《機械工程測試技術》實驗指導書
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1、《機械工程測試技術》 實驗指導書 山東大學機械工程學院實驗中心 2008 年 2 月 目錄 實驗一 信號分析實驗—————— 2 實驗二 傳感器的標定實驗—————— 8 實驗三 測試裝置特性實驗—————————— 15 實驗四 靜態(tài)應力應變測試實驗—————— 23 實驗五 動態(tài)應力應變測試實驗—————— 33 實驗六 機械振動測試梁的固有頻率測定實驗———— 42 實驗七 傳感器應用 --- 轉速測量實驗———— 48 實驗八 扭轉振動測量實驗 ———————— 38 實驗九 設計實驗————————————— 50 10 實驗一信號分析 一、 實驗
2、目的 1 .掌握信號時域參數的識別方法，學會從信號時域波形中觀察和獲取信號 信息。 2 .加深理解傅立葉變換的基本思想和物理意義，熟悉典型信號的頻譜特 征，掌握使用頻譜分析提取測量信號特征的方法。 3 .理解信號的合成原理，觀察和分析由多個頻率、幅值和相位成一定關系 的正弦波疊加的合成波形。 4 .初步了解虛擬儀器的概念。 二、實驗原理 1 .信號時域分析 信號時域分析又稱為波形分析或時域統(tǒng)計分析，它是通過信號的時域波形 計算信號的均值、均方值、方差等統(tǒng)計參數。信號的時域分析很簡單，用示波 器、萬用表等普通儀器就可以進行分析。 通過本實驗熟悉時域參數的識別方法， 能夠從
3、信號波形中觀測和讀取所需的信息，也就是具備讀波形圖的能力。 2信號頻譜分析 信號頻譜分析是采用傅里葉變換將時域信號 x(t)變換為頻域信號X⑴，從 而幫助人們從另一個角度來了解信號的特征。頻譜是構成信號的各頻率分量的 集合，它完整地表示了信號的頻率結構，即信號由哪些諧波組成，各諧波分量 的幅值大小及初始相位，揭示了信號的頻率信息。信號頻譜 X(f)代表了信號在 不同頻率分量成分的大小，能夠提供比時域信號波形更直觀，豐富的信息。工 程上習慣將計算結果用圖形方式表示， 以頻率f為橫坐標，X(f)的實部成，)和 虛部 契丁)為縱坐標畫圖，稱為時頻一虛頻譜圖；以頻率 f為橫坐標，X(f)
4、的 幅值。月(丁)和相位伊GO為縱坐標畫圖，則稱為幅值一相位譜。 附：軟件介紹 機械工程測試實驗程序是以 LabVIEW為平臺開發(fā)的虛擬儀器軟件，程序包 含了信號分析、信號合成、采樣定理、窗函數、相關分析等子程序。程序可以 按照設定的信號類型、頻率、相位等參數生成仿真信號，并可以對生成的信號 進行頻譜分析、信號合成、濾波等操作。波形可以通過顯示窗口中呈現(xiàn)出來 （如 圖1-1所示）。 時域信與 圖1-1 波形顯示縮放的操作坊法 在顯示窗口中的工具欄 +I回駟I,可以對窗口中的波形現(xiàn)實進行調整。 1眄?拖動工具：用來對波形進行拖動; 2國縮放工具：來實現(xiàn)對波形
5、的多種形式的縮放, 此包才^圖1-2所示的選擇項。 矩形區(qū)域縮放：實現(xiàn)對選定區(qū)域放大; X軸縮放：對選區(qū)域沿橫坐標放大; Y軸縮放：對選區(qū)域沿縱坐標放大; 圖1-2 圖！自適應縮放：將波形在XY軸上自動縮放至窗口大小。 3 . 實驗內容 1. 分析典型信號的幅值譜特性； 2. 分析合成信號的頻譜特點； 4 . 實驗儀器和設備 1. 計算機 2. 機械工程測試實驗軟件 五、實驗步驟： 一 、打開“機械工程測試實驗”程序，選擇進入“信號分析”子程序。 1. 設置一個周期信號的頻率、幅值、相位等參數，調整信號顯示縮放，分 析典型信號的幅值和頻率，記錄數據并填
6、寫表 1-1 。 2．在非周期信號面板中選擇不同的信號，設置相關參數，調整信號顯示 縮放，觀察記錄不同信號的頻譜，記錄數據并填寫表 1-2 。 3．觀察噪聲的頻域特點。 二、打開“信號合成”子程序，設置濾波器為 off ，設置白噪聲幅值為 0 2. 設置信號 1 和信號 2 為同頻、不同相位的正弦波，觀察驗證合成信號 的幅值和相位。 3. 兩個頻率接近、振幅不等的正弦信號迭加就會形成“拍振” 。設置信號 1 和信號 2 為頻率相近的正弦波，觀察合成信號的特點，并記錄數據和波形填 寫表 1-3 。 4. 設置信號 1 和信號 2 為不同類型信號，觀察合成信號頻譜的特點，能
7、夠從頻譜中看出合成信號的組成。 實驗報告 姓名 班級 時間 同組者 一、實驗目的 二、實驗設備 三、預習作業(yè) 1簡述信號分類 2寫出信號：方波、三角波、鋸齒波、 Sin( cot) x e(-at)的傅立葉級數展開式 3推導下列公式 (1)積化和差 AX sin( wt) x(3-sin(10 兀 t)) (2)和差化積 A x sin(⑴ it+ 小 1)+ A 2 x sin(⑴ 2t+ (|)2) 四、實驗結果 表1-1典型周期信號頻譜數據 信號 正弦波 三角波 鋸齒波 方波 頻率 幅值 相位 占空
8、比： 峰值 頻率 幅值 頻率 幅值 頻率 幅值 頻率 幅值 1 2 3 4 5 6 表1-2非周期確定性信號的頻譜數據 信號 Ax sin( 3t) x(3-sin(10 無 t)) Sin( 3t) xe(-at) 頻率 幅值 峰值 頻率 幅值 頻率 幅值 頻率 幅值 1 2
9、 3 4 表1-3 “拍振”數據及波形 頻率 幅值 信號1 信號2 合成信號 合成信號波形 總結周期信號、非周期確定性信號、非周期確定性信號和白噪聲的頻譜特點? 實驗二 傳感器（電感式）性能測試實驗 一、 實驗目的： 1、了解電渦流傳感器測量位移的工作原理和特性。 2、了解不同的被測體材料對電渦流傳感器性能的影響。 3、了解被測體的形狀和尺寸對電渦流傳感器位移特性的影響。 4、掌握電渦流傳感器的標定方法。 二、實驗儀器： CSY-2000傳感器與檢測技術實驗臺：渦
10、流傳感器，渦流變換器，直流電源，測 微頭，鐵測片，鋁測片，電壓表。 三、實驗原理： 如圖（1）:渦流傳感器測量原理圖。 渦流傳感器 渦流變換器 電壓表 測片 通過高頻電流的線圈產生磁場，當有導電體接近時，因導電體渦流效應產 生渦流損耗，而渦流損耗與導電體離線圈的距離有關， 因此可以進行位移測量。 渦流效應與金屬導體本身的電阻率和磁導率有關，因此不同的材料就會有 不同的性能。 電渦流傳感器在實際應用中，由于被測體的形狀、大小不同，會導致被測 體上渦流效應的不充分，會減弱甚至不產生渦流效應，因此影響電渦流傳感器 的靜態(tài)特性，所以在實際
11、測量中，往往必須針對具體的被測體進行靜態(tài)特性標 四、 實驗步驟: 1、 在測微頭端部裝上鐵質金屬圓片，作為電渦流傳感器的被測體。 2、 觀察渦流傳感器的結構， 根據圖2-2所示，安裝電渦流傳感器和測微頭。 圖2-2電渦流傳感器安裝示意圖 3、根據圖2-3所示，將電渦流傳感器輸出線接入實驗模板上標有 L的兩端 插孔中，作為振蕩器的一個元件。 4、將實驗模板輸出端 Vo與數顯單元輸入端 Vi相接。數顯表量程切換開關 選擇電壓20V檔。 5、用連結導線從主控臺接入 15V直流電源接到模板上標有+ 15V的插孔中。 接主控箱電源輸出 +15v 圖
12、2— 3電渦流傳感器位移實驗接線圖 接主控箱數顯表 6、開啟主控箱電源開關，調節(jié)測微頭使鐵測片與傳感器線圈端部接觸，此 時電壓表讀數為 0,記下數顯表讀數，然后每隔 0.25mm讀一個數，直到輸 出幾乎不變?yōu)橹梗ɑ蚓€性嚴重破壞為止） 。將結果記入表2-1。 7、關斷電源，將測微頭復原，在測微頭端部裝上面積大鋁測片，接通電源， 調節(jié)傳感器使之與鋁測片接觸，此時電壓表讀數為 0。旋轉測微頭，改變傳 感器與被測體的距離，每隔 0.25mm讀電壓表讀數，記入數據表格 2-1 ,直到 線性嚴重破壞為止。 8、關斷電源，將測微頭復原，在測微頭端部裝上面積小鋁測片，接通電源， 調節(jié)傳感器
13、使之與鋁測片接觸，此時電壓表讀數為 0。旋轉測微頭，改變傳 感器與被測體的距離，每隔 0.25mm讀電壓表讀數，記入數據表格 2-1 ,直到 線性嚴重破壞為止。 9、關閉電源，拆下連接導線、渦流傳感器、測微頭，將實驗模塊放入實驗臺 內。 1 9 五、實驗數據記錄及處理: 1、數據記錄見下表： 表2-1 位 移 X(mm) 0 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 V鐵（V） V 鋁（V） V鋁小
14、 位 移 X(mm) 2.25 2.50 2.75 3.00 3.25 3.50 3.75 4.00 4.25 V鐵（V） V 鋁（V） V鋁小 位移 X(mm) 4.50 4.75 5.00 5.25 5.50 5.75 6.00 6.25 6.50 V 鐵（V） V 鋁(V) V鋁小 2、數據處理： 以位移為橫坐
15、標，V鐵（V鋁）為縱坐標，在同一坐標系上作出 V鐵 -X曲線，V鋁-X曲線，V鋁小-X曲線。如圖2-4 : V錢 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 :（車 \v 呂) )
16、
17、
18、 0 1 2 3 4 5 X（mm） 圖2-4 V鐵（鋁）---X曲線 (1) 從曲線上找出渦流傳感器的線性工作范圍。 線性工作范圍為： X鐵= 至 mm X 鋁= 至 mm ； X鋁小= 至 mm (2) 求線性范圍的靈敏度 S鐵，S鋁 線性范圍的靈敏度為： S鐵= V/mm ; S 鋁= V/mm S鋁小= V/mm (3) 用端點法作出擬和曲線，求出線性度 8 L (僅限鐵測片)。 線性度SL(鐵)= (4) 確定渦流傳感器的最佳工作點(即用渦流傳感器測振動時， 渦流傳感器離被測體的最佳距離為多少
19、 渦流傳感器的最佳工作點為： 8鐵0= mm 8 鋁 0 = mm 9 鋁/」、0 = mm 3、分析討論 (1)被測體材料對渦流傳感器工作特性有何影響？ 答： (2)被測體材面積對渦流傳感器工作特性有何影響？ 答： 3） 、 電渦流傳感器的量程與哪些因素有關， 如果需要測量 5mm 的量程 應如何設計傳感器？ （ 4） 、用電渦流傳感器進行非接觸位移測量時，如何根據量程使用選用傳 感器。 5） 、當被測體為非金屬材料如何利用電渦流傳感器進行測試？ 6） 6） 、目前現(xiàn)有一個直徑為 10mm 的電渦流傳感器，需對一個軸直徑為 8mm 的振動進行測量？試說明具體的測
20、試方法與操作步驟。 實驗三濾波器特性實驗 一、實驗目的： 1、掌握動態(tài)特性的含義及其測量方法。 2、以RC濾波器為例掌握濾波器特性的測試方法。 3、明確RC濾波器各有關參數的含義及確定方法。 二、實驗儀器： EGC-3230型數字信號發(fā)生器額， YE3790型高、低通組合濾波器，TD1914c 交流毫伏表，導線若干。 三、實驗原理： 如圖： R1 ex ci-p ey C2 ex 8 3-1.低通油械器 a3-2.高道2濃暑 ey 圖3-3 、帶立
21、濾/穩(wěn) 交流毫伏表 BE日BE日 直通/濾波 圖3-4、測試系統(tǒng)原理圖 圖3-1、圖3-2、圖3-3分別為低通、高通、帶通濾波器的原理圖。如圖 3-4，信號發(fā)生器的輸出接到濾波器的輸入端，濾波器的輸出端接交流毫伏表， 當直通/濾波開關接通時，用毫伏表測量濾波器的輸入電壓，當直通 /濾波開關 斷開時，用毫伏表測量濾波器的輸出電壓；確定輸出電壓和輸入電壓的比值與 輸入信號頻率的函數關系，即為濾波器的頻率特性，從頻率特性曲線上可以確 定濾波器的各個參數。 四、實驗步驟： 1、選擇低通濾波器，將理論截至頻率旋鈕轉到合適位置，并記下截至頻 率值。 2、將毫伏表量程選擇開關
22、打在 1V檔。 4、將信號發(fā)生器的頻率調到 20Hz,輸出電壓調到0V,信號發(fā)生器的輸出 端接到低通濾波器的輸入端，低通濾波器的輸出端接到毫伏表上。 5、接通電源，調節(jié)信號發(fā)生器的輸出電壓，用毫伏表測濾波器的輸入電 壓，使毫伏表的讀數為 0.8V左右。 6、逐級改變信號發(fā)生器的頻率，在毫伏表上逐次讀取各頻率下濾波器的 輸入和輸出電壓。將數據填入表格 3-1。 7、將信號發(fā)生器的頻率調回 20HZ,輸出電壓調到0V,關閉電源。 8、 選擇高通濾波器，將理論截至頻率旋鈕轉到合適位置，并記下截至頻 率值。信號發(fā)生器的輸出端接到高通濾波器的輸入端，高通濾波器的 輸出端接到毫伏表上。
23、 9、 重復步驟 4、 5、 6 。將數據填入表格 3-2 。 10、將低通濾波器的輸出接至高通濾波器的輸入端，保持原低通濾波器、 高通濾波器的截至頻率不變，并記下截至頻率值。信號發(fā)生器的輸出 端接到低通濾波器的輸入端，高通濾波器的輸出端接到毫伏表上。 11、重復步驟 4、 5、 6。將數據填入表格 3-3 。 五、實驗數據記錄及處理： 1、 數據記錄見表格 3-1 、 3-2 、 3-3： 2、數據處理： 以輸入頻率為橫坐標， 以輸出 /輸入幅值比為縱坐標， 分別作出三種濾 波器的幅頻特性曲線。見下圖 3-5、 3-6、 3-7 ： 3、分析討論： （ 1）從低、高通濾
24、波器特性曲線上找出其相應的截止頻率（在曲線上標 出） ，并與理論值比較。 低通濾波器的上截止頻率：測試值 fc2= 理論值 fc ’ 2= 誤差8 2= 高通濾波器的上截止頻率：測試值 fc1 = 理論值 fc ’1 = 誤差8 1 = 2）帶通濾波器特性曲線上找出帶通濾波器的上、下截止頻率（在曲線 上標出） ，確定帶通濾波器的帶寬、中心頻率及倍頻程選擇性。 帶通濾波器的下截止頻率測試值 fc1 = 上截止頻率測試值 fc2 = 帶通濾波器的帶寬 B = 中心頻率 f0 = 倍頻程選擇性 = 表格3-1 :低通濾波器 理論截至頻率 輸入頻率 (Hz)
25、輸入幅值 (V) 輸出幅值 (V) 輸出、輸入 幅值比 20 30 40 60 80 100 200 300 400 500 600 700 800 1000 2000 3000 6000 8000 1 10 表格3-3:帶通濾波器 理論截至頻率 輸入頻率 (Hz) 輸入幅值 (V) 輸出幅值 (V) 輸出
26、、輸入 幅值比 20 30 40 60 80 100 200 300 400 500 600 700 800 1000 2000 3000 6000 8000 理論截至頻率 輸入頻率 (Hz) 輸入幅值 (V) 輸出幅值 (V) 輸出、輸入 幅值比 20 30 40 60
27、 80 100 200 300 400 500 600 700 800 1000 2000 3000 6000 8000 2 1 4幅頻特性 1 F 1 1 V 1 1 1 1 F 1 11111rl1 口 I I 1 1 1 1 1 1 n 1 ? 1 is ill 1 h i is m i i i
28、 - J.」工工一ii- i li I l li 111 I li l li l I l l d I I cl I i J I I l Cl 7 - - 」 -- L 1 = L J 1 1 L J _ H L l-ullJll- H L 1 1 J J 1_ 1 |i 1 il |i | 1 i 1 i I |i I | I I | 1 1 i | I i il | I n C I li 1 1 li III 1 H 1 li ill I I 1 1 1 1 H I I H 1 I 1 U-口 i H i I H 1 1 I I i ■ 1 i I I v I 1 1 a 1 I
29、ii I 1 1 n U i li 1 I li 111 1 li I li I i I I d 1 1 J l i ii 1 l I U. J 1 n i i p i i i i I I 11111r 1 I I ci I I I I I I n j i |i 1 1 H | 1 1 1 i 1 |i i | 1 1 1 1 | d | 1 d 1 | i U.4 1 li 1 1 P 1 1 1 1 1 II -r 1 1 M 1 1 1 1 r1 1 1 1 1 T co 1 Ii 1 1 H 1 1 1 1 i 1 1 1 1 1 1 i 1 1 1 1 1 1 H 1 1
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31、 □.4 03 0.2 0.1 II 1 n iii i i 1 i I i ii. H Illi ? L JL J. J. L 一」 1 ■ I i_ _ L J V Rill 1 -L 1 J 1 L - 」 1 1 I V n ill i i V Rill 1 1 1 一 1 ? I F Illi ? h III 1 1 q 1 i 1 V Rill 1 H Illi 1 " 1 " il r i ■ r i i 1 r i P Rill 1 7 i i" " r "i ii " ii iiii i l i 1
32、 i I | i 1 H Illi 1 q i p iiii i r -i II l- -i—i— i i i i - ——■ 1 1 1 1 1 1 J 1 ? ■ ―?— J il 1 1 !L -1 J. _ 1 l—— 1 1 1 1 1 - 1 1 L J jL JL 』 J L. 1 1| | 1 jL J J _L N | 1 1 1 1 1 1 1 1 -1 1 J 1 1 - 」 a- - L . 1 1 1 1 . 1 J J 1. II N 1 1 1 1 1 i J 1 1 1 I 1 I I 1
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39、實驗 2、 直流全橋的應用 --- 電子秤實驗 二、實驗目的： 1、了解金屬箔式應變片的應變效應，單臂電橋、半橋和全橋的工作原理和 性能。 2、比較單臂、半橋、全橋輸出時的靈敏度和非線性度，了解其特點。 3、了解應變直流全橋的應用及電路的標定。 三、實驗原理： 電阻絲在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值發(fā)生變化，這就是電阻 應變效應。 描述電阻應變效應的關系式為： AR/R= K 式中A R/R為電阻絲電阻相對變化， K為應變靈敏系數 e = A l/l為電阻絲長度相對變化 金屬箔式應變片就是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應變敏感元件，通過 它轉換被測部位受力狀態(tài)變化
40、，電橋的作用完成電阻到電壓的比例變化，電 橋的輸出電壓反映了相應的受力狀態(tài)。 對單臂電橋，只有一只應變片作為一個橋臂，其橋路輸出電壓 Uoi= EK /4 o 不同受力方向的兩只應變片接入電橋作為鄰邊就構成了半橋橋路，電橋輸 出靈敏度提高，非線性得到改善。當應變片阻值和應變量相同時，其橋路輸出 電壓 Uo2= EK e /2。 全橋測量電路中，將受力性質相同的兩應變片接入電橋對邊，當應變片初 始阻值：Ri=R2=R3=R4,其變化值 ARi= AR2=AR3= AR4時，其橋路輸出 電壓Uo3=KE S。其輸出靈敏度比半橋又提高了一倍，非線性誤差和溫度誤差 均得到改善。
41、 四、實驗設備 ：應變式傳感器實驗模板、應變式傳感器－電子秤、砝碼、 數顯表、 15V 電源、 4V 電源、萬用表（自備） 。 五、實驗步驟 ： 1 、根據圖（ 4－ 1 ）應變式傳感器（電子秤）已裝于應變傳感器模板上。傳感 器中各應變片已接入模板的左上方的 R1 、 R2、 R3、 R4 。加熱絲也接于模板 上，可用萬用表進行測量判別， Ri=R2=R3=R4= 350Q ,加熱絲阻值為 50 Q左右 2、接入模板電源 15V （從主控臺引入） ，檢查無誤后，合上主控臺電源開 關， 3、將實驗模板調節(jié)增益電位器 RW3 順時針調節(jié)大致到中間位置，再進行差 動放大器調零，方
42、法為將差放的正負輸入端與地短接，輸出端與主控臺面板 上數顯表輸入端 Vi相連，調節(jié)實驗模板上調零電位器 RW4,使數顯表顯示為 零（數顯表的切換開關打到 2V 檔） 。關閉主控箱電源（注意：當 Rw3、 Rw4 2 9 的位置一旦確定，就不能改變。一直到做完實驗為止） 圖4 - 1應變式傳感器安裝示意圖 0 。 加燃器 接主控箱接數顯表 電源輸出 %地 應變傳感器實驗模板 RW4 圖4- 2應變式傳感器單臂電橋實驗接線圖 4、如圖4—2所示，將應變式傳感器的其中一個電阻應變片 Ri （即模板左上 方的Ri）接入電橋作為一個橋臂與 R
43、5、R6、R7接成直流電橋（R5、R6、R7 模塊內已接好），接好電橋調零電位器 Rwi,接上橋路電源土 4V （從主控臺引 入）。檢查接線無誤后，合上主控臺電源開關。 調節(jié)Rwi,使數顯表顯示為零。 5、在電子稱上放置一只祛碼，讀取數顯表數值，依次增加祛碼和讀取相應 的數顯表值，直到 200g （或500 g）祛碼加完。記下實驗結果填入表 4 — 1, 關閉電源，取出祛碼。 圖4-3應變式傳感器半橋實驗接線圖 0 0 加熱器 接主控箱 電源輸出 接數顯表： Vi地 M 0 3 0 R3O目。 R20 Ha 0 RIQ E- o 6、根據圖4—3接線。Ri、
44、R2為實驗模板左上方的應變片，注意 R2應和Ri 受力狀態(tài)相反，即將傳感器中兩片受力相反（一片受拉、一片受壓）的電阻 應變片作為電橋的相鄰邊。接通電源，接入橋路電源 4V,調節(jié)電橋調零電 位器Rwi進行橋路調零，使數顯表顯示為零。 7、在電子稱上放置一只祛碼，讀取數顯表數值，依次增加祛碼和讀取相應 的數顯表值，直到 200g （或500 g）祛碼加完。記下實驗結果填入表 4 — 2, 關閉電源，取出祛碼。（若實驗時無數值顯示說明 R2與Ri為相同受力狀態(tài) 應變片，應更換另一個應變片。） 一 棱主控箱 接主控箱接數顯表 映R2Q歸0 加 RlQE o _電源輸出 電源輸出
45、 Vi地 圖4-4全橋性能實驗接線圖 8、根據圖4—4接線。Ri、R2 R3> R+為實驗模板左上方的應變片，將受力 性質相同的兩應變片接入電橋對邊組成全橋， 接通電源，接入橋路電源土 4V , 調節(jié)電橋調零電位器 Rwi進行橋路調零，使數顯表顯示為零。 9、在電子稱上放置一只祛碼，讀取數顯表數值，依次增加祛碼和讀取相應 的數顯表值，直到 200g （或500 g）祛碼加完。記下實驗結果填入表 4 — 3, 關閉電源，取出祛碼。 六、實驗數據記錄及處理 1、數據記錄見下表 表格4-1單臂測量時，輸出電壓與加負載重量值 重量(g) 電壓(m
46、v) 表格4-2半橋測量時，輸出電壓與加負載重量值 重量(g) 電壓(mv) 表格4-3全橋測量時，輸出電壓與加負載重量值 重量(g) 電壓(mv) 2、數據處理 在同一坐標系下畫出單臂、半橋、全橋的重量與輸出電壓的關系曲線 m—V 曲線。如圖4-5 0 1 2 3 4 5 m(g) 圖4-5 直流電橋性能曲線 m-V曲線 (1)根據圖4-5曲線，計算系統(tǒng)靈敏度 S= A U/A W
47、( AU輸出電壓變化量, A W重量變化量) S單臂二 S半橋= S全橋= （2）根據圖4-5曲線，計算系統(tǒng)非線性誤差 Sfi = Am/yF..s X 100%式中Am 為輸出值（多次測量時為平均值）與擬合直線的最大偏差： yF-s滿量程輸出 平均值，此處為 200g （或500g）。 8 fi單臂= 8 fi半橋= 8 fi全橋= 3、分析討論 （1）、根據單臂、半橋和全橋輸出時的靈敏度和非線性度，從理論上進行分析比 較單臂、半橋、全橋的性能并闡述理由。 （2）、單臂電橋時，作為橋臂電阻應變片應選用： （1）正（受拉）應變片（2） 負（受壓）應
48、變片（3）正、負應變片均可以。 答案（ ） （3）、半橋測量時兩片不同受力狀態(tài)的電阻應變片接入電橋時，應放在： （1）對 邊（2）鄰邊。答案（ ） （4）、橋路（差動電橋）測量時存在非線性誤差，是因為： （1）電橋測量原理上 存在非線性（2）應變片應變效應是非線性的（3）調零值不是真正為零。 答案（ ） （5）、全橋測量中，當兩組對邊（ R1、R3為對邊）電阻值 R相同時，即 R1 = R3, R2=R4,而R1WR2時，是否可以組成全橋： （1）可以（2）不可以。 答案（ （6）、某工程技術人員在進行材料拉力測試時在棒材上貼了兩組應變片，如圖 4-6,如何利用這四片電阻應
49、變片組成電橋，是否需要外加電阻。試畫出橋 路。 圖4-6應變式傳感器受拉時傳感器圓周面展開圖 3 12 (7) 、 溫度對應變片測試系統(tǒng)有何影響？金屬箔式應變片溫度影響有哪些消除方 法？ (8) 、試根據全橋測量電路及結果，設計一電子秤，要求托盤上放上不同砝碼 數顯表能顯示不同的重量。說明設計原理和步驟。 實驗五 動態(tài)應力應變測試 一、實驗目的： 1、了解利用交流電橋測量動態(tài)應變參數的原理與方法。 2、了解交流全橋在振動測量中的應用。 三、實驗原理： 對于交流應變信號用交流電橋
50、測量時，橋路輸出的波形為一調制波，不 能直接顯示其應變值，只有通過移相檢波和濾波電路后才能得到變化的應變 信號，此信號可以從示波器或用交流電壓表讀得。 對懸臂梁輸入一正弦信號，使其振動，改變正弦信號的幅值，懸臂梁的 振動位移發(fā)生變化，交流電橋的輸出電壓也發(fā)生變化，用渦流傳感器測量懸 臂梁的振動位移，以振動位移為橫坐標，電橋輸出電壓為縱坐標，做出交流 電橋的性能曲線。 對懸臂梁輸入一正弦信號，使其振動，改變正弦信號的頻率，懸臂梁的 振動位移和頻率都發(fā)生變化，交流電橋的輸出電壓也發(fā)生變化，以振動頻率 為橫坐標，振動位移為縱坐標，做出懸臂梁的振動曲線，確定懸臂梁的固有 頻率。
51、三、實驗設備 ： CSY-2000 傳感器與檢測技術實驗臺：音頻振蕩器、低頻振蕩器、振動源、 應變式傳感器實驗模板、相敏檢波器模板、渦流傳感器，渦流放大模塊，毫 伏表（自備） ，雙綜示波器（自備） 、萬用表（自備） 四、實驗步驟： 1、模塊上的傳感器不用，改為振動梁的應變片，即臺面上的應變輸出。 2、將臺面三源板上的應變插座用連接線插入應變傳感器實驗模板上。因振 動梁上的四片應變片已組成全橋，引出線為四芯線，因此可直接接入實 驗模板面上已聯(lián)成電橋的四個插孔上。接線時應注意連接線上每個插頭 的意義，對角線的阻值為 350 Q ,若二組對角線阻值均為 350 Q則接法正 確（萬
52、用表測量） 。 3、根據圖 5－ 1 ，接好交流電橋調平衡電路及系統(tǒng)， R8、 Rw1、 C、 Rw2 為交 流電橋調平衡網絡。檢查接線無誤后，合上主控臺電源開關，將音頻振 蕩器的頻率調節(jié)到 1KHz左右，幅度調節(jié)到10Vp-p （頻率可用數顯表 Fin 監(jiān)測，幅度用示波器監(jiān)測） 4、如圖 5-2 ，將渦流傳感器裝入振動臺（圓盤）上，并接好渦流放大模塊， 渦流放大模塊的輸出端接毫伏表，調節(jié)渦流傳感器與振動臺（圓盤）的 位置，使其處于最佳工作點。 （振動臺面為鋁材料） 。 5、將低頻振蕩器輸出接入振動臺激勵源插孔，調低頻輸出幅度，將低頻振 蕩器頻率調至 8Hz （低頻輸出端接入
53、數顯單元的 Fin ，把數顯表的切換開 關打到頻率檔監(jiān)測低頻頻率） ，使振動臺（圓盤）明顯感到振動。 器 Lv&KH/ 接地 加熱器 接至控箱 也源輸出 示波器 L .移相游 V1 5 KHz (Li) Vo 相敏檢波器 低通濾波器 Vo 01 02 J1 V1 ■ D - AC DC 圖5—1應變片振動測量實驗接線圖 接主控箱電源輸出 O -15V O +15v
54、 6、固定低頻振蕩器頻率鈕旋位置不變，調節(jié)低頻輸出幅度，用毫伏表記錄 渦流傳感器的輸出電壓值，用示波器讀出幅值改變時電橋模塊上低通濾 波器輸出Vo的電壓峰一峰值，填入表 5—1。 7、將低頻信號的幅值和頻率調至最小，關閉電源，卸掉渦流傳感器、渦流 放大模塊后，開啟電源。 8、適當調節(jié)低頻振蕩器幅度和頻率，使振動臺明顯振動，固定低頻振蕩器 幅度鈕旋位置不變，低頻輸出端接入數顯單元的 Fin,把數顯表的切換開 關打到頻率檔監(jiān)測低頻頻率，調節(jié)低頻頻率，用示波器讀出頻率改變時 低通濾波器輸出 Vo的電壓峰—峰值，填入表 5—2。 工作 平臺
55、 圖5 —2渦流傳感器振動測量安裝圖 五、實驗數據記錄及處理 1、數據記錄見下表 表5-1 V渦流(V) Vo(P-P) 振動位移 (mm) 表5-2 f(Hz) Vo(P-P) 振動位移 (mm) 2、數據處理 (1)根據實驗2的結果(渦流傳感器的靈敏度，測量材料為鋁)求出振動 位移，填入表格5-1中，做出
56、交流全橋性能曲線(交流全橋輸出電壓與位移 的關系曲線)如圖5-3, V全橋 0 1 2 3 4 5 X(mm) 圖5-3交流全橋性能曲線 X-V曲線 求出交流全橋的靈敏度 S= (2)根據交流全橋的靈敏度 S,求出懸臂梁在不同頻率下的振動位移， 填入 表格5-2中，做出懸臂梁的振動位移與振動頻率曲線，如圖 5-4。 從曲線中得到懸臂梁的共振頻率為 HZ。 X位移 3、分析討論 1、在交流電橋測量中，對音頻振蕩器頻率和被測梁振動頻率之間有什么要 求？
57、 2、請歸納直流電橋和交流電橋的特點? 病變片 懸瞥梁 激振器 小結: 電阻應變式傳感器從 1938年開始使用到目前，仍然是當前稱重測力的主要 工具，電阻應變式傳感器最高精度可達萬分之一甚至更高，電阻應變片、絲, 除直接用以測量機械、儀器及工程結構等的應變外，主要是與種種形式的彈性 體相配合，組成各種傳感器和測試系統(tǒng)。如稱重、壓力、扭矩、位移、加速度 等傳感器，常見的應用場合如各種商用電子稱、皮帶稱、吊鉤稱、高爐配料系 統(tǒng)、汽車衡、軌道衡等。 附移相器和相敏檢波器電路原理圖 4 9
58、 -15V Q 圖5 —6移相器電路原理圖 圖5—7相敏檢波器的電路原理圖 實驗六梁的固有頻率測定實驗 一、實驗目的 1、了解構件正弦激振實驗的基本方法。 2、了解壓電傳感器測量振動的原理和方法。 3、了解構件一階固有頻率的測定方法。 二、實驗儀器 CSY2000型傳感器與檢測技術實驗臺：振動臺、低頻信號發(fā)生器， 電磁 激振器，直流電源，壓電傳感器、檢波、移相、低通濾波器模板、壓電式傳 感器實
59、驗模板。毫伏表，雙蹤示波器。 三、實驗原理 具有粘性阻尼單自由度系統(tǒng)，強迫振動下的基本關系 運動微分方程式 mx(t) cx(t) kx(t) = f (t) 對正弦激振法 f(t)=F sin t 則有：mx(t) cx⑴ kx(t)= F sin t 該微分方程的年t定解為： x(t)= x sin( t ) 2 — =-arctg -n— 2 、2 1- 上 【切n ) K 十八C 十八『 一 COn=一 系統(tǒng)固有頻率， , 系統(tǒng)阻尼率 m . 2km 以:為參數得7 — 6和中一s的關系分別如圖6-1所示: 從圖可知，在 8=GOn
60、附近X出現(xiàn)峰值，^ = ~~,當頻率有微小 2 增減時，振幅X都有明顯減小，這稱共振現(xiàn)象。通過正弦激勵法作出梁 的X— 3曲線，振幅峰值較大的點即為梁的一階固有頻率。 在共振點前后相位發(fā)生急劇變化，當阻尼率 = 0時，理論上振幅 值等于無窮大。當 之增加時，振幅峰值明顯減小。所以， 亡可根據頻響 曲線按下式近似求得： 巴,其中也切見圖6-2: X(oj) 圖6-2 阻尼比求法 壓電式傳感器由慣性質量塊和受壓的壓電片等組成。 （觀察實驗用壓電加 速度計結構）工作時傳感器感受與試件相同頻率的振動，質量塊便有正比于加 速度的交變力作用在晶片上，由于壓電效應，壓電晶片
61、上產生正比于運動加速 度的表面電荷，經電荷放大器放大轉換成電壓信號輸出。 四、實驗步驟： 1、按圖6-3連接測試系統(tǒng) 本物胤M 解K輕握刑一皿 ，目， ? ■- 圖6-3梁的固有頻率測試系統(tǒng)圖 低頻信號發(fā)生器輸出接振動源，壓電加速度計的輸出接電荷放大模塊，電荷放 大模塊的輸出接毫伏表。壓電放大模塊電路圖如圖 6-4。 2、接通儀器電源，逐漸加大低頻信號源的輸出，使得毫伏表的輸出電壓約為 10mv。 3、由低向高逐漸改變信號發(fā)生器的頻率（注意在各頻率下，稍停一會兒，以 便構件進入穩(wěn)定狀態(tài)，并記下毫伏表相應的電壓值（正比于振動幅值） 。記入 表格6-1。 a、頻率
62、范圍為 2HZ—20HZ。 b、每次頻率間隔，視電壓變化而定，示值變化緩慢頻率間隔可大，示 值變化急劇時，應縮小間隔。 c、當f超過8HZ時，為便于讀數，應將毫伏表電壓檔置于 30mv檔。 d、在第一階峰值處，要仔細掃頻，找出振幅（電壓）最大的頻率，可 近似作為一階的固有頻率。 11 接主控箱電源輸出 接低通濾波器 圖6-4 電荷放大模塊接線圖 五、實驗數據記錄及處理： 1、將實驗數據填入表格 6-1。 2、作出梁的頻響曲線。見圖 6-5: fi二( 3、由頻響曲線確定梁的一階固有頻率為： )Hz , 表格6-1 : 激振頻率 f (HZ)
63、2 4 5 6 7 8 9 振幅X ( mv) 激振頻率 f (HZ) 10 11 12 13 14 15 16 振幅X ( mv) 激振頻率 f (HZ) 17 18 19 20 振幅X ( mv) 頻率 (Hz) 6 7 S 9 10 12 14 16 1g 20 圖6-5 梁的頻響曲線 實驗七 傳感器應用 轉速測量實驗 一、實驗目的 1、 了解霍爾轉速傳感器的應用。 2、 了解磁電式測量轉速的原理。 3、 了解光電轉速
64、傳感器測量轉速的原理及方法。 4、 比較各種轉度測量的優(yōu)缺點，提高學生綜合運用知識解決實際問題的 能力。 2、 實驗儀器 CSY— 2000 型傳感器與檢測技術實驗臺：霍爾轉速傳感器、磁電式速度 傳感器、光電轉速傳感器、直流源＋ 5V 、轉動源 2－ 24V 、轉動源單元、數 顯單元的轉速顯示部分。 3、 實驗原理 1、對于霍爾傳感器，利用霍爾效應表達式： Uh=KhIB,當被測圓盤上裝 上 N 只磁性體時，圓盤每轉一周磁場就變化 N 次。每轉一周霍爾電勢就同頻 率相應變化，輸出電勢通過放大、整形和計數電路就可以測量被測旋轉物的轉 速。 2、對于磁電傳感器，基于電磁感應
65、原理， N 匝線圈所在磁場的磁通變化 時，線圈中感應電勢發(fā)生變化， 因此當轉盤上嵌入 N 個磁棒時，每轉一周線圈 感應電勢產生 N 次的變化，通過放大、整形和計數等電路即可以測量轉速。 3、對于光電式轉速傳感器有反射型和透射型二種，本實驗裝置是透射型 的，傳感器端部有發(fā)光管和光電池，發(fā)光管發(fā)出的光源在轉盤上反射后由光電 池接受轉換成電信號，由于轉盤上有相間的 16 個間隔，轉動時將獲得與轉速 及黑白間隔數有關的脈沖，將電脈計數處理即可得到轉速值。 四、實驗步驟 1、根據圖7-1,將霍爾轉速傳感器裝于傳感器支架上，探頭對準反射面內 的磁鋼。 霍爾.磁電.光電VX 電機轉
66、 圖5 —4霍爾、光電、磁電轉速傳感器安裝示意圖 2、將5V直流源加于霍爾轉速傳感器的電源端（ 1號接線端）。 3、將霍爾轉速傳感器輸出端（2號接線端）插入數顯單元 Fin端，3號接線 端接地。 4、將轉速調節(jié)中的+ 2V —24V轉速電源接入三源板的轉動電源插孔中。合 上主控箱電開關，使轉速電機帶動轉盤旋轉。 5、將數顯單元上的開關撥到轉速檔。調節(jié)電壓（每隔 2V）,使轉動速度變 化，用電壓表記錄電壓值，觀察數顯表轉速顯示的變化，并記錄電壓值 和轉速值。 6、關閉電源，根據圖 7-1,將磁電轉速傳感器裝于傳感器支架上，探頭對 準反射面內的磁鋼。 7、啟動電源，重復步驟 2, 3, 4, 5。 8、關閉電源，根據圖 7-1,將光電轉速傳感器裝于傳感器支架上 9、啟動電源，重復步驟 2, 3, 4, 5。 四、數據記錄及處理 1、數據記錄見表格 7-1 電壓（V） 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 轉速rpm （霍爾）
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