《机械工程测试技术》实验指导书.docx
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《机械工程测试技术》实验指导书
《机械工程测试技术》
实验指导书
山东大学机械工程学院实验中心
2008年2月
实验一信号分析实验——————2
实验二传感器的标定实验——————8
实验三测试装置特性实验——————————15
实验四静态应力应变测试实验——————23
实验五动态应力应变测试实验——————33
实验六机械振动测试梁的固有频率测定实验————42
实验七传感器应用---转速测量实验————48
实验八扭转振动测量实验————————38
实验九设计实验—————————————50
实验一信号分析
一、实验目的
1.掌握信号时域参数的识别方法，学会从信号时域波形中观察和获取信号信息。
2.加深理解傅立叶变换的基本思想和物理意义，熟悉典型信号的频谱特征，掌握使用频谱分析提取测量信号特征的方法。
3.理解信号的合成原理，观察和分析由多个频率、幅值和相位成一定关系的正弦波叠加的合成波形。
4.初步了解虚拟仪器的概念。
二、实验原理
1．信号时域分析
信号时域分析又称为波形分析或时域统计分析，它是通过信号的时域波形计算信号的均值、均方值、方差等统计参数。
信号的时域分析很简单，用示波器、万用表等普通仪器就可以进行分析。
通过本实验熟悉时域参数的识别方法，能够从信号波形中观测和读取所需的信息，也就是具备读波形图的能力。
2信号频谱分析
信号频谱分析是采用傅里叶变换将时域信号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。
频谱是构成信号的各频率分量的集合，它完整地表示了信号的频率结构，即信号由哪些谐波组成，各谐波分量的幅值大小及初始相位，揭示了信号的频率信息。
信号频谱X（f）代表了信号在不同频率分量成分的大小，能够提供比时域信号波形更直观，丰富的信息。
工程上习惯将计算结果用图形方式表示，以频率f为横坐标，X（f）的实部
和虚部
为纵坐标画图，称为时频－虚频谱图；以频率f为横坐标，X（f）的幅值。
和相位
为纵坐标画图，则称为幅值－相位谱。
附：
软件介绍
机械工程测试实验程序是以LabVIEW为平台开发的虚拟仪器软件，程序包含了信号分析、信号合成、采样定理、窗函数、相关分析等子程序。
程序可以按照设定的信号类型、频率、相位等参数生成仿真信号，并可以对生成的信号进行频谱分析、信号合成、滤波等操作。
波形可以通过显示窗口中呈现出来（如图1-1所示）。
图1-1
波形显示缩放的操作坊法
在显示窗口中的工具栏
，可以对窗口中的波形现实进行调整。
1
拖动工具：
用来对波形进行拖动；
2
缩放工具：
来实现对波形的多种形式的缩放，此包括图1-2所示的选择项。
矩形区域缩放：
实现对选定区域放大；
X轴缩放：
对选区域沿横坐标放大；
Y轴缩放：
对选区域沿纵坐标放大；图1-2
自适应缩放：
将波形在XY轴上自动缩放至窗口大小。
三.实验内容
1.分析典型信号的幅值谱特性；
2.分析合成信号的频谱特点；
四.实验仪器和设备
1.计算机2.机械工程测试实验软件
五、实验步骤：
一、打开“机械工程测试实验”程序，选择进入“信号分析”子程序。
1.设置一个周期信号的频率、幅值、相位等参数，调整信号显示缩放，分析典型信号的幅值和频率，记录数据并填写表1-1。
2．在非周期信号面板中选择不同的信号，设置相关参数，调整信号显示缩放，观察记录不同信号的频谱，记录数据并填写表1-2。
3．观察噪声的频域特点。
二、打开“信号合成”子程序，设置滤波器为off，设置白噪声幅值为0
1.设置信号1和信号2为同频、不同相位的正弦波，观察验证合成信号的幅值和相位。
2.两个频率接近、振幅不等的正弦信号迭加就会形成“拍振”。
设置信号1和信号2为频率相近的正弦波，观察合成信号的特点，并记录数据和波形填写表1-3。
3.设置信号1和信号2为不同类型信号，观察合成信号频谱的特点，能够从频谱中看出合成信号的组成。
实验报告
姓名班级时间同组者
一、实验目的
二、实验设备
三、预习作业
1简述信号分类
2写出信号：
方波、三角波、锯齿波、Sin（ωt）×e（-at）的傅立叶级数展开式
3推导下列公式
（1）积化和差A×sin（ωt）×（3-sin（10πt））
（2）和差化积A1×sin（ω1t+φ1）+A2×sin（ω2t+φ2）
四、实验结果
表1-1典型周期信号频谱数据
信号
正弦波
三角波
锯齿波
方波
频率
幅值
相位
占空比：
峰值
频率
幅值
频率
幅值
频率
幅值
频率
幅值
1
2
3
4
5
6
表1-2非周期确定性信号的频谱数据
信号
A×sin（ωt）×（3-sin（10πt））
Sin（ωt）×e（-at）
频率
幅值
峰值
频率
幅值
频率
幅值
频率
幅值
1
2
3
4
表1-3“拍振”数据及波形
频率
幅值
信号1
信号2
合成信号
合成信号波形
总结周期信号、非周期确定性信号、非周期确定性信号和白噪声的频谱特点？
实验二传感器（电感式）性能测试实验
一、实验目的：
1、了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。
2、了解不同的被测体材料对电涡流传感器性能的影响。
3、了解被测体的形状和尺寸对电涡流传感器位移特性的影响。
4、掌握电涡流传感器的标定方法。
二、实验仪器：
CSY-2000传感器与检测技术实验台：
涡流传感器，涡流变换器，直流电源，测微头，铁测片，铝测片，电压表。
三、实验原理：
如图
（1）：
涡流传感器测量原理图。
通过高频电流的线圈产生磁场，当有导电体接近时，因导电体涡流效应产生涡流损耗，而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。
涡流效应与金属导体本身的电阻率和磁导率有关，因此不同的材料就会有不同的性能。
电涡流传感器在实际应用中，由于被测体的形状、大小不同，会导致被测体上涡流效应的不充分，会减弱甚至不产生涡流效应，因此影响电涡流传感器的静态特性，所以在实际测量中，往往必须针对具体的被测体进行静态特性标定。
四、实验步骤：
1、观察涡流传感器的结构，根据图2－2所示，安装电涡流传感器和测微头。
2、在测微头端部装上铁质金属圆片，作为电涡流传感器的被测体。
图2-2电涡流传感器安装示意图
3、根据图2－3所示，将电涡流传感器输出线接入实验模板上标有L的两端插孔中，作为振荡器的一个元件。
4、将实验模板输出端Vo与数显单元输入端Vi相接。
数显表量程切换开关选择电压20V档。
5、用连结导线从主控台接入15V直流电源接到模板上标有＋15V的插孔中。
图2－3电涡流传感器位移实验接线图
6、开启主控箱电源开关，调节测微头使铁测片与传感器线圈端部接触，此时电压表读数为0，记下数显表读数，然后每隔0.25mm读一个数，直到输出几乎不变为止（或线性严重破坏为止）。
将结果记入表2－1。
7、关断电源，将测微头复原，在测微头端部装上面积大铝测片，接通电源，调节传感器使之与铝测片接触，此时电压表读数为0。
旋转测微头，改变传感器与被测体的距离，每隔0.25mm读电压表读数，记入数据表格2-1，直到线性严重破坏为止。
8、关断电源，将测微头复原，在测微头端部装上面积小铝测片，接通电源，调节传感器使之与铝测片接触，此时电压表读数为0。
旋转测微头，改变传感器与被测体的距离，每隔0.25mm读电压表读数，记入数据表格2-1，直到线性严重破坏为止。
9、关闭电源，拆下连接导线、涡流传感器、测微头，将实验模块放入实验台内。
五、实验数据记录及处理：
1、数据记录见下表：
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铁（V）
V铝（V）
V铝小
位移X（mm）
2.25
2.50
2.75
3.00
3.25
3.50
3.75
4.00
4.25
V铁（V）
V铝（V）
V铝小
位移X（mm）
4.50
4.75
5.00
5.25
5.50
5.75
6.00
6.25
6.50
V铁（V）
V铝（V）
V铝小
2、数据处理：
以位移为横坐标，V铁（V铝）为纵坐标，在同一坐标系上作出V铁-X曲线，V铝-X曲线，V铝小-X曲线。
如图2-4：
V铁（铝）
（v）
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
012345X（mm）
图2-4V铁（铝）---X曲线
（1）从曲线上找出涡流传感器的线性工作范围。
线性工作范围为：
X铁=至mm；
X铝=至mm；
X铝小=至mm；
（2）求线性范围的灵敏度S铁，S铝。
线性范围的灵敏度为：
S铁=V/mm；
S铝=V/mm
S铝小=V/mm
（3）用端点法作出拟和曲线，求出线性度δL（仅限铁测片）。
线性度δL（铁）=
（4）确定涡流传感器的最佳工作点（即用涡流传感器测振动时，涡流传感器离被测体的最佳距离为多少
涡流传感器的最佳工作点为：
δ铁0=mm
δ铝0=mm
δ铝小0=mm
3、分析讨论
（1）被测体材料对涡流传感器工作特性有何影响？
答：
（2）被测体材面积对涡流传感器工作特性有何影响？
答：
（3）、电涡流传感器的量程与哪些因素有关，如果需要测量±5mm的量程应如何设计传感器？
（4）、用电涡流传感器进行非接触位移测量时，如何根据量程使用选用传感器。
（5）、当被测体为非金属材料如何利用电涡流传感器进行测试？
（6）、目前现有一个直径为10mm的电涡流传感器，需对一个轴直径为8mm的振动进行测量？
试说明具体的测试方法与操作步骤。
实验三滤波器特性实验
一、实验目的：
1、掌握动态特性的含义及其测量方法。
2、以RC滤波器为例掌握滤波器特性的测试方法。
3、明确RC滤波器各有关参数的含义及确定方法。
二、实验仪器：
EGC-3230型数字信号发生器额，YE3790型高、低通组合滤波器，TD1914C交流毫伏表，导线若干。
三、实验原理：
如图：
图3-4、测试系统原理图
图3-1、图3-2、图3-3分别为低通、高通、带通滤波器的原理图。
如图3-4，信号发生器的输出接到滤波器的输入端，滤波器的输出端接交流毫伏表，当直通/滤波开关接通时，用毫伏表测量滤波器的输入电压，当直通/滤波开关断开时，用毫伏表测量滤波器的输出电压；确定输出电压和输入电压的比值与输入信号频率的函数关系，即为滤波器的频率特性，从频率特性曲线上可以确定滤波器的各个参数。
四、实验步骤：
1、选择低通滤波器，将理论截至频率旋钮转到合适位置，并记下截至频率值。
2、将毫伏表量程选择开关打在1V档。
4、将信号发生器的频率调到20Hz，输出电压调到0V，信号发生器的输出端接到低通滤波器的输入端，低通滤波器的输出端接到毫伏表上。
5、接通电源，调节信号发生器的输出电压，用毫伏表测滤波器的输入电压，使毫伏表的读数为0.8V左右。
6、逐级改变信号发生器的频率，在毫伏表上逐次读取各频率下滤波器的输入和输出电压。
将数据填入表格3-1。
7、将信号发生器的频率调回20HZ，输出电压调到0V，关闭电源。
8、选择高通滤波器，将理论截至频率旋钮转到合适位置，并记下截至频率值。
信号发生器的输出端接到高通滤波器的输入端，高通滤波器的输出端接到毫伏表上。
9、重复步骤4、5、6。
将数据填入表格3-2。
10、将低通滤波器的输出接至高通滤波器的输入端，保持原低通滤波器、高通滤波器的截至频率不变，并记下截至频率值。
信号发生器的输出端接到低通滤波器的输入端，高通滤波器的输出端接到毫伏表上。
11、重复步骤4、5、6。
将数据填入表格3-3。
五、实验数据记录及处理：
1、数据记录见表格3-1、3-2、3-3：
2、数据处理：
以输入频率为横坐标，以输出/输入幅值比为纵坐标，分别作出三种滤波器的幅频特性曲线。
见下图3-5、3-6、3-7：
3、分析讨论：
（1）从低、高通滤波器特性曲线上找出其相应的截止频率（在曲线上标出），并与理论值比较。
低通滤波器的上截止频率：
测试值fc2=
理论值fc’2=
误差δ2=
高通滤波器的上截止频率：
测试值fc1=
理论值fc’1=
误差δ1=
（2）带通滤波器特性曲线上找出带通滤波器的上、下截止频率（在曲线上标出），确定带通滤波器的带宽、中心频率及倍频程选择性。
带通滤波器的下截止频率测试值fc1=
上截止频率测试值fc2=
带通滤波器的带宽B=
中心频率f0=
倍频程选择性=
表格3-1：
低通滤波器
理论截至频率
输入频率
（Hz）
输入幅值
（V）
输出幅值
（V）
输出、输入
幅值比
20
30
40
60
80
100
200
300
400
500
600
700
800
1000
2000
3000
6000
8000
表格3-2：
高通滤波器
理论截至频率
输入频率
（Hz）
输入幅值
（V）
输出幅值
（V）
输出、输入
幅值比
20
30
40
60
80
100
200
300
400
500
600
700
800
1000
2000
3000
6000
8000
表格3-3：
带通滤波器
理论截至频率
输入频率
（Hz）
输入幅值
（V）
输出幅值
（V）
输出、输入
幅值比
20
30
40
60
80
100
200
300
400
500
600
700
800
1000
2000
3000
6000
8000
图3-5、低通滤波器幅频特性曲线
图3-6、高通滤波器幅频特性曲线
图3-7、带通滤波器幅频特性曲线
实验四静态应力应变测试
一、实验内容：
1、单臂电桥、半桥、全桥性能测试及比较实验
2、直流全桥的应用---电子秤实验
二、实验目的：
1、了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥、半桥和全桥的工作原理和性能。
2、比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，了解其特点。
3、了解应变直流全桥的应用及电路的标定。
三、实验原理：
电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应。
描述电阻应变效应的关系式为：
ΔR／R＝Kε式中ΔR／R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数,ε=Δl/l为电阻丝长度相对变化
金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转换被测部位受力状态变化，电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。
对单臂电桥，只有一只应变片作为一个桥臂，其桥路输出电压
Uo1=EKε/4。
不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边就构成了半桥桥路，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。
当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压UO2＝EKε／2。
全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值：
R1＝R2＝R3＝R4，其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输出电压U03＝KEε。
其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。
四、实验设备：
应变式传感器实验模板、应变式传感器－电子秤、砝码、数显表、±15V电源、±4V电源、万用表（自备）。
五、实验步骤：
1、根据图（4－1）应变式传感器（电子秤）已装于应变传感器模板上。
传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。
加热丝也接于模板上，可用万用表进行测量判别，R1＝R2＝R3＝R4＝350Ω，加热丝阻值为50Ω左右
2、接入模板电源±15V（从主控台引入），检查无误后，合上主控台电源开关，
3、将实验模板调节增益电位器RW3顺时针调节大致到中间位置，再进行差动放大器调零，方法为将差放的正负输入端与地短接，输出端与主控台面板上数显表输入端Vi相连，调节实验模板上调零电位器RW4，使数显表显示为零（数显表的切换开关打到2V档）。
关闭主控箱电源（注意：
当Rw3、Rw4的位置一旦确定，就不能改变。
一直到做完实验为止）。
图4－1应变式传感器安装示意图
图4－2应变式传感器单臂电桥实验接线图
4、如图4－2所示，将应变式传感器的其中一个电阻应变片R1（即模板左上方的R1）接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥（R5、R6、R7模块内已接好），接好电桥调零电位器RW1，接上桥路电源±4V（从主控台引入）。
检查接线无误后，合上主控台电源开关。
调节RW1，使数显表显示为零。
5、在电子称上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g（或500g）砝码加完。
记下实验结果填入表4－1，关闭电源，取出砝码。
图4－3应变式传感器半桥实验接线图
6、根据图4－3接线。
R1、R2为实验模板左上方的应变片，注意R2应和R1受力状态相反，即将传感器中两片受力相反（一片受拉、一片受压）的电阻应变片作为电桥的相邻边。
接通电源，接入桥路电源±4V，调节电桥调零电位器RW1进行桥路调零，使数显表显示为零。
7、在电子称上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g（或500g）砝码加完。
记下实验结果填入表4－2，关闭电源，取出砝码。
（若实验时无数值显示说明R2与R1为相同受力状态应变片，应更换另一个应变片。
）
图4－4全桥性能实验接线图
8、根据图4－4接线。
R1、R2、R3、R4、为实验模板左上方的应变片，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边组成全桥，接通电源，接入桥路电源±4V，调节电桥调零电位器RW1进行桥路调零，使数显表显示为零。
9、在电子称上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g（或500g）砝码加完。
记下实验结果填入表4－3，关闭电源，取出砝码。
六、实验数据记录及处理
1、数据记录见下表
表格4-1单臂测量时，输出电压与加负载重量值
重量（g）
电压（mv）
表格4-2半桥测量时，输出电压与加负载重量值
重量（g）
电压（mv）
表格4-3全桥测量时，输出电压与加负载重量值
重量（g）
电压（mv）
2、数据处理
在同一坐标系下画出单臂、半桥、全桥的重量与输出电压的关系曲线m—V曲线。
如图4-5
V单臂、半桥、全桥
（v）
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
012345m（g）
图4-5直流电桥性能曲线m-V曲线
（1）根据图4-5曲线，计算系统灵敏度S＝ΔU/ΔW（ΔU输出电压变化量，ΔW重量变化量）
S单臂=
S半桥=
S全桥=
（2）根据图4-5曲线，计算系统非线性误差δf1=Δm/yF..S×100％式中Δm为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差：
yF·S满量程输出平均值，此处为200g（或500g）。
δf1单臂=
δf1半桥=
δf1全桥=
3、分析讨论
（1）、根据单臂、半桥和全桥输出时的灵敏度和非线性度，从理论上进行分析比较单臂、半桥、全桥的性能并阐述理由。
（2）、单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：
（1）正（受拉）应变片
（2）负（受压）应变片（3）正、负应变片均可以。
答案（）
（3）、半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在：
（1）对边
（2）邻边。
答案（）
（4）、桥路（差动电桥）测量时存在非线性误差，是因为：
（1）电桥测量原理上存在非线性
（2）应变片应变效应是非线性的（3）调零值不是真正为零。
答案（）
（5）、全桥测量中，当两组对边（R1、R3为对边）电阻值R相同时，即R1＝R3，R2＝R4，而R1≠R2时，是否可以组成全桥：
（1）可以
（2）不可以。
答案（）
（6）、某工程技术人员在进行材料拉力测试时在棒材上贴了两组应变片，如图4-6，如何利用这四片电阻应变片组成电桥，是否需要外加电阻。
试画出桥路。
图4－6应变式传感器受拉时传感器圆周面展开图
（7）、温度对应变片测试系统有何影响？
金属箔式应变片温度影响有哪些消除方法？
（8）、
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