测试技术基础实验说明书.docx
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测试技术基础实验说明书
测试技术基础
实验说明书
北京航空航天大学
机械学院机械制造实验室
实验一光栅传感器测位移实验
１）.实验目的
１.了解光栅传感器的基本结构、特点、工作原理。
２.掌握光栅传感器测量位移的原理及方法。
２）．实验原理
光栅位移传感器由光源、聚光灯、标尺光栅、指示光栅和光电元件组成。
光源发出的光线经过透镜照射在光栅上，再通过光栅照射在光电元件上，把光信号转换
成电信号。
光栅测量位移的工作原理是基于莫尔条纹现象。
两块栅距w相同，黑白宽度相同的长光栅，当它们的刻线面彼此平行互相靠近，且沿刻线方向保持成一个很小的夹角θ时，由于遮光效应或光的衍射作用，在a-a线上，两块光栅的黑色刻线相交，透光缝隙相重，因此形成一条亮带。
在b-b线上，一块光栅上的黑色刻线正好将另一块光栅的透光部分挡住，形成一条暗带。
这些明暗相间的条纹就是所谓的莫尔条纹。
当光栅透过的光线越多，光电元件的输出越大，当光栅透过的光线越少，输出信号与位移间的关系可近似的用正弦函数表示。
即：
V=Vo+VmSin（2πx/w）
式中：
V--光电元件输出的电压信号；Vo--输出信号中的平均直流分量；
Vm--输出正弦信号的幅值；W--栅距。
X--两光栅间的瞬时相对位移量。
由上式可见，光电元件的输出电压的大小反映了光栅瞬时位移量的大小，从而实现了位移量向电量的转换。
在实际应用中，被测物体的移动方向是经常改变的，而莫尔条纹的明暗变化只与位移有关，而与位移方向无关，为了辨别位移的方向必须增加一个观测点，然后根据两个观测点输出信号U1、U2间的相位关系来定位移的方向。
当光栅正向运动时，U1超前U290度，当光栅反向运动时，U2超前U190度，利用这一特点，便可构成简单的辨向电路。
通常采用的是“四倍频辨向电路”。
所谓四倍频电路是一种位置细分法，就是使正弦信号在0度、90度、180度、270度都有脉冲输出，可使测量精度提高四倍。
将辨向电路输出信号（Y1、Y2）送到加、减计数电路进行记数，再通过译码驱动电路，将位移量显示出来。
本实验所采用的光栅栅距为0.02毫米，即每毫米为50对线，经四倍频后，每移动一毫米则应显示200。
３）.实验内容
１＞实验装置
２＞实验步骤
1.熟悉四倍频辩向电路图，熟悉74LS04、74LS00、74LS54四件的功能，按照线路图插接线路板。
2.检查无误后，再通过实验，同时用示波器观察各点的波形，并将辩向、四倍频波形描绘下来。
3.与光栅传感器联调，测试板首先清零显示为00000，移动动尺前进100mm，观察记数显示结果并记录下来，然后动尺后退到原点，观察记录显示结果并记录下来。
４）.实验报告
简述四倍频辨向电路的工作原理并画出其波形图。
实验二：
电容式、涡流式传感器的特性及应用实验
1、实验目的
1.了解电容式传感器的基本结构，掌握二极管环形电桥的工作原理；
2.了解涡流式传感器的基本结构及特性，掌握涡流式传感器的工作原理及应用方法。
2、实验装置
HY-811C型传感器与检测技术实验平台，如图1所示。
该平台主要由台体、主面板、各传感器组件、各传感器实验单元等组成。
各实验中都要用到主面板（直流稳压电源、数字电压表、差动放大器板）、位移台架及导线。
除此之外，各实验还要使用一些单独的实验模块：
1.电容式传感器实验还使用电容式传感器、电容式传感器转换电路板。
2.电涡流式传感器还使用转速与频率表（在主面板上）、涡流式传感器、涡流式传感器转换电路板、铁片、铜片和铝片、转速传感器、电机调速装备（光电传感器转换电路中）等。
图1HY-811C型传感器与检测技术实验平台
3、电容式传感器特性实验
（1）变面积式电容传感器特性实验
1.实验原理及电路
实验电路框图如图2所示。
电容的变化通过电容转换电路转换成电压信号，经过差动放大器后，用数字电压表显示出来。
图2电容式传感器实验电路框图
图3电容转换电路原理图
图4二极管环形电桥原理图
图2的电容转换电路图如图3所示。
图中的信号发生器用于产生方波信号。
电容转换由二极管环形电桥完成，二极管电桥工作原理如图4所示。
固定频率的方波脉冲由A点输入，在方波的上升沿，C0被充电，充电途径是VD3→C0；与此同时，CX1也被充电，其充电途径是C9→VD5→CX1。
在方波的下降沿，C0和CX1都放电，C0的放电途径是C0→VD4→C9；CX1的放电途径是CX1→VD6。
由于C9在一个周期内的充电和放电平均电流分别为IU=fVpCX1和ID=fVpC0，式中f是脉冲频率，VP为方波峰值电压，因此AB间的平均电流I=ID-IU=fVp（C0-CX1）。
从该式中可以看出电容的变化与AB之间电流成正比。
在图3中，增加了L1、L2、C10和R6。
L1和L2对高频方波的阻抗很大，而直流电阻很小，与R6一起形成了A、B间的直流通路，使充放电流的直流分量得以通过。
C10用作滤波。
这样R6两端输出的直流电压就与电容的变化量成正比。
2.实验步骤
1）固定好位移台架，将电容式传感器置于位移台架上，调节测微器使其指示15mm左右。
将测微器装入位移台架上部的开口处，再将测微器测杆与电容式传感器的动极旋紧。
然后调节两个滚花螺母，使电容式传感器的动极上表面与静极上表面基本平齐，且动极能上下轻松滑动，这时将两个滚花螺母旋紧。
2）差动放大器调零。
将主面板上的+15V、-15V和地端，用导线连接到差动放大器上，将放大器放大倍数电位器RP1旋钮（对应主面板上增益旋钮）顺时针旋到终端位置；用导线将差动放大器的正负输入端短接，再将其输出端接到数字电压表的输入端；电压量程切换开关拨至20V挡；接通电源开关，旋动放大器的调零电位器RP2旋钮，使电压表指示向零趋近，然后切换到2V量程挡，旋动调零电位器RP2旋钮使电压指示为零；此后调零电位器RP2旋钮不再调节，根据实验适当调节增益电位器RP1。
3）按图3连线，将可变电容CX1与固定电容C0接到实验板上，位移台架上的接地孔与转换电路的地线相连接。
4）接通电源，调节测微器使输出电压Uo接近零，然后上移或下移测微仪1mm，调节差动放大器增益，使输出电压的值为200400mV左右，再回调测微器，使输出电压为0mV，并以此为系统的零位，分别上旋和下旋测微器，每次0.5mm，上下各2.5mm，将位移量X与对应的输出电压Uo记入表1中。
表1变面积电容传感器实测数据记录表
X（mm）
-2.5
-2.0
-1.5
-1.0
-0.5
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
Uo（mV）
0
0
0
平均值
0
（2）差动式电容传感器特性实验
1.实验原理及电路
实验电路图如图5所示。
与变面积式电容实验不同之处在于，该实验接入电容转换电路的两个电容为可变电容，当电容传感器的动极上下移动时，两个电容器的电容量都发生变化，但方向相反，这样就构成了差动式的电容传感器。
图5差动电容式传感器实验电路框图
2.实验步骤
按照变面积式电容传感器的实验步骤进行实验，注意接入电路板的两个电容为CX1和CX2，将实验结果记录在表2中。
表2差动电容传感器实测数据记录表
X（mm）
-2.5
-2.0
-1.5
-1.0
-0.5
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
Uo（mV）
0
0
0
平均值
0
4、电涡流式传感器特性及应用实验
（1）电涡流式传感器特性实验
1.实验原理及电路
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，引起线圈的电感发生变化。
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。
实验电路如图6所示。
采用电容式三点式振荡器，用于产生高频电流，电流的大小与电感L2（及涡流传感器线圈）的大小有关，滤波后输出直流信号。
2.实验步骤
1）将涡流式传感器装在位移台架上，并与涡流式传感器转换电路板连接。
2）将涡流传感器的输出与电压表连接。
3）将测微器测杆与铁片通过螺纹连接在一起。
图6涡流式传感器实验电路原理图
4）接通电源，适当调整测微器的高度，使铁片与涡流感应头刚刚接触，记下此时测微器读数和输出电压，并从此点开始向上移动铁片，将位移量X与输出电压Uo记入表3中。
要求每隔0.2mm读一次数值，共读取20组数据。
表3涡流式传感器被测体为铁片时的实测数据记录
X（mm）
Uo（V）
X（mm）
Uo（V）
5）将步骤3）中的铁片分别更换为铝片和铜片，重复步骤4），并将所测数据填入表4和表5中。
表4涡流式传感器被测体为铝片时的实测数据记录
X（mm）
Uo（V）
X（mm）
Uo（V）
表5涡流式传感器被测体为铜片时的实测数据记录
X（mm）
Uo（V）
X（mm）
Uo（V）
（2）涡流式传感器测量转速实验
1.实验原理及电路
利用涡流式传感器探头对旋转体材质的明显变化产生脉冲信号，经电路处理即可测量转速。
2.实验步骤
1）固定好位移台架，将电机放入位移台架的圆孔中。
2）将涡流传感器探头的两根输出信号线接至差动放大器的输入端，差动放大器的输出端接至频率与转速表的输入端。
3）将频率与转速表切换开关拨到频率档。
4）用手持涡流传感器，并将探头线圈对准电机转盘上的磁极，使探头端面至磁极端面约2mm，注意接近时不要碰触旋转的磁极。
5）调节电机转速旋钮，使电机转动，观察频率表的读数。
5、实验报告
1.根据表1实测数据，画出输入/输出特性曲线Uo=f（X），并且计算灵敏度和非线性误差。
2.根据表2实测数据，画出输入/输出特性曲线Uo=f（X），并且计算灵敏度和非线性误差。
3.根据表3、表4和表5数据，分别画出涡流式传感器的输入/输出特性曲线Uo=f（X），并求出拟合曲线的方程。
6、思考题
1.比较差动式和变面积式电容传感器的优劣。
2.涡流式传感器的量程与那些因素有关？
3.转速测试中，输出频率与转速的对应关系，如何提高测试精度？
实验三.切削力测量实验
1）.实验目的
1．通过实验验证应力测量原理与具体实施方法。
2．通过实验初步掌握力的应变测试技术。
2）实验原理
本测力系统由测力传感器（即SDC系列测力仪）、应变仪（即应变信号放大器；如：
YD-21四通道应变仪）、模数转换板（即A/D卡）、带电缆和插头的连接器等组成。
见图1-1：
测力仪（Dynamometer）上有三或四个插座，三个插座的测力仪用于测量Fx、Fy、Fz三个切削或磨削分力，四个插座的测力仪用于测量三个分力外还可测量钻削扭矩，通常只测三个分力的测力仪上也常带有第四个插座，但这个插座是不用的。
把随测力仪提供的电缆插头与测力仪插座连接，需要拧紧插头不能松动；在把电缆另一端的四个连接钩与应变仪电桥盒相接，红色的两个连接钩与电桥盒1、3号连接柱相连；黑色的两个钩与电桥盒2、4号连接柱相连（两者可互换）。
钩与柱的连接也需要拧紧，不允许松动。
图1-1所示连接器2即为随A/D卡提供的接口。
把应变仪输出电缆的信号线（即同轴电缆的中心铜线）与连接器2对应的输入端螺钉相接；建议Fx对应应变仪第1通道、Fy对应应变仪第2通道、Fz对应应变仪第3通道。
连接器上1号螺钉与Fx输出相接、2号螺钉与Fy输出相接、3号螺钉与Fz输出相接。
各对应输出信号线的屏蔽线是与放大器地相连的，它们应与连接器2两侧的地螺钉连接。
实验中我们需要对测力仪进行标定。
标定测力仪就是记录采集的电压值与加载在测力仪上的力之间的关系。
标定系数的单位是：
N/V。
因为应变仪提供了100~1000цε的标定功能，所以也可通过标定获得采集的电压值与微应变数之间的对应关系。
在进行数据处理时，要进行平均值计算，“N点”按钮用于设置N值，即每N个数据求一次平均值。
公式为：
x=（x1+x2+…+xN）/N
假设原始有1000个数据，4点平均一次时，求平均值后只剩下250个数据。
原始数据序列中1-4号数据对应新数据序列中的1号数据；原数据序列中5-8号数据对应新数据序列中的2号数据，依此类推。
N=显示窗显示该N值。
关于自相关和互相关函数，其定义请同学参看相关书籍，这里仅给出它们的计算方程。
自相关函数：
互相关函数：
谱分析是研究信号特征，对信号进行处理的重要手段之一。
它通过谱密度函数反映不同频率成分的功率或幅值方差的分布，即研究信号中不同频率成分占信号总能量的比例。
在信号处理过程中，谱分析的理论基础是傅立叶变换。
根据高等数学的知识，对于非随机的非周期函数，在函数绝对可积并满足狄利克雷条件：
时，可通过傅立叶积分将x（t）变换为频域函数X（ω）。
谱密度函数
其中为采样周期，T为采样时间长度，N为采集数据个数。
并且有
。
３）实验内容
实验设备与仪器的使用方法
（一）实验设备
1．SDC系列测力仪一台
2．YD-_21/4四通道应变仪一台
3．A/D卡（已置于微机内）一块
4、微机及相关配置一套
二）仪器操作方法
这里主要介绍YD_221/4四通道应变仪的使用。
1．打开电源开关观察三位半数字显示，显示亮。
2．预热10分钟后开始调节。
先从应变仪的第一通道开始，观察显示是否是“0”，如果不指零，可调节“基零”电位器为之满足（在一般正常情况下出厂已调好不超过“一个字”用户不需要调节）。
3．根据桥路不平衡讯号大小，适当选择衰减开关调节平衡，一般情况下是将“衰减”开关依次衰减“100”、“50”、“20”、“10”、“5”、“2”“1”（四档琴键开关回原位置）。
同时转换“预静动”开关，在“预”位置，分别调节“C”和“R”，调节到显示为最小，然后将“预静动”开关置于“静”位置，调节电阻平衡“R”，使显示接近“0”，再将“预静动”开关置于“预”位置，再调节电容平衡“C”，使显示接近零。
一般情况下，在显示灵敏度开关置于“J2”位置不超过4个即可，然后再将“预静动”开关置于“静”位置，调节电阻平衡“R”，使显示为“0”，±2个字即可。
4．动态测试时，经调整完毕后放大器，将“预静动”开关置于“动”位置。
实验步骤
1．打开预热应变仪，调节应变仪平衡：
·打开电源开关观察三位半数字显示，显示亮。
·预热10分钟后开始调节。
先从应变仪的第一通道开始，观察显示是否是“0”，如果不指零，可调节“基零”电位器为之满足。
·根据桥路不平衡讯号大小，适当选择衰减开关调节平衡，一般情况下是将“衰减”开关依次衰减“100”、“50“20”、“10”、“5”、“2”“1”（四档琴键开关回原位置）。
同时转换“预静动”开关，在“预”位置，分别调节“C”和“R”，调节到显示为最小，然后将“预静动”开关置于“静”位置，调节电阻平衡“R”，使显示接近“0”，再将“预静动”开关置于“预”位置，再调节电容平衡“C”，使显示接近零。
一般情况下，在显示灵敏度开关置于“J2”位置不超过4个即可，然后再将“预静动”开关置于“静”位置，调节电阻平衡“R”，使显示为“0”，±2个字即可。
·动态测试时，经调整完毕后放大器，将“预静动”开关置于“动”位置。
2．测力仪的标定。
分别在x、y、z方向加载和卸载，测量并记录实验数据，注意观察加载曲线与卸载曲线。
3.选择通道采集实验数据，可多采集几组。
4.打开数据回放观察数据波形，选择一组较为理想的数据波形作为下面数据处理的数据波形。
5．进行均值分析，打印图形。
6．进行自相关计算，打印图形。
7．进行互相关计算，打印图形。
8.进行频谱分析，打印图形。
４）实验报告
实验四：
微机在测量信号中的应用实验
1）实验目的
通过实验使同学了解在PC机为主机的系统中，如何实现由加速度传感器感受到振动信号，经过放大和转换后送微机进行数据采集及测量信号的分析和处理的方法。
2）实验原理
实验信号源是由悬臂梁产生的振动信号，经加速度传感器拾取后，将振动物体产生机械能转变成电能，当加速度传感器感受振动信号时，在其输出端产生一个与加速度传感器感受到的振动信号的加速度成正比的电荷量送到电荷放大器，电荷放大器能够接受到电荷量经过放大转变成标准的电压信号。
经过A/D转换卡（AC1820）变成数字信号，送入计算机，就可进行信号分析及处理。
●AC1820可提供16路单端输入12位AD转换，AD转换速度最快为800KHZ支持1-16的波形信号的采集。
AC1820板上带有128K字RAM。
AC1820适合：
中告诉信号，波形采集及纪录等应用场合。
●AD启动方式：
软件，外部触发（实验中采用软件触发）
●板上时钟：
4MHZ基准，16位分辨率，程控转换速度800KHZ-16毫秒
●采样长度：
16-512KAD数据读入采用16位ISA总线，16位操作
AD转换完毕后，AC1820会发出一个转换完毕的信号，计算机接收到此信号后，立将存储在AC1820上的RAM中的信号读入到计算机中，从而完成了数据的采集。
接下来要对数据进行分析和处理。
这里我们要用到软件“多路信号分析及处理系统软件”，做数字滤波、FFT运算、幅值谱，相频谱，自相关分析、自功率谱分析，如果是多路信号还可进行互相关分析，互功率谱分析。
３）实验内容
实验步骤：
1.将加速度传感器按照框图所示固定在钢板尺做的悬臂梁上，另一端连接电荷放大器，电荷放大器的输出端连接到并行接口板上的输出端，一切准备完毕后给电荷放大器通电。
2.开启计算机，运行信号采集分析及处理系统，选择菜单信号采集，出现对话框后，输入采集通道、采集点数、采集频率。
用手扳动钢板尺的同时，按回车键，一次数据采集过程结束。
3.经过滤波、FFT运算，显示频率域的幅频、相频波形。
4.经过自相关函数运算、显示自相关波形。
5.经过自功率谱函数运算，显示自功率谱波形
改变测试点位置，重复1-5步骤。
４）实验报告
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