测试技术实验指导书Word文档下载推荐.docx
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实验七机械结构特性测定………………………………………×
实验八工程信号频谱分析………………………………………×
实验一二阶系统幅频特性测试
一、实验目的
1.标定二阶测量系统的幅频特性，掌握测量系统频响特性的实验辨识（标定）方法；
2.学会信号发生器、示波器的使用。
二、实验内容
学会信号发生器、示波器的使用，熟悉二阶测量系统的幅频特性，掌握测量系统频响特性的实验辨识（标定）方法。
三、实验仪器
低频信号发生器、双通道示波器、实验板。
四、实验原理及方法
待标定的二阶系统位于实验板上，是一个由电感L，电容C和电阻R组成的无源电路网络，其线路如图1-1所示。
恰当地选取电路参数，便可构成二阶低通滤波器。
其输入输出方程为：
其中
，
。
调整R取值，使
，便可构成截止频率
的二阶巴特沃斯低通滤波器。
实验板电路参数的值为R=0~100Ω，L1.7mH，C2.2μF。
其精确值见实验板标示。
标定系统构成如图1-2所示。
用信号发生器向被标定网络输入不同频率f的谐波信号
，电路相应输出信号
由双通道示波器同时监测输入、输出的幅度Ai和Ao。
具体标定内容包括两项：
①取
，分别在f=0.5kHZ，1kHZ，1.2kHZ，1.5kHZ，1.75kHZ，2kHZ，2.1kHZ，2.2kHZ，2.3kHZ，2.4kHZ，2.5kHZ，2.6kHZ，2.7kHZ，3kHZ，3.5kHZ，4kHZ，4.5kHZ的情况下，监测信号的峰-峰值2Ai和2AO，保持2AI不变，记录2AO的数据，获取幅频特性
—f曲线。
②取
，频率f仍以以上数值改变，监测记录信号的峰-峰值，获取幅频特性曲线。
五、实验步骤
1.按照图1-2连接好标定系统。
请指导教师检查。
2.插好低频信号发生器的插头，将电压输出旋钮调至最小位置，然后打开电源开关。
按表列数据选择好输出信号频率。
调节输出电压旋钮，使信号发生器输出电压；
同时注意示波器中信号的峰-峰值2Ai在1V左右，并记住信号发生器输出电压值（以后需保持此值不变）。
3.改变信号发生器输出信号的频率（注意保持输出电压值不变），观察电路系统输出信号的峰-峰值2AO的变化，并记录下数据。
4.改变R值，重复上述步骤，取足表列的全部数据。
（注意：
改变R值时，应将信号发生器断开电源，并思考一下，对不同的R值，输入电压幅度Ai是否一定要一样？
）
5.请指导教师检查数据和仪器，经认可后，关闭电源，拔下插头，卸除导线，整理现场，归还仪器。
六、实验数据处理和实验曲线绘制
1.原始数据记录，
R（
2Ai[V]
f[kHZ]
2AO[V]
2.数据处理：
实验数据按下列表处理：
二阶RLC电路网络：
L=，C=，固有频率fn=
f/fn
A0/Ai
3.绘制实验曲线
七、讨论题
1.为什么输入的正弦电压的幅值都一样，但当频率不同时系统的输出却不一样？
2.从测量的角度来看，上述现象将会给测量工作带来什么问题？
就典型二阶系统而言，可以从哪些方面对此问题加以改善。
3.当R改变时，此电路系统的频响特性的变化趋势如何？
作为低通滤波器应用时，R应在什么范围取值？
八、实验报告要求
1.说明实验的目的、要求和使用的主要仪器设备（包括型号和编号），并简要说明实验原理。
2.给出完整的实验记录：
包括各仪器参数设置以及原始读数。
3.处理实验数据，绘出实验曲线。
4.阐述三个讨论题；
实验报告按照标准格式书写，清洁整齐，内容简明扼要。
实验二热电偶动态参数测定
1熟悉热电偶测温的原理及测量系统构成；
2掌握热电偶时间常数τ的测定方法。
学会组建热电偶动态温度测量系统，掌握热电偶时间常数的测量方法与数据处理方法，并利用该系统对热电偶的时间常数进行测定。
三、实验仪器设备
每组：
1.热电偶1支；
2.恒温水浴一台；
3.放大器一台；
4.基于虚拟仪器的数据采集系统；
优盘。
热电偶是工业上最常用的一种接触式、能量转换型、瞬态温度传感器，具有信号易于传输和变换、测温范围宽、测温上限高等特点。
动态温度的测试精度与热电偶动态特性密切相关，为了使测量结果更具有科学意义，在测试前需要对热电偶的动态特性进行标定及分析，以了解该热电偶是否能满足测试要求。
实验系统组成如图2-1所示。
一般是将热电偶的动态特性看成一阶惯性环节，热电偶是一种一阶线性测量器件，它的工作状态可用微分方程
（2-1）
来表示，其中τ是热电偶的时间常数，可由实验测定，Τi是待测温度随时间的变化规律，Τ为热电偶所指示的温度函数，也就是记录仪器得到的实验结果。
如τ过大，显然Τ≠Τi存在动态误差。
如用数值微分法求出
，代入式（2-1）计算可得到修正的待测温度变化规律。
本次实验采用直接将热电偶投掷于沸水中以此来产生温度阶跃。
然后来确定时间常数。
1按照图2-1组建实验系统；
1把一支热电偶放于而当地温度为T0℃环境中一定时间；
2用一个恒温水槽，使其中水温保持在T℃不变（T＞T0）；
3将热电偶迅速插到恒温水槽的热水中；
4记录波形；
5分析时间常数和动态误差。
六、实验数据处理
利用2种方法来获得时间常数
针对测量曲线分析结果，给出热电偶动态特性的补偿方法。
实验报告按照科技论文格式书写，清洁整齐，内容简明扼要。
1、实验名称、关键词、摘要、前言、实验目的和意义、原理、实验现象和过程实验原理，使用的主要仪器设备（包括型号和编号）。
2、给出完整的实验步骤，记录：
3、处理实验数据，绘出实验曲线或给出实验结果。
4、阐述讨论题，给出实验结论。
5、根据实验过程中存在的问题，讨论存在的问题及不足。
实验三应变片的粘贴和动态应变仪的使用
1.学习电阻应变片的粘贴技术；
2.学习应变电桥的连接和动态应变仪的使用方法。
熟悉应变测量原理及测量系统的组建，学习电阻应变片的粘贴技术；
学习应变电桥的布桥、连接和动态应变仪的使用方法，掌握应变测量系统的标定方法。
三、实验的仪器和器材
1.电阻应变片；
2.万用电表；
3.502胶；
4.丙酮（酒精）、棉花等清洗材料；
5.电烙铁、镊子、砂纸、量具等应用工具；
6.悬臂梁及砝码；
7.动态应变仪；
四、实验原理和方法
将电阻应变片牢固地粘贴在应变传感器的弹性敏感元件上，当被测物理量使弹性敏感元件变形时，电阻应变片也随之变形，并产生电阻变化。
将电阻应变片接入电桥电路（见图3-1），如果电桥初始平衡，则应变引起的电阻变化将使电桥失去平衡，产生输出电压U，它和各桥臂的应变片的应变
间存在以下关系
其中E为桥压，K为应变片的灵敏系数。
若经电阻应变仪作信号变换后送到记录仪器，就能得到反映被测物理量变化规律的永久记录。
怎样才能把电阻应变片牢固地粘贴在试件上？
应当怎样把应变片接入电桥才能得到最大的输出，并尽量抑制不需要的输入？
这是本次实验中要学习的内容。
（一）、电阻应变片的粘贴
1.用万用电表检查电阻应变片，选择阻值接近的四片应变片待用。
2.在悬臂梁上贴片位置用细砂纸打磨出
的交叉纹。
然后，用棉球蘸丙酮（或酒精）擦净粘贴位置的油污（注意：
要单向擦拭！
），直至棉球擦过后仍保持洁白为止。
3.用笔画定贴片位置（见图2-2）（注意：
画线过程中不要污染粘贴面，否则要需再次擦洗）。
4.在应变片底面上涂一层胶水，再将应变片底面朝下平放在贴片部位，用一块聚四氟乙烯薄膜盖在应变片上，用手指按住，挤出多余的胶水（注意：
不要使应变片移动或折皱用手指轻压1分钟再放开。
5.掀起聚四氟乙烯薄膜，作表观检查，看有无气泡、脱胶等现象，再用万用电表检查各应变片的电阻值是否正常。
（二）、接线和搭桥
1.剥去导线两头塑料皮（约2~3毫米），涂上焊锡。
2.用胶布将导线固定在梁上，用电烙铁把应变片引出线和测量线焊牢，并用万且电表检查电路是否畅通。
3.将悬臂梁的固定端牢牢夹紧在夹具内。
4.参照电桥盒的连线图（见图2-3），按表列状态连接好桥路，并固定好测量线。
5.将电桥盒另一端的插头插入应变仪本机的输入插座内。
（三）、动态应变仪调节使用
1.将电源线、电源箱和应变仪本机连线、应变仪输出线、万用表引线全部接好，请教师检查线路。
2.打开DY—15的电源开关，指示灯亮，电压表指示12~12.5伏。
预热5分钟后。
将万用表拨到测量直流电压20V档，接入应变仪输出线。
3.调节平衡。
将衰减开关转到“100”，观察万用表和平衡指示表是否指零（也就是电桥是否平衡），如不指零，旋转“电阻平衡”和“电容平衡”两只电位器，直到两只电表的指针均大致指零。
然后，把衰减开关依次转到“30”，“10”，“3”和“1”，并进行平衡调节，若都能达到基本平衡，则把输出开关转到“平衡10”，精细调节“电阻平衡”和“电容平衡”，使输出表的“予、静”开关不论在“予”位置还是在“静”位置，使电表指针指零，电桥达到完全平衡。
再将衰减开关扳回“100”。
（四）、测量
1.在悬臂梁上加砝码，使悬臂梁产生弯曲变形。
同时，观察万用表的读值，调节衰减开关，万用表读值在1伏左右，并将测量结果记入表内。
2.按照表2-1列的各种接桥方式进行实验（注意：
每次所加的砝码要一样）。
从理论上解释得到的实验结果。
应当特别注意，在改变线路前必须把“衰减开关”扳到0，以断开万用表和应变仪之间的电联系，防止损坏仪器。
改变线路之后，要重新调节平衡。
但测量时衰减开关的位置不应改变。
表2-1
工作方式
接线图
输出
备注
单臂
半桥、对臂
R3
半桥、邻臂
全桥
为得到最大输出，请自行确定怎样布局
六、讨论题
1.本实验的目的和所要测量的主要内容是什么？
2.在测量前为什么要调节电桥平衡？
调节的原理是什么？
3.如果“电阻调节”和“电容调节”电位器不足以使电桥平衡，还有什么别的办法吗？
七、实验报告要求
1.说明本实验的目的，要求及测量系统的组成；
2.贯彻理论联系实际的精神，运用电桥工作原理，解释观察到的实验现象；
3.实验报告应逻辑严密，内容简练，书写工整
实验四压力测量系统静态标定及动态压力测量
1、了解压力传感器静态标定的原理；
2、掌握压力传感器静态标定的方法；
3、确定压力传感器静态特性的参数；
4、掌握压力测量系统的组建及动态压力测量的方法。
掌握压电式压力传感器、电荷放大器、数据采集系统的使用方法，组建压电式压力测量系统，分别对该系统进行静态特性标定和动态压力测量。
静标：
活塞式压力计、标准压力表（精度：
0.4级，量程：
0~10MPa）、被标定的压力传感器（型号：
AF1800，量程：
0~10MPa）、数字万用表、标准砝码、工作液体（蓖麻油）。
动态测试：
国营江西传感器厂制造的SYC-1000型石英压力传感器（两支）、YE5850A型电荷放大器（两个）、落锤液压动标装置（四套）、NationlInstruments数据采集系统（一台）、显示器（一台）、蓖麻油（三瓶）、信号线（两条）。
理想状态下准静态载荷（输入信号特征频率远低于传感器固有频率）：
输入（压力）和输出（电荷）近似成线性关系（石英压力传感器的线性度较好）；
动态载荷（输入信号特征频率接近甚至高于传感器固有频率）：
二阶线性系统模型。
但真实情况和理想的数学模型之间的通常存在一定的偏差，原因有：
1）电荷泄漏
理想模型认为传感器绝缘电阻为无穷大，而真实传感器的绝缘电阻并非无穷大（石英晶体：
1013Ω；
压电陶瓷：
1010Ω），必将导致一定程度的电荷泄漏；
另一方面，电荷放大器为了对传感器的微弱信号进行放大，必然要从传感器中取一定电流，从而增加了传感器电荷的泄漏。
所以通常的电荷放大器的输入级都具有极高的输入阻抗，并要求设备防潮，以避免由于受潮带来的阻抗下降。
但是，由于外加压力而产生的电荷量很少，即使少量的电荷泄漏也会对输出信号造成明显的影响，该影响不可忽略。
2）电荷放大器的频率响应
对于静标试验，输入载荷的特征频率很低，故对二次仪表（电荷放大器）的低频响应有较高的要求，否则经过二次仪表的高通滤波，信号将会失真,因此，电荷放大器做定标时，要将下限频率调到较低的数值。
3）噪声
由于本实验采用的传感器量程很大（100bar～300bar），而实际载荷只有数个大气压，必然导致得到的信号信噪比较低。
但实验表明，以如此小的压力加载，输出信号的噪声幅值依然较小，可以接受。
压力传感器的标定，就是通过实验建立传感器输入量和输出量之间的关系，同时也确定出不同使用条件下的误差关系。
压力传感器的静态标定，主要指通过一系列的标定曲线得到其静态特性指标：
非线性、迟滞、重复性和精度等。
静态标定系统组成如图4-1所示。
图4-1压力校准系统结构原理
A,b,c—切断阀，d—进油阀
1被校传感器；
2进油阀；
3传感器安装位；
4压力发生器；
5工作液；
6压力表；
7手轮；
8丝杠；
9工作活塞；
10被校油杯
压力发生器施加压力作用于密闭系统内的工作液体，根据系统内工作液体的压力相平衡原则时，被标定传感器所测量的压力值与与压力表所测量的压力值相等。
由压力发生器推动工作活塞，处于不同的行程，工作液体就可处于不同的平衡压力下，因此可以方便而准确地由平衡时压力表的读数得到压力p的数值。
由此，就可以通过比较压力传感器测量的压力值和标准表上的示值进行校准，对压力传感器进行静态标定。
2动态压力测量
实验系统的工作组成框图如图4-2，测量系统由落锤式压力发生器作为半正弦压力源，选用压电式压力传感器、电荷放大器及基于PXI总线系统的数据采集系统组成。
系统工作原理：
利用落锤液压装置在油缸中产生一个半正旋压力脉冲，该脉冲通过传感器的压电效应实现非电量到电信号的转换，传感器把输出的电荷信号经过电荷放大器放大输入数据采集系统。
在数据采集系统中把输入的电荷信号转换成电压信号进行测量。
传感器选取国营江西传感器厂制造的SYC-1000型石英压力传感器。
SYC-1000型石英压力传感是利用石英晶体固有的压电效应将压力信号转换成电信号的能量转换器，采用膜片式焊接密封结构，选用特种钢制造而成，具有精度高、频带宽、体积小、重量轻、强度高、耐腐蚀、抗振动、寿命长，并能在恶劣环境条件下工作等优点。
图4-2测压系统组装图
在进行实验过程中，安装传感器及注入蓖麻油的过程很关键，直接关系到实验的成败。
在旋入传感器前应先对油缸进行清洗，防止铁屑等残留物划伤传感器。
拧入传感器时要用力适中，太紧有可能损坏传感器，太松又有可能导致漏油，使油缸中的压力达不到预期值。
注入蓖麻油前应先对精密活塞缸套件进行测试，使精密活塞可以在活塞缸中自由移动，测试方法是用手堵住活塞缸下端，向上提起活塞一段高度后松开，看看活塞是否能自由缓慢落回。
实验时应先注入蓖麻油再进行传感器安装，这样做的目的是可以排除测压本体中传感器通道中的空气。
同时应注意油注高度应略大于油缸上表面，目的也在于防止空气进入。
在完成上述工作之后可以旋入精密活塞缸套件，完成造压本体组装工作。
同时应注意活塞的外露高度尽可能保持在10mm左右，这样测量结果才具有可比性。
其组装图如图4-3所示。
图4-3造压本体组装图
安装完成本体后可进行电荷放大器的连接及参数设置。
两个传感器引出的信号线分别接到两个电荷放大器输入端（注意连接的是电荷输入端，并且在连接之前应对其进行接地放电，以免烧毁电荷放大器或是造成测量误差）。
由于实验中的传感器没有进行标定，灵敏度直接按照说明书中灵敏度进行参数设置，电荷放大器的上限频率选“3KHz”档，下限频率选“M”（Measure）档，放大倍数选“10”档。
安装并且设置完成电荷放大器后对NationalInstruments数采系统的2号槽（根据信号线所插的槽号进行选取）的1、2通道（根据信号线所插的通道号进行选取）进行参数设置，选取触发电压为0.5V，触发方式为内触发，由于此次实验的传感器的量程是0MPa-100MPa，因此量程设置为10V。
完成上述准备工作后便可以进行落锤液压动标装置的数据采集工作。
五、实验注意事项
1、每次施加压力时注意一定要平稳；
2、实验数据应记录清楚、准确；
3、加减压操作时，注意正反行程的含义，不能反复进行调节；
4、注意传感器与造压本体连接处密封情况；
5、动态压力测量时，释放落锤时注意安全，不得将任何杂物或身体某部放在造压本体附件。
六、实验方法及实验结果记录
1静态标定：
1）根据实验设备设计实验电路连线图，装配、检查各种仪器、传感器及压力表。
2）检查实验电路及油路。
3）加载、卸载，注意数据变化，并记录。
压力传感器加载、卸载实验记录
压力表压力（KPa）
1
2
3
4
5
6
7
8
9
压力传感器输出电压（V）
4）分析、计算、处理实验数据，作出压力传感器的静态特性图，非线性、迟滞、重复性。
5）用方和根法计算系统误差。
2动态压力测试
活塞组件有三组，其活塞面积分别为2cm2、1cm2、0.5cm2。
体积调节塞选取直径为
记录数据采集系统测量的半正弦波形。
按照要求撰写实验报告
实验五电涡流传感器在位移测量中的应用
了解电涡流式传感器的原理及工作性能。
了解电涡流式传感器的原理及工作性能，不同金属材料对传感器灵敏度的影响，熟悉电涡流式传感器的测量位移的方法。
涡流变换器,V/F表,测微头,铁、铝、铜测片,涡流传感器,见图2。
图2-1
图5-1
电涡流式传感器由一平面线圈组成,金属片安装在其平行的振动台上,当线圈中通以交变电流后,金属片上产生电涡流,涡流大小不同,影响阻抗Z的程度不同,而涡流大小与金属板的电阻率、导磁率、厚度、温度以及线圈与金属板表面的距离Y有关,当线圈、被测体、激励源已确定,并保持环境温度不变,阻抗Z只与距离Y有关,将阻抗变化经涡流变换器变换成电压U输出,则输出电压是位移量Y的单值函数,其关系和曲线可由图1表示。
图1图
图1
五、实验步聚
1.装好电涡流传感器,并接入变换器,传感器对准金属测片。
2.用测微头移动振动台,使传感器与金属片接触,此时涡流变换器电压输出为零,由此开始每隔0.1mm位移用电压表读取变换器输出电压值,将数据填入下表,直到线性严重破坏为止。
3.整理实验数据,作出V-X曲线,指出大致的线性范围,求出灵敏度。
4.分别对铝、铜、铁被测体进行测量记录数据,作出曲线。
5.分别找出各被测体的线性范围,求出系统灵敏度。
六、测量记录及记录曲线
X（mm）
V铝（v）
X铜（v）
V铁（v）
七、实验结果
系统灵敏度S=
铁测体灵敏度S=
铝测体灵敏度S=
铜测体灵敏度S=
按实验过程写出实验报告。
实验六运动物体速度测量
通过本实验，使学生掌握永磁式感应测速传感器的工作原理以及该类型的测速传感器的测试和标定方法
熟悉磁电式测速传感器的测量原理，利用磁电式测速传感器测量典型机构运动速度，了解速度信号的标定及处理方法。
三、实验设备
永磁式感应测速传感器、速度发生器、测量放大器、数据采集系统
图6-1磁电式测速传感器结构图
磁电式测速传感器结构如图6-1所示，1为运动体上嵌入的永久磁铁，2和5为铁芯，3和6为速度线圈，7为位移线圈。
其中速度线圈均匀密绕，采用串联连接方式；
位移线圈相邻两个位移绕组的绕向相反，相邻绕组之间距离称为节距，如下图6-2所示：
图6-2节距示意图
永磁感应测速传感器基于电磁感应原理，采用两组速度线圈绕组串联，提高了传感器灵敏度，并且消除运动体振动。
有以下公式：
由于B是恒定的，保证了输出信号的线性关系，同时消除了上下的振动带来的影响。
采用位移线圈绕组的原因是目前国内外没有线速度标准源，无法对速度信号进行标定。
而位移线圈产生的信号如图6-3所示：
图6-3位移信号产生示意图
图中锯齿波的峰—谷、谷—峰为运动体运动了一个节距的距离，疏密程度可以判断运动体速度大小（疏——速度慢；
密——速度快）。
可利用此信号对速度信号进行标定，根据公式6-1进行计算速度信号的灵敏度。
采用数值积分法对系统进行标定。
其标定方法如下：
在位移标识信号中找出n个波峰间隔，第一个波峰对应的采样点数为n1，第二个波峰对应的采样点数为n2，设速度曲线输出的对应采样点i的输出采样值为yvi，则有速度曲线的灵敏度kv为：
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