测试技术试验指导书.docx
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测试技术试验指导书
江西理工大学
《机械工程测试技术》课程实验指导书
主审人：
主撰人：
冯梅琳
前言
《机械工程测试技术》是机械设计制造及其自动化等专业的一门技术基础课，该课程具有较强的实践性。
要想使学生学好这门课程，必须将课堂理论教学和实验教学有机地结合起来。
通过实验课的学习，力图使学生加深对本课程的基础理论、基本概念的理解，培养学生的实践动手能力和兴趣，增强学生对各种不同的传感器如何组成测试系统有直观而具体的感性认识，并能根据不同的物理量合理地选择测试装置，同时在实验的进行过程中通过信号的拾取、转换、分析，掌握作为一个科技工作者应具有的基本操作技能、独立思考问题的能力、综合运用知识的能力，为以后进一步学习、研究和处理机械工程技术问题打下良好的基础。
本实验指导书是配合教材《机械工程测试技术基础》（第三版）内容、南京安正振动测试系统、美国本特利转子试验平台和浙江大学杭州高联有限公司生产的“CSY系列传感器系统实验仪”，并根据该课程实验大纲而编写的。
要求学生从思想上重视实验，认真做好每一次实验。
为了保证实验课的顺利进行，按时完成实验内容，保证教学质量，要求学生做到以下几点：
1、实验前认真学习、阅读实验指导书及教材中的有关内容，并在实验室里对实验所用传感器与仪器进行操作练习，了解传感器与仪器的使用方法，操作规程以及使用就意事项，根据实验的要求和目的以及所提供的仪器设备，在指导教师的指导下独立认真地自行操作，并获取实验数据，进一步进行分析处理，完成实验报告。
2、爱护仪器设备，节约实验材料，非经指导老师准许不要动用与当次实验无关的仪器设备。
如遇仪器损坏，必须及时向指导教师报告。
3、遵守实验规则，进实验室不要大声喧哗，注意安全，严防触电、烙伤、碰伤。
4、实验完毕，将仪器、电线、元件等整理好，放回原处方能离开实验室。
5、必须按时完成实验报告。
无正当理由拖延、不交实验报告，按不及格计入平时成绩。
第一部分绪论
本实验指导书是根据《机械工程测试技术》课程实验教学大纲编写，适用于机械类各专业。
一、本课程实验的作用与任务
《机械工程测试技术》是机械设计制造及其自动化等专业的一门技术基础课，该课程具有较强的实践性。
通过本实验课的学习，使学生加深对测试技术的感性认识，并能合理地选用测试装置，培养学生的动手能力、独立思考问题的能力以及综合运用知识的能力，为学生进一步学习、研究和处理机械工程技术问题打下良好的基础。
本实验课程基本要求如下：
1、了解测试系统的基本组成，掌握各组成环节的工作原理和作用。
2、了解测试和评价测试系统静、动态特性的方法。
3、掌握常用传感器的工作原理、性能、基本结构和应用，以及定标与数据处理方法。
4、掌握常用信号调理电路和记录仪器的工作原理和性能。
5、了解信号分析的基本知识。
6、掌握应力、应变、压力、位移、振动、噪声等常见物理量的测试方法。
二、本课程实验的基础知识
1、机械参数综合测试系统的组成：
典型测试系统的基本组成及常用记录仪器的工作原理和性能；计算机测试系统的组成；以等强度悬臂梁作为对象对其振动状态（速度、加速度、振幅、转速等）的测试和分析；常用传感器的工作原理、性能、基本结构和应用；DRVI虚拟仪器的组成及应用等。
2、典型信号及其频谱的识别与变换：
以等强度悬臂梁作为对象，采用力锤进行激励，对其振动状态速度、加速度进行测试和分析；以信号发生器作为对象，采用数据采集箱获取各类波形；以转子试验台作为对象，对其振动状态（速度、加速度、振幅、转速等）的测试和分析。
以上均采用典型的CRAS软件进行数据采集并对其各阶模态进行分析处理；
3、电阻应变式传感器的制作：
电阻应变片的认识和粘贴工艺及方法、不同的布片组桥方法对电桥输出的影响。
4、金属箔式应变与三种测量桥路的比较：
单臂、半桥、全桥的组桥连接方法，输出电压和电压灵敏度之间的关系。
5、螺管型差动变压器式电感传感器的性能与位移测量：
差动变压器式电感传感器的工作原理及其性能，零点残余电压产生的原因及补偿方法，相敏检波电路的功能，采用该传感器对位移进行测量的方法。
6、差动变面积式电容传感器的特性测试：
差动变面积式电容传感器的工作原理及其性能，采用该传感器对位移进行测量的方法。
7、电涡流传感器特性及被测材料对其特性的影响：
电涡流传感器的结构、原理、工作特性，不同材料（铝、铁、铜）对其特性的影响。
三、本课程实验教学项目及要求
序
号
实验项目名称
学
时
实验类别
实验要求
实验类型
每组人数
主要设备名称
目的和要求
1
机械参数综合测
试系统的组成
２
技术
基础
必修
演示
10-15
计算机、传感器
电压电荷放大
器、信号发生器等
掌握测试系统的基本组成，以及信号数据采集方法与步骤
2
典型信号及其频谱的识别与变换
２
技术基础
必修
演示
10-15
压电式加速度传感器、悬臂梁、力锤、计算机等
熟悉周期信号的频谱分析方法与步骤
3
电阻应变式传感器的制作
2
技术基础
必修
综合
2
万用表、惠斯登电桥、电阻应变片、悬臂梁、502胶、剪刀、镊子等
掌握应变式传感器的工作原理，学习其制作方法与步骤
4
金属箔式应变与三种测量桥路的比较
２
技术基础
必修
综合
2
传感器系统实验
仪、万用表等
掌握单臂、半
桥、全桥的连接方法，验证电桥的和差特性
5
螺管型差动变压器式电感传感器的性能与位移测
量
２
技术基础
必修
综合
2
传感器系统实验
仪、万用表等
掌握电感式传感器的性能和零点残余电压的补偿措施，及其位移参数测量系统的组成及工作原理
6
差动变面积式电容传感器的特性
测试
２
技术基础
选修
综合
2
传感器系统实验
仪、万用表等
掌握差动变面积式电容传感器的性能及工作原理
7
电涡流传感器特性及被测材料对其特性的影响
2
技术基础
选修
综合
2
传感器系统实验
仪、万用表等
掌握电涡流式传感器的原理及工作性能。
2.验证不同性质被测体材料对电涡流式传感器性能的影响
第二部分基本实验指导
1机械参数综合测试系统的组成
一、实验目的
1、建立对机械参数电测技术的感性认识，了解测试系统的基本组成。
2、了解计算机测试系统的组成。
3、巩固和加深理解电阻应变片测量原理。
4、认识常用的各类传感器，了解其工作原理及应用。
二、实验原理
1、实验装置的组成：
由一自由端受动载荷激振的等强度梁，并在其上安装了各种类型的传感器如图1所示。
1等强度悬臂梁
2电阻应变片
3速度传感器
4位移传感器
5加速度传感器
6激振电机
7光电转速传感器
图1实验装置组成
2、典型的测试系统：
3、信号变换：
悬臂梁在动载激振力的作用下，其力学、运动学参数分别由各类传感器将这些待测的非电参数的变化转换成电量的变化。
应变（ε）——电阻应变片的阻值变化（ΔR/R）-——电压变化
位移（S）——差动变压器传感器的电压变化
速度（V）——磁电式速度传感器的电压变化
加速度（a）——压电式加速度传感器的电荷的变化
频率（f）——光电转速传感器的光电流的变化
4、信号测量：
由于经传感器转换所得的电量一般都是很微弱的，不能直接显示或记录下来，必须经过测量电路将这些微弱信号进行放大处理，其测量所用的仪器如下：
5、信号分析
悬臂梁在受迫振动下，由上述方法测得的五个参数，根据示波图可进行计算、分析。
6、包含信号处理功能的测试系统
用典型的CRAS采集、分析处理系统，对信号测试过程的各个环节进行计算机采集、分析处理实验。
三、主要仪器及耗材
静态数字电阻应变仪、悬臂梁实验台、压电式加速度传感器、电荷放大器、ＹＤ２８－Ａ型动态电阻应变仪、DRVI虚拟仪器、计算机。
四、实验内容和步骤
1、利用金属材料的特性，将非电量的变化转换成电量的变化，应变测量的转换元件为应变片，用粘结剂将应变片牢固地贴在试件上，当被测试件受到外力作用长度发生变化时，粘贴在试件上的应变片也发生相应变化，应变片的电阻值也随着发生了变化，这样就把机械量——变形，转换成电量——电阻值的变化。
用灵敏的电阻测量仪器——电桥，测出电阻值的变化，就可以换算出相应的应变，如果这个电桥用应变来刻度，就可以直接读出应变，完成非电量的电测。
2、将压电式传感器固定在被测物体上，利用压电晶体材料的压电效应，将被测振动量即加速度转化为电荷量，通过电荷放大器放大，由CRAS采集与分析系统数字化采集数据，由计算机将振动波形显示记录出来。
2典型信号频谱分析
一、实验目的
1、在理论学习的基础上，通过本实验熟悉典型信号的波形和频谱特征，并能够从信号频谱中读取所需的信息。
2、了解信号频谱分析的基本方法及仪器设备。
3、初步掌握振动信号获取和分析处理的方法。
二、实验原理
1、典型信号及其频谱分析的作用
正弦波、方波、三角波和白噪声信号是实际工程测试中常见的典型信号，这些信号时域、频域之间的关系很明确，并且都具有一定的特性，通过对这些典型信号的频谱进行分析，对掌握信号的特性，熟悉信号的分析方法大有益处，并且这些典型信号也可以作为实际工程信号分析时的参照资料。
本次实验利用DRVI快速可重组虚拟仪器平台可以很方便的对上述典型信号作频谱分析。
2、频谱分析的方法及设备
信号的频谱可分为幅值谱、相位谱、功率谱、对数谱等等。
对信号作频谱分析的设备主要是频谱分析仪，它把信号按数学关系作为频率的函数显示出来，其工作方式有模拟式和数字式二种。
模拟式频谱分析仪以模拟滤波器为基础，从信号中选出各个频率成分的量值；数字式频谱分析仪以数字滤波器或快速傅立叶变换为基础，实现信号的时-频关系转换分析。
傅立叶变换是信号频谱分析中常用的一个工具，它把一些复杂的信号分解为无穷多个相互之间具有一定关系的正弦信号之和，并通过对各个正弦信号的研究来了解复杂信号的频率成分和幅值。
信号频谱分析是采用傅立叶变换将时域信号x（t）变换为频域信号X（f），从而帮助人们从另一个角度来了解信号的特征。
时域信号x（t）的傅氏变换为：
式中X（f）为信号的频域表示，x（t）为信号的时域表示，f为频率。
用傅立叶变换将信号变换到频率域，其数学表达式为：
x（t）=a0/2+a1*sin（2πf0t）+b1*cos（2πf0t）+a2*sin（4πf0t）+b2*cos（4πf0t）+.........
=C0+
用Cn画出信号的幅值谱曲线，从信号幅值谱判断信号特征。
本次实验利用在DRVI平台上搭建的频谱分析仪来对信号进行频谱分析。
由虚拟信号发生器产生一个典型波形的电压信号，用频谱分析仪对该信号进行频谱分析，得到频谱特性数据。
分析结果用图形在计算机上显示出来，也可以通过打印机打印出来。
三、主要仪器及耗材
计算机、DRVI快速可重组虚拟仪器平台、打印机。
四、实验内容和步骤
1、打开计算机，启动DRVI中的"典型信号频谱分析"实验脚本，进行信号频谱分析实验。
2、点击DRVI"典型信号频谱分析"实验中的"白噪声"按钮，产生白噪声信号，分析和观察白噪声信
号波形和幅值谱特性。
3、点击DRVI"典型信号频谱分析"实验中的"正弦波"按钮，产生正弦波信号，分析和观察正弦波信号
波形和幅值谱特性。
4、点击DRVI"典型信号频谱分析"实验中的"方波"按钮，产生方波信号，分析和观察方波信号波形和
幅值谱特性。
5、点击DRVI"典型信号频谱分析"实验中的"三角波"按钮，产生三角波信号，分析和观察三角波信号
波形和幅值谱特性。
6、点击DRVI典型信号频谱分析实验中的"正弦波＋白噪声"按钮，产生叠加信号，分析和观察"正弦波信号＋白噪声信号"波形和幅值谱特性。
图典型信号频谱分析实验
五、数据处理与分析
1、按实验步骤整理出正弦波、方波、三角波、白噪声以及叠加波形的时域和幅值谱特性图形，说明
各信号频谱的特点。
2、将分析结果与理论分析进行对照，说明实际分析结果与理论分析之间的差异，并简要分析产生误差的原因。
六、思考题
1、为何白噪声信号对信号的波形干扰很大，但对信号的频谱影响很小。
2、在DRVI快速可重组平台上面搭建一"频谱分析仪"需要采用那些软件芯片，它们相互之间的关系
怎样，用什么方式来表达？
3电阻应变式传感器的制作
七、实验目的
1、了解电阻应变式传感器的工作原理。
2、掌握电阻应变式传感器的制作方法与步骤，了解布片方式。
3、初步掌握常温用电阻应变片的粘贴技术，粘贴质量的检查。
4、掌握焊接技术。
八、实验原理
电阻应变式传感器主要是基于电阻应变效应的，可以测定力、扭矩、加速度、压力等其他物理量。
电阻应变式传感器包括两个部分：
一是弹性敏感元件，利用它可以将被测物理量转换为弹性体的应变值；另一个是应变片作为转换元件将应变转换为电阻的变化。
应变片是粘贴式电阻应变计的简称，也有称作电阻应变片或电阻片的。
一般应变片由敏感元件、基底和引线三部分组成。
本实验主要是将应变片作为测力传感元件来用。
当用应变片测力时，应变片要牢固地粘贴在测件上，当测件受力发生变形时，应变片的敏感栅随同变形（深长或缩短），其电阻值（大部分应变片的阻值为60、120、350、600或1000，其中以120为常用）也随之发生相应的变化（增大或减小）。
然后再通过测量电路（如电桥电路），转换成电压信号输出显示，实现了非电量到电量的转化。
本实验中采用等强度梁作为试件，应变片电阻值为120Ω，贴片时一片与试件的轴线平行，一片与试件的轴线垂直，若接到电桥测量电路中，便可接成差动式结构。
九、主要仪器及耗材
试件（等强度梁或柱式元件）、常温用电阻应变片、四位电桥（QJ24）（测量应变片的阻值用）、
粘贴剂（502胶）、电烙铁、镊子、剪刀、放大镜、兆欧表（测绝缘电阻用）、数字万用表、丙酮、脱脂棉、胶带、砂纸、导线等材料。
一十、实验内容和步骤
1、试件的准备：
①根据使用需要，设计试件的形状和尺寸，并进行机械加工。
②打磨清洗：
将试件待贴片位置用细砂纸打光，最后打成45交叉纹，以提高粘附力。
再用脱脂棉蘸丙酮将贴片位置附近檫洗干净，直到棉球洁白为止，待溶剂完全挥发后再进行贴片。
2、应变片的准备：
①选片：
根据所测试件材质、受力情况、环境温度、试件的外形尺寸、使用时间等因素，选取应变片的种类。
②外观检查：
用放大镜等检查应变片有无断路、短路、霉点、铁锈等缺陷，敏感栅排列是否整齐、有无短路、缺口、断栅、划伤变形，基底是否有气泡、皱折、坑点存在，引线是否引线牢固等。
③阻值分选：
用四位电桥（或数字万用表）逐片测量应变片的阻值，并按其阻值大小分类、编号、登记、包装，测量电阻应精确到0.1Ω。
④表面处理：
用脱脂棉蘸无水乙醇擦洗，注意两面都要清洗，对没有盖层的应变片，要顺着敏感栅的方向轻轻擦洗，洗净后用红外线灯或其它烘干装置烘干备用。
⑤配桥：
要求组成电桥的各臂阻值应大致相等（R1=R2=R3=R4），或相对臂之积大致相等（R1R3=R2R4）,其最大误差限制在0.5欧姆以内，否则电桥不易平衡。
3、划线定位：
为保证测量精度，应把应变片粘贴正面定位，有两种定位方法：
①用坐标纸做模板定位，预留定位孔——挖孔，略大于所选用的应变片。
②用划针划好十字中心。
4、贴片：
贴片前将试件表面预热到400C左右，去除潮气。
贴片时将少量“502”胶（一滴即可），使其薄而均匀布满全片，甩去多余的胶水，迅速准确地贴在处理干净的试件上，在应变片上覆盖一层玻璃纸，用手指依一个方向挤压数次，挤出多余的胶水，然后换一张玻璃纸继续指压数分钟。
（注意操作过程中不得使应变片移动），待胶水固化贴牢后撕去玻璃纸，即完成贴片工作。
如需重新贴片时，一定要用细砂纸打磨去除原有胶层，重新擦洗，涂胶贴片。
5、粘贴质量检查：
①借助放大镜、镊子，检查是否贴牢、有无气泡。
②用万用表检查有无断路、短路。
③用兆欧表或高阻表检查应变片与试件间的绝缘电阻，一般应在500兆欧以上，动态测量也可在50—100兆欧以上，静态测量要求高一些。
④如工作在大电流的条件下或长期工作，应通以2～3倍工作电流，考验数分钟，不应烧断或起泡。
6、组桥连线：
①为便于连线，在应变片引线靠近贴上引线端子。
②按要求组桥（半桥或全桥）。
③注意走线规则、整齐，引线要加以固定和注意绝缘。
④焊线宜用25W以下的电烙铁，焊接时间不要过长（3～5秒），焊锡不要过多，焊点要光滑牢固，不能有虚焊。
7、防护处理：
①粘贴好的应变片为防止机械损伤和油、水的侵蚀，应加以包扎（用白布带、胶带）和涂敷护材料。
长期使用时，可在应变片所在的部位上涂上一层石蜡或凡士林，以防受潮失效。
②如果用其它粘贴剂粘贴应变片，则粘贴工艺不同，应视具体情况而变。
一十一、数据处理与分析
1、请画出传感器的布片和编号图。
2、请分析应变片在粘贴前和传感器制作好后的误差。
一十二、实验注意事项
1、擦洗应变片时要沿单一方向进行，不要来回交替擦拭。
清洗干净的表面要避免再次污染（如用
嘴吹气）及手触摸。
2、应变片正、反面不要搞错（正面有引出线），贴片时在应变片反面涂胶，即基底向下与试件粘贴。
3、502胶固化很快，所以粘贴动作要迅速，以免暴露时间过长，胶水固化，粘贴不牢。
4、胶水粘到手上时，可用硝基甲烷，二甲基甲醯胺，丙酮溶掉，如不慎溅于眼内，切忌用水冲，可涂油质眼药膏即可脱落。
5、焊接温度不能太高，焊接时间不能太长，应迅速焊接，避免高温对应变计焊端产生损伤，降低绝缘强度等。
6、焊接引线应采用柔软，材质不能太硬的线材，以免长时间受力时，线材损坏或脱落。
7、尽量在应变计焊端和接线端子之间的连接线上留出应力释放环，避免试件或弹性体长期受力或温度发生较大范围变化时，在连接线上形成内应力集中，造成引线拉断，使桥路或电路断路。
8、在操作过程中的每个细小环节都要十分谨慎，随时用万用表测量应变片是否断路和短路，发现后及时补救。
一十三、思考题
1、选择应变片的原则。
2、为什么要把阻值、灵敏度相同的应变片归在一起？
3、为什么贴片要定位？
怎样才能贴得准？
4、为什么要把多余的胶水和空气挤掉？
5、为什么要做防护处理？
4金属箔式应变片与三种测量桥路的比较
一、实验目的
1、测试应变梁变形的应变输出。
2、掌握应变片单臂、半桥、全桥的工作原理和工作情况。
3、验证应变片单臂、半桥、全桥的性能及相互之间的关系。
二、实验原理
应变片将应变的变化转换成电阻的相对变化，还要把电阻的变化再转换为电压或电流的变化，才能用电测仪表进行测量，通常采用电桥电路来实现微小阻值变化的转换。
图1是一个直流电桥，它的四个桥臂由电阻
、
、
、
组成，电阻的相对变化率分别为
、
、
、
，且
，
是供桥电压，则桥路输出
电压为：
当电桥平衡时，桥路相对臂电阻乘积相等，电桥输出电压为零，且注意相对臂受力方向一致，相邻臂受力方向相反。
根据电桥工作时参与工作的桥臂可分为：
单臂、半桥和全桥三种形式。
当四个桥臂都为应变片时，桥路的输出电压约为：
当
单臂工作时：
输出电压
电桥电压灵敏度
当
和
双臂工作时：
输出电压
电桥电压灵敏度
当
、
、
、
全桥工作时：
电桥电压灵敏度
由此可知，单臂、半桥、全桥电路的灵敏度依次增大；当E和电阻相对变化一定时，电桥的输出电压及其电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。
三、主要仪器及耗材
直流稳压电源（±4V）、电桥、差动放大器、贴于主机工作台悬臂梁上的箔式应变片、螺旋测微仪、称重砝码、数字电压表、加热器、导线等。
四、实验内容和步骤
1、设定旋钮的初始位置：
直流稳压电源打到±2V档，电压表打到2V档，差动放大器增益打到最大。
2、差动放大器调零：
开启仪器电源，差动放大器增益置于最大位置（顺时针方向旋到底），差放的正负输入端与地端连接在一起。
输出端接数字电压表2V档。
开启主机电源，用调零电位器调整差动放大器输出电压为零，然后拔掉实验线。
调零后仪器面板上的“增益、调零”电位器均不应再变动。
如果使用毫伏表，则使毫伏表输入端对地短路，调整“调零”电位器，使指针居“零”位。
拔掉
短路线，指针有偏转是有源指针式电压表输入端悬空时的正常情况。
调零后关闭仪器电源。
测微头装于悬臂梁前端的永久磁钢上，并调节使应变梁处于基本水平状态。
3、按图2将各部件连接成测量线路。
桥路中R1、R2、R3和Wd为可调电位器，r为调平衡电阻，R4为工作应变片（可任选上、下梁中的一片工作片）。
直流激励电源为±4V。
图2
4、确认接线无误后开启仪器电源，并预热数分钟，使电路工作趋于稳定。
选择适当的放大增益，然后调节电桥Wd电位器，使电压表输出为零。
5、加上砝码，每加一个读数，将测得数值填入下表：
重量W（g）
电压V（mV）
6、保持放大器增益不变，将R3换为与R4工作状态相反的另一应变片，形成半桥，调整电桥平衡电位器，使电压表输出为零。
然后依次加上砝码，同样测出读数，填入下表：
重量W（g）
电压V（mV）
7、保持差动放大器增益不变，将R1，R2两个电阻换成另两片工作片，接成一个直流全桥，通过电桥平衡电位器调好零点。
依次加上砝码，将读出数据填入下表：
重量W（g）
电压V（mV）
五、数据处理与分析
1、根据表中所测数据计算灵敏度S，并比较大小。
2、分析非线性误差，并说明误差产生的原因。
3、在同一坐标纸上描出W-V关系曲线。
六、实验注意事项
1、实验前应检查实验接插线是否完好，连接电路时应尽量使用较短接插线，以避免引入干扰。
2、接插线插入插孔，以保证接触良好，切忌用力拉扯接插线尾部，以免造成线内导线断裂。
3、稳压电源不要对地短路。
所有单元电路的地均须与电源地相连。
4、半桥和全桥实验时，应变片接入电桥时注意其受力方向。
尤其在做全桥实验时，一定要保证电路中相对臂工作方向相同。
5、直流稳压电源不能过大，以免损坏应变片。
6、在更换桥路连接时，应先将电源关闭，再接线，以免损坏应变片。
7、在实验过程中发现F/V表超量程－1或1显示，可换档将量程扩大或将差动增益减小。
8、在本实验中只能将放大器接成差动形式，否则系统不能正常工作。
9、进行上述实验时，激励电压、差动放大器增益、测微头起始点位置等外部环境必须一致，否则就无法进行比较。
七、思考题
1、本实验对直流稳压电源和差动放大器有何要求？
2、应变片桥路（差动电桥）连接应注意哪些问题？
3、电桥的灵敏度与什么因素有关？
如何用电桥特性来提高灵敏度和消除不利因素的影响？
4、测量时，电桥不平衡会对测量产生什么影响，为什么每次测量前要重新检查平衡？
5螺管型差动变压器式电感传感器的性能与位移测量
一、实验目的
1、了解差动变
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