷；测试设置中，可以自定义公式，可以直接将测量的应力结果，根据应变计算公式换算为应变值，每个通道设置好后，可以直接复制到其他通道或者整个板卡

图九 M300通道复制和公式编辑功能

■ 单路成本极低

系统最小配置为20通道测量，20通道增加到160通道的每通道扩展成本低于RMB200元，相对于动辄几十万的测量设备而言，几乎可以忽略不计。

图十 32通道卡示意图

■ 数据分析管理方便

系统的所有测试数据均取自于每套系统的单台DM3068或者MC3065万用表（卡）上，系统标配的软件即可完美的将数据导出并分类分析；对系统做软件二次开发，也只需要最多控制俩台设备，避免因为多设备控制造成的混乱。

图十一 某20通道应力测试结果

小结

普源精电（RIGOL） M300应力测量系统不仅适用于测试材料应力等参数，配置不同传感器和测量单元后，该系统可以适用于众多需要分布式测量或者批量测量的应用场景，如：

• 搭配热电偶用于监控材料或者电路板元器件温度；
• 传感器生产过程中，直接用于传感器曲线测定；
• LED检测中心，用于批量LED电量寿命检测等。