《机械工程测试技术》实验指导书.doc

《《机械工程测试技术》实验指导书.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《机械工程测试技术》实验指导书.doc（9页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、机械工程测试技术实验指导书主编 汪烨适用专业：机械电子工程 机械设计制造及其自动化 上海电机学院 2008年10月 目 录实验一 位移测量实验2实验二 力测量实验4实验一 位移测量实验一、实验目的1、了解电容式传感器结构及其特点。 2、掌握电容式传感器测量位移的原理和方法，并画出mV-mm曲线。 3、学会根据被测对象，选择合适的位移传感器进行测量。二、实验要求实验前预习相关知识与实验内容。三、实验原理利用平板电容C=S/d和其它结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择、S、d中三个参数中，保持两个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测谷物干燥度（变）测微小位移（变d）和测量液位（变S）

2、等多种电容传感器。变面积型电容传感器中，平板结构对极距特别敏感，测量精度受到影响，而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，且理论上具有很好的线性关系，（但实际由于边缘效应的影响，会引起极板间的电场分布不均，导致非线性问题仍然存在，且灵敏度下降，但比变极距型好得多。）成为实际中最常用的结构，其中线位移单组式的电容量C在忽略边缘效应时为： （1）式中 l 外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度； r1、r2 外圆筒内半径和内圆柱外半径。当两圆筒相对移动l时，电容变化量C为： （2） 于是，可得其静态灵敏度为： （3）可见灵敏度与有关，r1与r2越接近，灵敏度越高，虽然内外极筒原始覆盖长度l与灵敏度无关，但l不

3、可太小，否则边缘效应将影响到传感器的线性。本实验为变面积式电容传感器，采用差动式圆柱形结构，因此可以很好的消除极距变化对测量精度的影响，并且可以减小非线性误差和增加传感器的灵敏度。四、实验设备传感器实验模块、电容传感器、测微头、传感器调理电路挂箱五、实验步骤1将电容式传感器装于传感器实验模块的黑色支架上，将差动电容传感器引线插头插入传感器调理电路中“电容式传感器实验”单元的“传感器接口”中。2Rw9调节到大概中间位置（Rw9为10圈电位器），将“电容传感器实验”单元的输出端Uo接入智能直流电压表。3打开“传感器调理电路”实验挂箱电源开关POWER2。4旋转测微头，改变电容传感器动极板的位置，每

4、隔0.2mm记下位移X与输出电压值，填入表2-1。（此过程也可用采集卡中的传感器实验软件做）图2-1测微头图表2-1 电容传感器位移与输出电压值X(mm)V(mV)5根据表2-1数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差f。图2-2 电容传感器位移实验接线图六、实验注意事项1传感器要轻拿轻放，绝不可掉到地上。2做实验时，不要用手或其它物体接触传感器，否则将会使线性变差。七、实验报告要求1根据实验内容整理实验结果，并分析和说明其检测原理。2根据实验原理和要求整理本实验的设计原理图。八、实验结果1根据表2-1数据，画出VX曲线，根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的最佳工作点(即曲线线性段

5、的中点)，试计算测量范围为1mm与3 mm时的灵敏度和线性度（可以用端基法或其它拟合直线）。2实验结果，分析引起这些非线性的原因。实验二 力测量实验一、实验目的1、了解金属箔式应变片的应变效应；2、掌握单臂电桥、半桥、全桥工作原理、性能和特点，并比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，得出相应的结论；3、理解电桥测量电路的原理及性能；4、熟练掌握测量方法及实验结果的分析。二、实验要求实验前预习相关知识与实验内容。三、实验原理金属丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值会发生变化，这就是金属的电阻应变效应。金属的电阻表达式为： （1） 当金属电阻丝受到轴向拉力F作用时，将伸长，横截面积相应减

6、小，电阻率因晶格变化等因素的影响而改变，故引起电阻值变化。对式（1）全微分，并用相对变化量来表示，则有： （2） 式中的为电阻丝的轴向应变，用表示，常用单位（1=1）。若径向应变为，电阻丝的纵向伸长和横向收缩的关系用泊松比表示为，因为=2（），则（2）式可以写成： （3）式（3）为“应变效应”的表达式。称金属电阻的灵敏系数，从式（3）可见，受两个因素影响，一个是（1+），它是材料的几何尺寸变化引起的，另一个是/，是材料的电阻率随应变引起的（称“压阻效应”）。对于金属材料而言，以前者为主，则，对半导体，值主要是由电阻率相对变化所决定。实验也表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成比

7、例。通常金属丝的灵敏系数=2左右。用应变片测量受力时，将应变片粘贴于被测对象表面上。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形时，应变片敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化。通过转换电路转换为相应的电压或电流的变化，根据（3）式，可以得到被测对象的应变值，而根据应力应变关系： （4）式中 测试的应力； E材料弹性模量。可以测得应力值。通过弹性敏感元件，将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，因此可以用应变片测量上述各量，从而做成各种应变式传感器。电阻应变片可分为金属丝式应变片，金属箔式应变片，金属薄膜应变片。半桥测量电路中，把不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度

8、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。式中E为电桥供电电压。全桥测量电路中，将受力性质相同的两个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。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明显改善。四、实验设备THZK-1型传感器实验模块、砝码（10个）、传感器调理电路挂件（ZK-1）。五、实验步骤（一）单臂桥测量1应变片的安装位置如图1-1所示，应变式传感器已装在传感器实验模块上，传感器中各应变片已接入模板上的四个应变片电阻上，可用万用表测量四个电阻都为350。图1-1 应变式传感器安装

9、示意图2打开实验台电源并开启面板上的直流稳压电源开关以及“传感器调理电路”实验挂箱电源开关POWER1，调节“应变式传感器实验单元”Rw4使之大致位于中间位置(Rw4为10圈电位器)然后对运放进行调零，调零的方法为：将“应变式传感器实验单元”的“Ui”的两个输入端对地短接， Uo2输出端接实验台的智能直流电压表，调节此单元中的调零电位器Rw6，使Uo2输出电压为零，关闭实验台电源。（注意：当Rw4的位置一旦确定，就不能改变。）3按图1-2将“传感器实验模块”上的“电阻应变式传感器”的其中一个应变片接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥，（R5、R6、R7在模块内已接好），接好电桥调

10、零电位器Rw3，接上桥路电源5V，如图2-3所示。检查接线无误后，打开实验台及实验挂箱的开关，调节Rw3电位器，使智能直流电压表显示为零。然后用导线连接Uo2和实验平台上数据采集卡接中的AD1。4打开实验室网络管理系统软件，点击“PCI数据采集卡软件”，然后在系统下方选择单点信号采集，则会打开传感器实验软件界面，选择通道1，在横坐标处输入1，在砝码盘上放置一只砝码，然后点击开始采集，则下方的采集进度会从0到100，在采集进度大约为50时，点击单点采集，则采集进度又会从0到100，最后在界面上出现一个点，此点就在20g砝码的电压值，在操作下点击波形测量，可以测量此点的电压值。接着放入第二个砝码，

11、点击采集单点，则会出现第二个点，依次增加砝码和测量相应的电压值，直到10个共200g砝码加完，计下实验结果，填入下表1-1，最后点击折线生成，则会出现实验曲线。关闭实验台电源。（此过程也可用实验平台上的智能直流电压表来测量电压值）。注：每次点击采集按钮时，最好在采集进度为50时采集，此时所采集的点误差小。图1-2 应变式传感器单臂电桥实验接线图 表1-1 单臂电桥输出电压与所加负载重量值重量(g)电压(mV)（单臂）电压(mV)（半臂）电压(mV)（全桥）5根据表1-1计算系统灵敏度（输出电压的变化量，重量变化量和非线性误差f1=m/yFS 100 式中（多次测量时为平均值）为输出值与拟合直线

12、的最大偏差：yFS 满量程输出平均值，此处为200g。（二）半臂桥测量1接入模板电源15V（从主控箱引入），检查无误后，合上主控台电源开关，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，输出端与主控箱面板上数显电压表输入端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。图1-3 应变式传感器半桥实验接线图2根据图1-3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。接入桥路电源5V，调节电桥调零电位器Rw1进行桥路调零，重复

13、单臂桥测量中的步骤4、5，将实验数据记入表1-1，计算灵敏度，非线性误差。若实验时显示数值不变化说明R1与R2两应变片受力状态相同。则应更换应变片。（三）全桥测量1根据1-4接线，实验方法与以上相同。将实验结果填入表1-1；进行灵敏度和非线性误差计算。图1-4 应变式传感器全桥实验接线图六、实验注意事项1不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。2电桥的电压为5V，绝不可错接成15V，否则可能烧毁应变片。3此实验挂箱上的POWER1电源开关是控制差动变压器实验单元、应变式传感器实验单元、移相器、相敏检波、压电式传感器实验单元、低通滤波单元的电源，而POWER2电源开关是控制电容式传感器实验单元的电源。在做实验时，两个电源开关不要同时打开，否则对实验结果有影响。4实验过程中不可触碰连接导线，这样会导致电压的不稳定。七、实验报告要求1根据实验内容整理实验结果，并分析和说明其检测原理。2根据实验原理和要求整理本实验的设计原理图。八、实验结果1 记录实验数据，绘制出单臂、半桥、全桥时传感器的特性曲线，并加以分析。2 比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性情况，并从理论上加以分析比较，得出相应的结论，并从理论上分析产生非线性误差的原因。