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。       
           
    
                                                               图四、 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
 
 
 
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