《机械工程测试技术》实验指导书.docx

1、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

2、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

3、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

4、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

5、.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01. 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

6、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(t)e(-at)的傅立叶级数展开式3推导下列公式(1)积化和差 Asin(t)(3-sin(10t) (2)和差化积 A1sin(1t+1)+ A2sin(2t+2)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123456表1-2 非周期确定性信号的频谱数据信号Asin(t)(3-sin(10t) Sin(t)e(-at)频率幅值峰值频率幅值频率幅值

7、频率幅值1234 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

8、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22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23所示，将电涡流传感器输出线

9、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23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21。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0.2

10、5mm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)00.250.500.751.001.251.501.752.00V铁（V）V铝（V）V铝小位移X(mm)2.252.502.753.003.253.503.754.00

11、4.25V铁（V）V铝（V）V铝小位移X(mm)4.504.755.005.255.505.756.006.256.50V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）16151413121110987654321 0 1 2 3 4 5 X(mm)图2-4 V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/m

12、m ；S铝 = V/mmS铝小= V/mm（3） 用端点法作出拟和曲线，求出线性度L（仅限铁测片）。线性度L(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：铁0 = mm 铝0 = mm 铝小0 = mm3、 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

13、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

14、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、

15、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

16、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fc2=误差2=高通滤波器的上截止频率：测试值fc1 =理论值fc1 =误差1 =（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

17、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203040608010020030040050060070080010002000300060008000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203040608010020030040050060070080010002000300060008000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203040608010020030040

18、050060070080010002000300060008000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：RRK 式中

19、RR为电阻丝电阻相对变化， K为应变灵敏系数,=l/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= EK/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UO2EK2。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：R1R2R3R4，其变化值R1R2R3R4时，其桥路输出电压U03

20、KE。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（41）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，R1R2R3R4350，加热丝阻值为50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

21、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41 应变式传感器安装示意图图42应变式传感器单臂电桥实验接线图4、如图42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，

22、依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g（或500 g）砝码加完。记下实验结果填入表41，关闭电源，取出砝码。图43应变式传感器半桥实验接线图6、根据图43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500 g）砝码加完。记下实验结果填入表42，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

23、态应变片，应更换另一个应变片。）图44全桥性能实验接线图8、根据图44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500 g）砝码加完。记下实验结果填入表43，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-

24、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mV曲线。如图4-5V单臂、半桥、全桥 （v）16151413121110987654321 0 1 2 3 4 5 m(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SU/W（U输出电压变化量，W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f1=m/yF.S 100式中m为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差：yFS满量程输出平均值，此处为200g（或500g）。f1单臂= f

25、1半桥= f1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R1R3，R2R4，而R1R2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46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)、