机械工程测试技术实验指导书终稿.doc

机械工程测试技术实验指导书主编：朱红瑜河南工业大学机电工程学院学生实验须知1 每次实验之前必须仔细阅读实验指导书中相应部分的内容。2 必须遵守实验室各项规章制度，并按预先编组在规定实验台位进行实验，未经许可不准擅自调换台位。3 同学们应爱护国家财产，认真按照操作规程与指导教师指导进行各项实验操作。4 不准随意拆装仪器，随意玩弄各操作按钮，开关等。凡违返规定者视情节轻重作严肃处理，造成仪器设备损坏者一律照价赔偿。5 同一台位的同学对本台位仪器设备、工具、材料共同负责，实验结束时应报告实验教师检查。如有丢失、损坏情况发生，在同一台位同学无自动承担责任时由该台位实验同学共同承担赔偿。目 录实验一 电阻应变片及电桥特性实验4实验三 电容传感器特性及相敏电路特性实验10实验四 滤波器滤波特性实验12实验五* 虚拟仪器振动测试实验15注：带*的实验项目为综合性实验实验一 电阻应变片及电桥特性实验一、实验目的1、了解电阻应变片的结构。2、观察应变效应，掌握应变片的作用。3、熟悉应变片电桥的各种接法及其输出特性。二、实验仪器及设备SET-N传感器实验仪所需单元及部件：直流稳压电源、电桥、差动放大器、双孔悬臂梁称重传感器、砝码、应变片、F/V表、主、副电源。三、有关旋钮的初始位置直流稳压电源打到±2V档，F/V表打到2V档，差动放大增益最大。四、实验原理应变片是最常用的测力传感元件。当用应变片测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面，当测件受力发生形变，应变片的敏感栅随同变形，其电阻也随之发生相应的变化，通过测量电路，转换成电信号输出显示。电桥电路是最常用的非电量电测电路中的一种，当电桥平衡时，桥路对臂电阻乘积相等，电桥输出为零，在桥臂四个电阻R1、R2、R3、R4中，电阻的相对变化率分别为R1/R1、R2/R2、R3/R3、R4/R4，当使用一个应变片时，R=；当二个应变片组成差动状态工作，则有R=；用四个应变片组成二个差对工作，且R1=R2=R3=R4=R， R= 。由此可知，单臂、半桥、全桥电路的灵敏度依次增大。五、实验内容及其步骤1、了解所需单元、部件在实验仪上的所在位置，观察梁上的应变片，应变片为棕色衬底箔式结构小方薄片。上下二片梁的外表各贴二片受力应变片。2、将差动放大器调零：用连线将差动放大器的正（+）、负（-）、地短接。将差动放大器的输出端与F/V表的输入插口Vi相连；开启电源；调节差动放大器的增益到最大位置，然后调整差动放大器的调零旋钮使F/V表显示为零，关闭电源。3、根据图1接线。R1、R2、R3为电桥单元的固定电阻；R4=Rx为应变片。将稳压电源的切换开关置±4V档，F/V表置20V档。开启电源，调节电桥平衡网络中的RW1，使F/V表显示为零，等待数分分钟后将F/V表置2V档，再调电桥RW1（慢慢地调），使F/V表显示为零。图14、在传感器上放上一只砝码，记下此时的电压数值，然后每增加一只砝码记下一个娄值并将这些数值填入下表。根据所得结果计算系统灵敏度S= V/ W，并作出V-W关系曲线， V为电压变化率，W为相应的重量变化率。重量（g）电压（mV）5、保持放大器增益不变，将R3固定电阻换为与R4工作状态相反的另一应变片即取二片受力方向不同应变片，形成半桥，调节电桥RW1使F/V表显示为零，重复（4）过程同样测得读数，填入下表：重量（g）电压（mV）6、保持差动放大器增益不变，将R1，R2两个固定电阻换成另两片受力应变片组桥时只要掌握对臂应变片的受力方向相同，邻臂应变片的受力方向相反即可，否则相互抵消没有输出。接成一个直流全桥，调节电桥RW1同样使F/V表显示零。重复（4）过程将读出数据填入下表：重量（g）电压（mV）7、在同一座标上描出X-Y曲线，比较三种接法的灵敏度。六、注意事项1、电桥上端虚线所示的四个电阻实际上并不存在，仅作为一标记，让学生组桥容易。2、为确保实验过程中输出指示不溢出，可先将砝码加至最大重量，如指示溢出，适当减小差动放大增益，此时差动放大器不必重调零。3、做此实验时应将低频振荡器的幅度关至最小，以减小其对直流电桥的影响。4、在更换应变片时应将电源关闭。5、在实验过程中如有发现电压表发生过载，应将电压量程扩大。6、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。7、直流稳压电源±4V不能打的过大，以免损坏应变片或造成严重自热效应。8、接全桥时请注意区别各应变片的工作状态方向。七、思考题1、为什么电阻应变片R1与R3或R2与R4不能作为电桥的相邻两臂构成电桥？2、为什么在应用应变片传感器时经常采用半桥或全桥形式？3、电阻应变片的灵敏度与哪些因素有关？八、实验报告要求1、绘出三种实验线路图，并加以分析说明。2、绘出三种输入输出（XV）特性曲线。实验二 电感传感器特性及相敏电路特性实验一、实验目的1、进一步了解差动变压器与差动螺管式电感传感器的原理与组成。2、测定电感式传感器输出特性。3、比较差动变压器式传感器与差动螺管式电感传感器的异同。二、实验仪器及设备SET-N传感器实验仪所需单元与部件：差动螺管式电感传感器、音频振荡器、电桥、差动放大器、相敏检波器、移相器、低通滤波器、F/V表、低频振荡器、双踪示波器、振动平台。三、有关旋钮的初始位置音频振荡器频率为5KHz，LV输出幅度为峰峰值2V，差动放大器的增益旋钮旋至中间，F/V表置于2KHz档，低频振荡器的幅度旋钮置于最小音频振荡器4KHZ、差动放大器的增益打到量大，V/F表打到V±2V档。音频振荡器幅度旋到适中位置。四、实验原理电感传感器实验是进行差动变压器与差动电感传感器的特性实验，两种实验的内容及原理基本相同，区别仅在于信号输入源加入的位置不同，当激励电压加入时随着铁芯中点附近的移动，输出电压变发生变化，根据输出电压的变化就可以得到位移量的大小及方向。五、实验内容及步骤1、差动变压器实验（1） 将差动放大器调零：用连线将差动放大器的正（+）、负（-）、地短接。将差动放大器的输出端与F/V表的输入插口Vi相连；开启电源；调节差动放大器的增益到最大位置，然后调整差动放大器的调零旋钮使F/V表显示为零，关闭电源。（2）按图2-1接好线路图2-1（3）转动测微头，调整铁芯到中间位置，方法是：断开调平衡的W1、W2电位器，旋动测微头使输出最小。（4）调整各平衡及调零旋钮，使电压表读数为零。（5）旋转测头，每隔读数记录实验数据，填入下表X(mm)V(mv)（6）作出VX曲线，并求出灵敏度。2、差动螺管式电传感实验（1）差动放大器调零（方法见实验一）按图2-2接线，组成一个电感电桥的测量系统。图2-2（2）调整测微头，使铁芯到中间位置，方法是：断开调平衡的W1、W2电位器，旋动测微头使输出最小。（3）调整各平衡及调零旋钮，使电压表读数为零。（4）转动测微头，每隔记录一个数据，填入下表。X(mm)V(mv)（5）作出V-X曲线，计算出灵敏度。六、注意事项（1）此实验只用原差变压器的两个次级线圈，注意接法；（2）音频振荡器必须从LV插口输出。七、实验报告基本要求1、熟悉实验线路，能分析说明。2、绘出两种输入输出曲线，计算灵敏度并加以比较。3、回答思考题。实验三 电容传感器特性及相敏电路特性实验一、实验目的了解差动变面积式电容传感器的原理及其特性。二、实验原理电容式传感器有多种形式，本仪器中差动变面积式。传感器由两组定片与一组动片组成。当安装于振动台上的动片上、下改变位置，与两组静片之间的重叠面积发生变化，极间电容也发生相应变化，成为差动电容。如将上层定片与动片形成的电容定为Cx1,下层定片与动片形成的电容定为Cx2,当将Cx1 与Cx2 接入桥路作为相邻两臂时，桥路的输出电压与电容量的变化有关，即与振动台的位移有关。平行板组成的电容器的电容量通过改变两板的耦合面积A可以改变电容器的电容量，通过检测变换电路，转变成电信号的变化，并将电信号放大，检波，可测得V=f(x)的输出特性。三、实验仪器及设备SET-N传感器实验仪所需单元与部件：电容传感器、电压放大器、低通滤波器、F/V表、激振器、示波器四、实验步骤1、差动放大器调零（方法见实验一）按图3-1接线图3-12、差动放大器增益旋钮到中间，V/F表打到±200mv档，调节测微头，使输出为零。3、旋动测微头，每隔记录一下电压表的读数直到电容动片与静片覆盖面积最大为止。X(mm)V(mv)4、退回测微器至初始位置，并开始以相反方向旋转，同上法，记下X（mm）及V（mv）值。X(mm)V(mv)5、计算系统灵敏度S=V/X并作出VX曲线。6、卸下测微头，断开电压表，按下激振器按钮，用示波器观察出波形。五、思考题1、电容传感器的原理与应用？2、电容传感器在应用中有哪些形式？哪种形式比较好？为什么？3、电容传感器在应用中应注意哪些问题？实验四 滤波器滤波特性实验一、实验目的1、了解低通滤波器的基本结构，工作原理及其作用。2、掌握低通滤波器的幅频特性及其使用方法。二、实验原理滤波器是一种选频装置，可以使某给定频率范围内的信号通过而对该频率范围以外的信号极大地衰减。1RC无源低通滤波器RC无源低通滤波器原理如图5-1所示。这种滤波器是典型的一阶RC低通滤波器，它的电路简单，抗干扰性强，有较好的低频性能，构成的组件是标准电阻、电容，容易实现。其传递函数为RCuiuo （5-1）式中：=RC。 低通滤波器频率特性为R110kRF33k+12V-12V-+RC （5-2） 图5-1 RC低通滤波器其幅频特性为 uoui （5-3）低通滤波器的截止频率为 （5-4） 图5-2 一阶有源低通滤波器2RC有源低通滤波器RC有源低通滤波器原理如图5-2所示。它是将一阶RC低通滤波网络接入运算放大器输入端构成的。运算放大器在这里起隔离负载影响、提高增益与带负载能力的作用。有源低通滤波器的传递函数为 （5-5）式中：（R1、RF参数可参考图5-2，也可自选）。频率特性为 （5-6）式（5-5）与式（5-1）相似，只是增益不同。3幅频特性的测试本实验是对低通滤波器进行幅频特性测试。滤波器的幅频特性采用稳态正弦激励试验的办法求得。可采用信号发生器对滤波器输入正弦信号x（t）=x0sint，在其输出达到稳态后测量输出与输入的幅值比。这样可得到该输入信号频率下滤波器的传输特性。逐次改变输入信号的频率，即可得到幅频特性曲线。低通滤波器的幅频特性如图5-3所示。三、实验仪器与设备1、D2型信号发生器一台；2、DT2A型低通滤波器一台；3、DS5102CA数字示波器仪器连接框图见图5-4所示。低通滤波器数字示波器信号发生器图5-4 仪器连接框图四、实验步骤1、将信号发生器与低通滤器用信号线相连。2、在滤波器输出插头上，并接一直流电压表，旋动零位电位器使其输出为零（调零）。调整完毕后撤去电表。调零时应在静态情况下进行，输入衰减开关与增益变动后，应重复一次调零。3、将滤波器输入调整开关旋至1位置上，将增益调整旋钮旋至最小。将滤波截止频率旋至所需位置（如10HZ）。4、将滤波器输出接到数字示波器通道之一（CH1或CH2），开启示波器电源，按AUTO（自动设置）按钮。5、将信号发生器电压调节旋钮调至最小，将输出衰减旋钮调至10，将各频率选择旋钮调至最低，将信号发生器与低通滤波器用信号线相连，开启电源预热5分钟，调节电压旋钮将电压调至2V（输入信号幅值X=2V）。6、调节频率选择旋钮，将频率调至一适当值，（注意要小于滤波器所调的截止频率），观察示波器波形，并调整示波器衰减旋钮将波形幅值调至适当位置。9、调节信号发生器频率选择旋钮，调节信号发生器的频率，使其从1Hz开始，逐渐增加，每次增加1Hz，从示波器上观察滤波器的输出波形变化情况，每改变一次信号频率，待波形稳定了以后读取一组滤波器输入与输出信号电压值，记录到原始数据记录纸上,直至输出波形幅值为零。频率f输出Y五、实验报告基本要求1、作出低通滤波器的幅频特性曲线A（f）-f。2、通过实验，对低通滤波器有哪些认识，可得出哪些结论。实验五* 虚拟仪器振动测试实验一、实验目的1、了解振动与控制实验中实验台的组成、安装与调试方法。2、了解虚拟测试仪系统的组成与使用。3、学会激振器、传感器与测振仪器的操作、使用方法。4、研究振动振型与振动控制。二、实验操作1、打开电脑主机与显示器，调出虚拟仪器中的示波器。连接好传感器线路，打开测振仪，调节示波器各旋钮，使波形正常，便于观察。仪器联接参考图1与图2.2、测定简支梁一阶固有频率（1）调节测振仪的频率调节旋钮,观察波形，当波形高度为最高时的频率即为简支梁一阶固有频率。记下测振仪显示的简支梁某点的振幅，作好数据记录。根据实研数据作幅频特性图，幅值为最大时的信号频率，即为简支梁一阶固有频率，此法为共振法，频率应由小到大逐次增大。（2）用“李萨如图法”测量，点击“X-Y”键，使信号合成一个椭园，记下此数值，此数值即为一阶固有频率 。此法为椭园法。并观察欠共振，共振，过共振。3测定简支梁的二阶固有频率 。把两个传感器置于简支梁梁中点两侧的各自中点上，分别用共振法与椭园法求出简支梁的二阶固有频 。并从示波器上观察简支梁中点两边的相位差，作出振型图。4、悬臂梁固有频率的测定要求：把测振仪的激振器选择开关由A扳向B，调节好非接触式激振器。测量悬臂梁的一阶固有频率与二阶固有频率，并观察悬臂梁节点的振动情况，作好数据记录，作出振型图。悬臂梁横向振动的各阶固有频率之比为1：，横向振动的一、二、三阶振型如图所示。（a）一阶主振型 （b）二阶主振型 （c）三阶主振型图6-3悬臂梁横向振动各阶主振型实验步骤：(1)选取距离固定端L/4处为激振点，将激振器端面对准激振点，保持初始间隙（68mm）。(2)将磁电式非接触激振器接入激振信号源输出端，打开激振信号源的电源，把测振仪的激振器选择开关由A扳向B，对系统施加正弦交变激振力，使系统产生振动，调节振信号源的输出旋钮可以改变振幅的大小，注意不要过载。(3)调整信号源，使激振频率由低到高逐渐增加，当观察到系统出现如图（a）所示的第一阶振型且振幅最大时，激振信号源显示的频率就是系统的一阶固有频率。找到一阶固有频率后，可以只改变激振信号源输出功率的大小，观察振型随激振力大小的变化情况。(4)用同样的方法确定悬臂梁横向振动的二、三阶固有频率。5、园盘各阶固有频率的测定要求：测量园盘各阶固有频率（调整到五阶为止），并观察各阶节线的形成。作好数据记录，作出振型图（作到五阶为止）。薄臂圆盘横向振动的振型有一个、二个、三个等的波节圆，在振动过程中，波节圆处的位移（挠度）为零。除此之外，还存在一根、二根、三根等分的波节直径，在振动过程中，波节直径处的位移（挠度）也为零。薄臂圆盘横向振动的几种振型如图所示，图中各波节圆与波节直径都用虚线表示，波节圆个数为m，波节直径个数为n。图6-4 中心固定圆盘横向振动的振型实验步骤：（1）将激振器端面对准薄臂圆盘下面边缘处，保持初始间隙（12mm）。（2）将磁电式非接触激振器接入激振信号源输出端，打开激振信号源的电源，对系统施加正弦交变激振力，使系统产生振动，调节振信号源的输出旋钮可以改变振幅的大小，注意不要过载。（3）调整信号源，使激振频率由低到高逐渐增加，可以观察到圆盘上面细沙子向位移振幅为零处聚集，从而形成条幅，就是振型。当观察到某阶振型时，激振信号源显示的频率就是系统的该阶固有频率。用这样的方法可以找到圆盘的各阶固有频率与振型。由于激振器的频率在1000Hz以下，所以本实验观察不到波节圆。6、减振器振幅测定。已知减振器的固有频率f0=15HZ,将减振器置于梁的中点，在减振器上放置传感器。设该点振幅为A1,将另一传感器放在梁上（尽量靠近梁的中点）。该点振幅为A2,调整激振频率 ，测出A1,A2,比较减振效果，进行理论分析。 F0=15HZf1115213045607590105120A1A27、用频谱分析仪分析实验结果（1）点击“单”，调出单通道频谱分析仪，在简支梁一阶固有频率下采集数据，观察并打印时域波形，特征值，直方图，概率分布曲线，幅频特性与功率谱。（2）点击“双”，调出双通道频谱分析仪，在简支梁二阶固有频率 下采集数据，观察X-Y显示，奈奎斯特图，A相关，B相关，互相关。并打印之。 分析实验结果。第 19 页