《机械工程测试技术》实验指导书(2013-12).pdf

实验一实验一传感器综合实验传感器综合实验一、实验目的了解霍尔组件的应用测量转速，磁电式传感器的原理及测速应用，光电转速传感器测量转速的原理及方法。二、实验仪器THSRZ-1 传感器实验台，霍尔传感器、磁电感应传感器、光电传感器、+5V、224V 直流电源、转动源、频率/转速表、直流稳压电源、数显直流电压表。三、实验原理1、霍尔测速的原理利用霍尔效应表达式：UHKHI B，霍尔测速的原理如图 1-1 所示。当被测圆盘上装上 N只磁性体时，转盘每转一周磁场变化 N 次，每转一周霍尔电势就同频率相应变化，输出电势通过放大、整形和计数电路就可以测出被测旋转物的转速。设霍尔电势的频率为 f，则被测转速为：n 60 f/N (r/min)图 1-12、磁电测速原理磁电感应式传感器是以电磁感应原理为基础，根据电磁感应定律，线圈两端的感应电动势正比于线圈所包围的磁通对时间的变化率，即e dd W其中 W 是线圈匝数，dtdt线圈所包围的磁通量。若线圈相对磁场运动速度为 v 或角速度，则上式可改为 e=-WBlv 或者 e=-WBS，l 为每匝线圈的平均长度；B 线圈所在磁场的磁感应强度；S 每匝线圈的平均截面积。3、光电转速原理1光电式转速传感器有反射型和透射型二种，本实验装置是透射型的，传感器端部有发光管和光电池，发光管发出的光源通过转盘上的孔透射到光电管上，并转换成电信号，由于转盘上有等间距的 6 个透射孔，转动时将获得与转速及透射孔数有关的脉冲，将电脉计数处理即可得到转速值。四、实验内容与步骤1、霍尔测速内容与步骤（1）安装根据图 1-2，将霍尔传感器安装于传感器支架上，且霍尔组件正对着转盘上的磁钢。图 1-2（2）将+5V 电源接到三源板上“霍尔”输出的电源端，“霍尔”输出接到频率/转速表（切换到测转速位置）。“224V”直流稳压电源接到“转动源”的“转动电源”输入端。（3）合上主控台电源，调节 224V 输出，可以观察到转动源转速的变化，在表 1-1 记录下驱动电压 U1和转速 n 数据。通过示波器来观察测霍尔组件输出的脉冲波形。表 1-1U1（V）56789101112131415161718n（r/min）2、磁电测速内容与步骤（1）按图1-3 安装磁电感应式传感器。传感器底部距离转动源45mm（目测），“转动电源”接到 224V 直流电源输出（注意正负极，否则烧坏电机）。磁电式传感器的两根输出线接到频率/转速表。图 1-32（2）调节 224V 电压调节旋钮，改变转动源的转速，并记下相应的频率/转速表读数。在表 1-2 记录下驱动电压 U2和转速 n 数据。通过示波器来观察测霍尔组件输出脉冲波形。表 1-2U2（V）56789101112131415161718n（r/min）3、光电测速内容与步骤（1）光电传感器已安装在转动源上，如图 1-4 所示。224V 电压输出接到图 1-4三源板的“转动电源”输入，并将 224V 输出调节到最小，+5V 电源接到三源板“光电”输出的电源端，光电输出接到频率/转速表的“fin”。（2）合上主控制台电源开关，逐渐增大 224V 输出，使转动源转速加快，观测频率/转速表的显示。在表1-3 记录下驱动电压 U3和转速 n 数据。通过示波器来观察测霍尔组件输出的脉冲波形。表 1-3U3（V）56789101112131415161718n（r/min）五、实验报告1、分析霍尔组件产生脉冲的原理，并根据记录的驱动电压和转速，作 U1n 曲线。2、分析磁电式传感器测量转速原理，并根据记录的驱动电压和转速，作 U2n 曲线。3、分析光电式传感器测量转速原理，并根据测的驱动电压和转速，作 U3n 曲线。4、对这 3 种测速方法进行对比分析，并讨论测量过程中出现误差的原因？3实验二实验二电桥和差特性分析实验电桥和差特性分析实验一、实验目的1、了解金属箔式应变片的应变效应（形变效应）。2、比较单臂电桥、半桥与全桥测量电路的工作原理和性能，从而验证电桥的和差特性。二、实验仪器THSRZ-1 传感器实验台，应变传感器实验模块、托盘、砝码、数显电压表、15V、4V 电源、万用表（自备）。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：R/R K，式中R/R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组件，如图 2-1 所示，四个金属箔应变片分别贴在弹性体的上下两侧，弹性体受到压力发生形变，应变片随弹性体形变被拉伸，或被压缩。将这些电阻应变片连接成电桥，通过电桥的作用完成电阻到电压的比例变化。设 E 为电桥电源电压，则电桥输出U0与各桥臂应变i有如下关系：U01KE(1234)4R1R3R2R4图 2-1四、实验内容与步骤1、应变传感器上的各应变片已分别接到图 2-2 所示的应变传感器模块左上方的 R1、R2、4R3、R4 上，可用万用表测量判别，R1=R2=R3=R4=350。图 2-22、差动放大器调零。（不连接电桥，托盘取下，不受力）先从主控台接入15V 电源，检查无误后，合上主控台电源开关，将差动放大器的输入端Ui 短接并与地短接（使其输入为0），输出端Uo2接数显电压表（选择2V 档）。将电位器Rw3 调到增益最大位置（顺时针转到底），调节电位器 Rw4 使电压表显示为 0V（使输出为 0，没有零点漂移）。关闭主控台电源。（Rw3、Rw4 的位置确定后不能改动）3、按图 2-2 连线（电桥连线），将应变式传感器的其中一个应变电阻（如 R1）接入电桥与 R5、R6、R7 构成一个单臂直流电桥。4、加托盘后电桥调零（电桥平衡调节）。电桥输出接到差动放大器的输入端 Ui，检查接线无误后，（合上主控台电源开关，预热五分钟）调节 Rw1 使电压表显示为零（电桥达到平衡）。（Rw1 的位置确定后不能改动）5、在应变传感器托盘上放置一只砝码，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 砝码加完，记下实验结果，填入表 2-1，关闭电源。表 1-1重量(g)单臂电桥(mV)半桥(mV)全桥(mV)204060801001201401601802006、按图 2-3 接线，将受力相反（R1 受拉，R2 受压）的两只应变片接入电桥的邻边，构5成一个半桥电路。重复步骤 4 和步骤 5，记下实验结果，填入表 2-1，关闭电源。图 2-37、按图 2-4 接线，将受力相反（一片受拉，一片受压）的两对应变片分别接入电桥的邻边，构成一个全桥电路。重复步骤 4 和步骤 5，记下实验结果，填入表 2-1，关闭电源。图 2-4五、实验报告1、根据表2-1 分别计算单臂电桥、半桥和全桥连接时系统灵敏度S U/W（U 输出电压变化量，W 重量变化量）和非线性误差f=m/yF.S100，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为满量程（200g）输出平均值。2、比较单臂、半桥、全桥测量电路的灵敏度和非线性度，得出相应的结论。6实验七实验七单自由度系统自由衰减振动及固有频率和阻尼比的测量单自由度系统自由衰减振动及固有频率和阻尼比的测量一、实验目的1、了解单自由度自由衰减振动的有关概念。2、学会用虚拟记忆示波器记录单自由度系统自由衰减振动的波形。3、学会根据自由衰减振动波形确定系统的固有频率fo和阻尼比。二、实验仪器ZK-4VIC 振动与控制实验台，集中质量，手锤（激振器），压电式加速度传感器，ZK-4JCZ 型激振测振仪，虚拟式测试仪器库。三、实验原理单自由度系统的力学模型如图7-1 所示。给系统（质量M）一初始扰动 f，系统作自由衰减振动。fmckx图 7-1其运动微分方程式为：d2xdxm2ckx fdtdt当f(t)为单位脉冲信号时，系统的响应为：x(t)n12entsin(dt)式中：n系统固有圆频率nk/m阻尼比 c/2 kmd衰减振动圆频率，dn12td衰减振动周期，td1/fd 2/d7系统的响应 x(t)的图形如图 7-2 所示。x(t)tdAk0Ak2Ak1Ak3图 7-2设 相 隔 半 个 衰 减 振 动 周 期 的 相 邻 两 个 振 幅（即 波 峰 和 波 谷）分 别 为：|Ak|ent21,|Ak1|e1n(t td)212，两个相邻振幅绝对值之比称为波形衰减系数。每经过半周期的振幅的比值为一常量。Ak ln|lnAk1ente1n(t td)2 lne1ntd21ntd2|Ak|Ak1|或，ln|Ak1|Ak2|从而可得：n解得：122n12 1222/1，2nd2若以 n 个衰减振动周期的波峰作为计算，那么波形衰减系数可以表示为：n ln|从而可以得到：Akn|ntd2AKn1-n2n222 4n四、实验内容与步骤1、实验装置如下图所示，用锤敲击简支梁使其产生自由衰减振动。82、记录单自由度自由衰减振动波形。将加速度传感器所测振动经测振仪转换为位移信号后，送入虚拟式记忆示波器显示和记录。3、调处记录的振动波形图，测量出连续波峰和波谷的振幅和时间，并填入下表。试验次数第 1 次试验测量参数幅值时间幅值时间幅值时间AkAk1Ak2Ak3Ak4Ak5第 2 次试验第 3 次试验五、实验报告1、绘出单自由度自由衰减振动波形图。2、根据实验数据按公式计算出固有频率和阻尼比。3、分析测量误差。9实验八实验八主动隔振实验主动隔振实验一、实验目的1、建立主动隔振的概念。2、掌握主动隔振的基本方法。3、学会测量主动隔振系数和隔振效率。二、实验仪器ZK-4VIC 振动与控制实验台，调速电机（激振器），空气隔振器，压电式加速度传感器，ZK-4JCZ 型激振测振仪，虚拟式测试仪器库。三、实验原理在厂矿中，运行中的 机器是很大的振源，它通过机脚、支座传至基础或基座。主动隔振就是隔离振源，使振源的振动经过减振后再传递出去，从而减小振源振动对周围环境和设备的影响。主动隔振又称为积极隔振或动力隔振。主动隔振的力学模型如图8-1所示，设备的质量为m，减振器的刚度为k、阻尼系数为 c。振源被隔振物体(地基)图 8-1隔振的效果通常用隔振系数和隔振效率 E 来衡量。隔振系数定义式为隔振后传给基础的力幅F2隔振前传给基础的力幅F1由上式可知，测量主动隔振的隔振系数涉及到动载荷的测量，测试较复杂，要精确测量很困难。在工程实际中，测量主动隔振系数常用间接方法：通过基础隔振前、后的振幅值A1、A2计算隔振系数：隔振后的振幅A2隔振前的振幅A110当已安装了隔振器再测量隔振前基础的振动时，为避免拆掉隔振器的麻烦（有的不允许再拆），可采用垫刚性物块办法，将隔振器“脱离”，然后测基础振动。这种方法带来的误差不是太大，本实验也采用了这一方法。隔振效率 E 定义式为：隔振效率E (1)100%当频率比0 2时，1，即A2 A1，隔振器没起隔振作用。当频率比2时，即A2 A1，隔振器起到了隔振作用。当频率比趋于1 时，即f1 fo时，振动幅值很大，这一现象叫共振。共振时，被隔离体系不可能正常工作。0.8 1.2为共振区，消除共振必须减小或增加5%的频率，所以无论阻尼大小，只有当2时，隔振器才发生作用，隔振系数的值才小于1。因此，要达到主动隔振目的，弹性支承固有频率fo的选择必须满足f1/fo2时，当f1/fo2时随着频率比的不断增大，隔振系数值越来越小，即隔振效果越来越好。但f1/fo也不宜过大，因为f1/fo大意味着隔振装置要设计得很柔软，静挠度要很大，相应地体积要做得很大，并且安装的稳定性也差，容易摇晃。另一方面，f1/fo 5后，值的变化并不明显，这表明即使弹性支承设计得更软，也不能指望隔振效果有显著的改善。故实际中一般采用f1/fo 3 5，相应的隔振效率E 可达到（8090）%以上。四、实验内容与步骤1、实验装置如图 8-2 所示。2、松开隔振装置上平台的四颗螺帽使隔振器起作用。然后开支偏心调速电机，当偏心电机的 转频等于系统的固有频率时：隔振装置产生共振（即地基上的位移信号x2为最大，分析此时该信号的频谱，得到共振频率），对此时的位移信号x2 进行频谱分析，得到隔振系统固有频率f0()Hz。此时传给基础的振A2较大，隔振装置末起作用。当偏心电机的转频大于系统的固有频率时，隔振装置起到了隔振作用。此时传给基础的振幅值 A2较小。3、锁紧隔振装置上平台的螺帽，使隔振器不起作用，再测量出隔振前基础的振幅值 A1。4、调节电压值，测量出隔振前和隔振后在不同电压值时的振幅值A1和 A2填入表9-1 中。注意调压器电压一般在50100V 范围内调节使用。11图 8-2五、实验报告1、实验数据，其中系统的固有频率f0=（）Hz。表 8-1调压器电压伏值（V）激振频率（Hz）频率比 f/f0隔振前基础幅值 A1(m)隔振后基础幅值 A2(m)隔振系数 =A2/A1隔振效率 E=(1-)100%0.512234562、根据表中数据绘出-和 E-隔振特性曲线。12实验九实验九被动隔振实验被动隔振实验一、实验目的1、建立被动隔振的概念。2、掌握被动隔振的基本方法。3、学会测量、计算被动隔振系数和隔振效率。二、实验仪器ZK-4VIC 振动与控制实验台，空气隔振器，电动式激振器，压电式加速度传感器，ZK-4JCZ 型激振测振仪，虚拟式测试仪器库。三、实验原理振动隔离是消除与减小振动危害的重要途径之一。在厂矿，振源通常是振动较大的机器设备，振源的振动通过地基传至周围环境和仪器设备。对于精密仪器和设备，为了使外界振动尽可能少地传到系统中来，就需将它与地基隔离开来，称为被动隔振或消积隔振。被动隔振是为了防止周围环境的振动通过机脚、支座传至需要保护的精密仪器和设备，故又称为防护隔振，其目的在于隔离或减小振动的传递，也就是隔离响应，使精密仪器和设备不受基座运动而引起的振动的影响。被动隔振的力学模型如图9-1 所示，被隔振的设备置于减振器上，将设备与振动的地基隔离开。设备的质量为m，减振器的刚度为k、阻尼系数为 c。图 9-1被动隔振的受力分析如图9-2 所示。13图 9-2设基础的绝对位移为y1(t)，质量块m的绝对位移为y0(t)，则质量块m的运动方程为d2y0(t)dmcy0(t)y1(t)ky0(t)y1(t)0dt2dt令y01(t)y0(t)y1(t)，则上式为d2y01(t)dy01(t)d2y1(t)mcky01(t)mdt2dtdt2系统幅频特性函数A()、相频特性函数()分别为(A()1(2)n2 22)(2)nn2/n，()arctg1(/n)2幅频特性曲线和相频特性曲线如图 9-3 所示。图 9-3由幅频特性曲线可知，当激振频率远小于系统固有频率时，质量块相对于基础的振动幅值为零，这意味着质量块几乎跟随基础一起振动，两者相对运动极小。当激振频率等于固有频率时，A()为最大，系统发生共振。而当激振频率远高于固有频率时，A()接近于 1，这表明质量块和基础之间的相对运动（输出）和基础的振动（输入）近于相等，说明质量块在惯性坐标中几乎处于静止状态。被动隔振的振源是地基。被动隔振效果可用隔振系数或隔振效率来衡量。其定义式14为：隔振系数设备隔振后的振幅值A2振源振幅A1隔振效率E (1)100%若振源为地基的垂直简谐振动x1 A1sin(t)，由振动理论可知：A2A11(2)2(1)(2)222式中，阻尼比Af1激振频率1n1，频率比12A2隔振系统固有频率fo当频率比0 2时，1，即A2 A1，隔振器没起隔振作用。当频率比2时，即A2 A1，隔振器起到了隔振作用。当频率比趋于1 时，即f1 fo时，振动幅值很大，这一现象叫共振。共振时，被隔离体系不可能正常工作。0.8 1.2为共振区，要避开共振区应使频率增加或减小5%，所以无论阻尼大小，只有当2时，隔振器才发生作用，隔振系数的值才小于 1。因此，要达到隔振目的，弹性支承固有频率fo的选择必须满足f1/fo2。当f1/fo2时，随着频率比的不断增大，隔振系数值越来越小，即隔振效果越来越好。但f1/fo也不宜过大，因为f1/fo大意味着隔振装置要设计得很柔软，静挠度要很大，相应地体积要做得很大，并且安装的稳定也差，容易摇晃。另一方面，f1/fo 5后，值的变化并不明显，这表明即使弹性支承设计得更软，也不指望隔振效果有显著的改善。故实际中一般采用f1/fo 3 5，相应的隔振效率 E 可达到（8090）%以上。四、实验内容与步骤1、实验装置如图9-2 所示。将传感器、分别置于简支梁和质量块上，用来测量简支梁振幅A1和质量块振幅A2。并将传感器、的输出分别接入测振仪的1、2通道。2、激振信号源输出正弦信号驱动电动式激振器，对简支梁激振。将激振频率f1由低向高调节，当A2出现最大时，得到隔振系统的固有频率f0()Hz。分别记录简支梁振幅 A1和质量块振幅 A2，将数据记录在表10-1 中。当刚出现A2 A1时，说明刚满足f1/fo2，这时的激振频率f1就是隔振器能起到隔振作用的最低频率。15图 9-2五、实验报告1、实验数据，其中系统的固有频率f0=（）Hz。表 9-1激振频率f1(Hz)频率比=f1/fo0.512振幅 A1(m)振幅 A2隔振系数(m)隔振效率E=(1-)100%=A2/A12345672、根据表中数据绘出-和 E-隔振特性曲线。16