《機械工程測試技術》實驗指導書(總60頁)

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1、 《機械工程測試技術》 實驗指導書 山東大學機械工程學院實驗中心 2008年2月 目錄 實驗一 信號分析實驗——————2 實驗二 傳感器的標定實驗——————8 實驗三 測試裝置特性實驗——————————15 實驗四 靜態(tài)應力應變測試實驗——————23 實驗五 動態(tài)應力應變測試實驗——————33 實驗六 機械振動測試梁的固有頻率測定實驗————42 實驗七 傳感器應用---轉速測量實驗————48 實驗八 扭轉振動測量實驗 ——

2、——————38 實驗九 設計實驗—————————————50 實驗一 信號分析 一、 實驗目的 1.掌握信號時域參數(shù)的識別方法，學會從信號時域波形中觀察和獲取信號信息。 2.加深理解傅立葉變換的基本思想和物理意義，熟悉典型信號的頻譜特征，掌握使用頻譜分析提取測量信號特征的方法。 3.理解信號的合成原理，觀察和分析由多個頻率、幅值和相位成一定關系的正弦波疊加的合成波形。 4. 初步了解虛擬儀器的概念。 二、實驗原理 1．信號時域分析 信號時域分析又稱為波形分析或時域統(tǒng)計分析，它是通過信號的時域波形計算信號的均值、均方值、方差等統(tǒng)計參數(shù)。信號的時域分

3、析很簡單，用示波器、萬用表等普通儀器就可以進行分析。通過本實驗熟悉時域參數(shù)的識別方法，能夠從信號波形中觀測和讀取所需的信息，也就是具備讀波形圖的能力。 2信號頻譜分析 信號頻譜分析是采用傅里葉變換將時域信號x(t)變換為頻域信號X(f)，從而幫助人們從另一個角度來了解信號的特征。頻譜是構成信號的各頻率分量的集合，它完整地表示了信號的頻率結構，即信號由哪些諧波組成，各諧波分量的幅值大小及初始相位，揭示了信號的頻率信息。信號頻譜X(f)代表了信號在不同頻率分量成分的大小，能夠提供比時域信號波形更直觀，豐富的信息。工程上習慣將計算結果用圖形方式表示，以頻率f為橫坐標，X(f)的實部和虛部 為縱坐

4、標畫圖，稱為時頻－虛頻譜圖；以頻率f為橫坐標，X(f)的幅值。和相位 為縱坐標畫圖，則稱為幅值－相位譜。 附：軟件介紹 機械工程測試實驗程序是以LabVIEW為平臺開發(fā)的虛擬儀器軟件，程序包含了信號分析、信號合成、采樣定理、窗函數(shù)、相關分析等子程序。程序可以按照設定的信號類型、頻率、相位等參數(shù)生成仿真信號，并可以對生成的信號進行頻譜分析、信號合成、濾波等操作。波形可以通過顯示窗口中呈現(xiàn)出來（如圖1-1所示）。 圖1-1 波形顯示縮放的操作坊法 在顯示窗口中的工具欄，可以對窗口中的波形現(xiàn)實進行調整。 1 拖動工具：用來對波形進行拖動； 2 縮放工具：來實現(xiàn)對波形的多種形式的縮放

5、，此包括圖1-2所示的選擇項。 矩形區(qū)域縮放：實現(xiàn)對選定區(qū)域放大； X軸縮放：對選區(qū)域沿橫坐標放大； Y軸縮放：對選區(qū)域沿縱坐標放大； 圖1-2 自適應縮放：將波形在XY軸上自動縮放至窗口大小。 三.實驗內容 1. 分析典型信號的幅值譜特性； 2. 分析合成信號的頻譜特點； 四. 實驗儀器和設備 1. 計算機 2. 機械工程測試實驗軟件 五、實驗步驟： 一 、打開“機械工程測試實驗”程序，選擇進入“信號分析”子程序。 1.設置一個周期信號的頻率、幅值、相位等參數(shù)，調整信號顯示縮放，分析典型信號的幅值和頻率，記錄數(shù)據(jù)并

6、填寫表1-1。 2．在非周期信號面板中選擇不同的信號，設置相關參數(shù)，調整信號顯示縮放，觀察記錄不同信號的頻譜，記錄數(shù)據(jù)并填寫表1-2。 3．觀察噪聲的頻域特點。 二、打開“信號合成”子程序，設置濾波器為off，設置白噪聲幅值為0 1. 設置信號1和信號2為同頻、不同相位的正弦波，觀察驗證合成信號的幅值和相位。 2. 兩個頻率接近、振幅不等的正弦信號迭加就會形成“拍振”。設置信號1和信號2為頻率相近的正弦波，觀察合成信號的特點，并記錄數(shù)據(jù)和波形填寫表1-3。 3. 設置信號1和信號2為不同類型信號，觀察合成信號頻譜的特點，能夠從頻譜中看出合成信號的組成。 實驗報告 姓名

7、 班級 時間 同組者 一、實驗目的 二、實驗設備 三、預習作業(yè) 1 簡述信號分類 2寫出信號：方波、三角波、鋸齒波、Sin(ωt)e(-at)的傅立葉級數(shù)展開式 3推導下列公式 (1)積化和差 Asin(ωt)(3-sin(10πt)) (2)和差化積 A1sin(ω1t+φ1)+ A2sin(ω2t+φ2) 四、實驗結果 表1-1典型周期信號頻譜

8、數(shù)據(jù) 信號 正弦波 三角波 鋸齒波 方波 頻率 幅值 相位 占空比： 峰值 頻率 幅值 頻率 幅值 頻率 幅值 頻率 幅值 1 2 3 4 5 6 表1-2 非周期確定性信號的頻譜數(shù)據(jù) 信號 Asin(ωt)(3-sin(10πt)) Sin(ωt)e(-at) 頻率

9、 幅值 峰值 頻率 幅值 頻率 幅值 頻率 幅值 1 2 3 4 表1-3 “拍振”數(shù)據(jù)及波形 頻率 幅值 信號1 信號2 合成信號 合成信號波形 總結周期信號、非周期確定性信號、非周期確定性信號和白噪聲的頻譜特點？ 實驗二 傳感器（電感式）性能測試實驗 一、 實驗目的： 1、 了解電渦流傳感器測量位移的工作原理和特性。 2、 了解不同的被測體材料對電渦流傳感

10、器性能的影響。 3、 了解被測體的形狀和尺寸對電渦流傳感器位移特性的影響。 4、 掌握電渦流傳感器的標定方法。 二、 實驗儀器： CSY-2000傳感器與檢測技術實驗臺：渦流傳感器，渦流變換器，直流電源，測微頭，鐵測片，鋁測片，電壓表。 三、 實驗原理： 如圖（1）：渦流傳感器測量原理圖。 通過高頻電流的線圈產(chǎn)生磁場，當有導電體接近時，因導電體渦流效應產(chǎn)生渦流損耗，而渦流損耗與導電體離線圈的距離有關，因此可以進行位移測量。 渦流效應與金屬導體本身的電阻率和磁導率有關，因此不同的材料就會有不同的性能。 電渦流傳感器在實際應用中，由于被測體的形狀、大小不同，會導致被測體上渦流

11、效應的不充分，會減弱甚至不產(chǎn)生渦流效應，因此影響電渦流傳感器的靜態(tài)特性，所以在實際測量中，往往必須針對具體的被測體進行靜態(tài)特性標定。 四、 實驗步驟： 1、觀察渦流傳感器的結構，根據(jù)圖2－2所示，安裝電渦流傳感器和測微頭。 2、在測微頭端部裝上鐵質金屬圓片，作為電渦流傳感器的被測體。 圖2-2 電渦流傳感器安裝示意圖 3、根據(jù)圖2－3所示，將電渦流傳感器輸出線接入實驗模板上標有L的兩端插孔中，作為振蕩器的一個元件。 4、將實驗模板輸出端Vo與數(shù)顯單元輸入端Vi相接。數(shù)顯表量程切換開關選擇電壓20V檔。 5、用連結導線從主控臺接入15V直流電源接到模板上標有＋15V的插孔中。

12、 圖2－3電渦流傳感器位移實驗接線圖 6、開啟主控箱電源開關，調節(jié)測微頭使鐵測片與傳感器線圈端部接觸，此時電壓表讀數(shù)為0，記下數(shù)顯表讀數(shù)，然后每隔0.25mm讀一個數(shù)，直到輸出幾乎不變?yōu)橹梗ɑ蚓€性嚴重破壞為止）。將結果記入表2－1。 7、關斷電源，將測微頭復原，在測微頭端部裝上面積大鋁測片，接通電源，調節(jié)傳感器使之與鋁測片接觸，此時電壓表讀數(shù)為0。旋轉測微頭，改變傳感器與被測體的距離，每隔0.25mm讀電壓表讀數(shù)，記入數(shù)據(jù)表格2-1，直到線性嚴重破壞為止。 8、關斷電源，將測微頭復原，在測微頭端部裝上面積小鋁測片，接通電源，調節(jié)傳感器使之與鋁測片接觸，此時電壓表讀數(shù)為0。旋轉測微

13、頭，改變傳感器與被測體的距離，每隔0.25mm讀電壓表讀數(shù)，記入數(shù)據(jù)表格2-1，直到線性嚴重破壞為止。 9、關閉電源，拆下連接導線、渦流傳感器、測微頭，將實驗模塊放入實驗臺內。 五、 實驗數(shù)據(jù)記錄及處理： 1、 數(shù)據(jù)記錄見下表： 表2-1 位移X(mm) 0 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 V鐵（V） V鋁（V） V鋁小 位移X(mm) 2.25 2.50 2.75 3.00 3.25 3

14、.50 3.75 4.00 4.25 V鐵（V） V鋁（V） V鋁小 位移X(mm) 4.50 4.75 5.00 5.25 5.50 5.75 6.00 6.25 6.50 V鐵（V） V鋁（V） V鋁小 2、 數(shù)據(jù)處理： 以位移為橫坐標，V鐵（V鋁）為縱坐標，在同一坐標系上作出V鐵-X曲線，V鋁-X曲線，V鋁小-X曲線。如圖2-

15、4： V鐵（鋁） （v） 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 X(mm) 圖2-4 V鐵（鋁）---X曲線 （1） 從曲線上找出渦流傳感器的線性工作范圍。 線性工作范圍為：X鐵 = 至

16、 mm； X鋁 = 至 mm； X鋁小= 至 mm； （2） 求線性范圍的靈敏度S鐵，S鋁。 線性范圍的靈敏度為：S鐵 = V/mm ； S鋁 = V/mm S鋁小= V/mm （3） 用端點法作出擬和曲線，求出線性度δL（僅限鐵測片）。 線性度δL(鐵) =

17、（4） 確定渦流傳感器的最佳工作點（即用渦流傳感器測振動時，渦流傳感器離被測體的最佳距離為多少 渦流傳感器的最佳工作點為：δ鐵0 = mm δ鋁0 = mm δ鋁小0 = mm 3、 分析討論 （1） 被測體材料對渦流傳感器工作特性有何影響？ 答： （2） 被測體材面積對渦流傳感器工作特性有何影響？ 答：

18、 （3）、電渦流傳感器的量程與哪些因素有關，如果需要測量5mm的量程應如何設計傳感器？ （4）、用電渦流傳感器進行非接觸位移測量時，如何根據(jù)量程使用選用傳感器。 （5）、當被測體為非金屬材料如何利用電渦流傳感器進行測試？ （6）、目前現(xiàn)有一個直徑為10mm的電渦流傳感器，需對一個軸直徑為8mm的振動進行測量？試說明具體的測試方法與操作步驟。 實驗三 濾波器特性實驗 一、實驗目的： 1、 掌握動態(tài)特性的含義及其測量方法。 2、 以RC濾波器為例掌握濾波器特性的測試方法。 3、 明確RC濾波器各有關參數(shù)的含義及確定方法。 二

19、、實驗儀器： EGC-3230型數(shù)字信號發(fā)生器額，YE3790型高、低通組合濾波器，TD1914C交流毫伏表，導線若干。 三、實驗原理： 如圖： 圖3-4、測試系統(tǒng)原理圖 圖3-1、圖3-2、圖3-3分別為低通、高通、帶通濾波器的原理圖。如圖3-4，信號發(fā)生器的輸出接到濾波器的輸入端，濾波器的輸出端接交流毫伏表，當直通/濾波開關接通時，用毫伏表測量濾波器的輸入電壓，當直通/濾波開關斷開時，用毫伏表測量濾波器的輸出電壓；確定輸出電壓和輸入電壓的比值與輸入信號頻率的函數(shù)關系，即為濾波器的頻率特性，從頻率特性曲線上可以確定濾波器的各個參數(shù)。 四、實驗步驟： 1、選擇低通濾波器，

20、將理論截至頻率旋鈕轉到合適位置，并記下截至頻率值。 2、將毫伏表量程選擇開關打在1V檔。 4、 將信號發(fā)生器的頻率調到20Hz，輸出電壓調到0V，信號發(fā)生器的輸出端接到低通濾波器的輸入端，低通濾波器的輸出端接到毫伏表上。 5、 接通電源，調節(jié)信號發(fā)生器的輸出電壓，用毫伏表測濾波器的輸入電壓，使毫伏表的讀數(shù)為0.8V左右。 6、 逐級改變信號發(fā)生器的頻率，在毫伏表上逐次讀取各頻率下濾波器的輸入和輸出電壓。將數(shù)據(jù)填入表格3-1。 7、 將信號發(fā)生器的頻率調回20HZ，輸出電壓調到0V，關閉電源。 8、 選擇高通濾波器，將理論截至頻率旋鈕轉到合適位置，并記下截至頻率值。信號發(fā)生器的輸出端

21、接到高通濾波器的輸入端，高通濾波器的輸出端接到毫伏表上。 9、 重復步驟4、5、6。將數(shù)據(jù)填入表格3-2。 10、 將低通濾波器的輸出接至高通濾波器的輸入端，保持原低通濾波器、高通濾波器的截至頻率不變，并記下截至頻率值。信號發(fā)生器的輸出端接到低通濾波器的輸入端，高通濾波器的輸出端接到毫伏表上。 11、重復步驟4、5、6。將數(shù)據(jù)填入表格3-3。 五、實驗數(shù)據(jù)記錄及處理： 1、 數(shù)據(jù)記錄見表格3-1、3-2、3-3： 2、數(shù)據(jù)處理： 以輸入頻率為橫坐標，以輸出/輸入幅值比為縱坐標，分別作出三種濾波器的幅頻特性曲線。見下圖3-5、3-6、3-7： 3、分析討論： （1）從低、高通濾

22、波器特性曲線上找出其相應的截止頻率（在曲線上標出），并與理論值比較。 低通濾波器的上截止頻率：測試值fc2= 理論值fc’2= 誤差δ2= 高通濾波器的上截止頻率：測試值fc1 = 理論值fc’1 = 誤差δ1 = （2）帶通濾波器特性曲線上找出帶通濾波器的上、下截止頻率（在曲線上標出），確定帶通濾波器的帶寬、中心頻率及倍頻程選擇性。 帶通濾波器的下截止頻率測試值fc1 = 上截止頻率測試值fc2 = 帶通濾波器的帶寬 B = 中心頻率 f0 = 倍頻程選擇性 = 表格3-1：低通

23、濾波器 理論截至頻率 輸入頻率 (Hz) 輸入幅值 (V) 輸出幅值 (V) 輸出、輸入 幅值比 20 30 40 60 80 100 200 300 400 500 600 700 800 1000 2000 3000 6000 8000 表格3-2：高通濾波器 理論截至頻率

24、 輸入頻率 (Hz) 輸入幅值 (V) 輸出幅值 (V) 輸出、輸入 幅值比 20 30 40 60 80 100 200 300 400 500 600 700 800 1000 2000 3000 6000 8000 表格3-3：帶通濾波器 理論截至頻率 輸入頻

25、率 (Hz) 輸入幅值 (V) 輸出幅值 (V) 輸出、輸入 幅值比 20 30 40 60 80 100 200 300 400 500 600 700 800 1000 2000 3000 6000 8000 圖3-5、 低通濾波器幅頻特性曲線 圖3-6、 高通濾波器幅頻特性曲線 圖3-7、 帶通濾波器幅頻特性曲

26、線 實驗四 靜態(tài)應力應變測試 一、 實驗內容： 1、 單臂電橋、半橋、全橋性能測試及比較實驗 2、 直流全橋的應用---電子秤實驗 二、 實驗目的： 1、了解金屬箔式應變片的應變效應，單臂電橋、半橋和全橋的工作原理和性能。 2、比較單臂、半橋、全橋輸出時的靈敏度和非線性度，了解其特點。 3、了解應變直流全橋的應用及電路的標定。 三、實驗原理： 電阻絲在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值發(fā)生變化，這就是電阻應變效應。 描述電阻應變效應的關系式為： ΔR／R＝Kε 式中ΔR／R為電阻絲電阻相對變化， K為應變靈敏系數(shù),ε=Δl/l為電阻絲長度相對變化 金屬箔式應變

27、片就是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應變敏感元件，通過它轉換被測部位受力狀態(tài)變化，電橋的作用完成電阻到電壓的比例變化，電橋的輸出電壓反映了相應的受力狀態(tài)。 對單臂電橋，只有一只應變片作為一個橋臂，其橋路輸出電壓 Uo1= EKε/4。 不同受力方向的兩只應變片接入電橋作為鄰邊就構成了半橋橋路，電橋輸出靈敏度提高，非線性得到改善。當應變片阻值和應變量相同時，其橋路輸出電壓UO2＝EKε／2。 全橋測量電路中，將受力性質相同的兩應變片接入電橋對邊，當應變片初始阻值：R1＝R2＝R3＝R4，其變化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4時，其橋路輸出電壓U03＝KEε。其輸出靈敏度比半橋又提高了一倍，

28、非線性誤差和溫度誤差均得到改善。 四、實驗設備：應變式傳感器實驗模板、應變式傳感器－電子秤、砝碼、數(shù)顯表、15V電源、4V電源、萬用表（自備）。 五、實驗步驟： 1、根據(jù)圖（4－1）應變式傳感器（電子秤）已裝于應變傳感器模板上。傳感器中各應變片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。加熱絲也接于模板上，可用萬用表進行測量判別，R1＝R2＝R3＝R4＝350Ω，加熱絲阻值為50Ω左右 2、接入模板電源15V（從主控臺引入），檢查無誤后，合上主控臺電源開關， 3、將實驗模板調節(jié)增益電位器RW3順時針調節(jié)大致到中間位置，再進行差動放大器調零，方法為將差放的正負輸入端與地短接，輸出端與主

29、控臺面板上數(shù)顯表輸入端Vi相連，調節(jié)實驗模板上調零電位器RW4，使數(shù)顯表顯示為零（數(shù)顯表的切換開關打到2V檔）。關閉主控箱電源（注意：當Rw3、Rw4的位置一旦確定，就不能改變。一直到做完實驗為止）。 圖4－1 應變式傳感器安裝示意圖 圖4－2應變式傳感器單臂電橋實驗接線圖 4、如圖4－2所示，將應變式傳感器的其中一個電阻應變片R1（即模板左上方的R1）接入電橋作為一個橋臂與R5、R6、R7接成直流電橋（R5、R6、R7模塊內已接好），接好電橋調零電位器RW1，接上橋路電源4V（從主控臺引入）。檢查接線無誤后，合上主控臺電源開關。調節(jié)RW1，使數(shù)顯表顯示為零。 5、在電子稱上放置

30、一只砝碼，讀取數(shù)顯表數(shù)值，依次增加砝碼和讀取相應的數(shù)顯表值，直到200g（或500 g）砝碼加完。記下實驗結果填入表4－1，關閉電源，取出砝碼。 圖4－3應變式傳感器半橋實驗接線圖 6、根據(jù)圖4－3接線。R1、R2為實驗模板左上方的應變片，注意R2應和R1受力狀態(tài)相反，即將傳感器中兩片受力相反（一片受拉、一片受壓）的電阻應變片作為電橋的相鄰邊。接通電源，接入橋路電源4V，調節(jié)電橋調零電位器RW1進行橋路調零，使數(shù)顯表顯示為零。 7、在電子稱上放置一只砝碼，讀取數(shù)顯表數(shù)值，依次增加砝碼和讀取相應的數(shù)顯表值，直到200g（或500 g）砝碼加完。記下實驗結果填入表4－2，關閉電源，取出砝碼。

31、（若實驗時無數(shù)值顯示說明R2與R1為相同受力狀態(tài)應變片，應更換另一個應變片。） 圖4－4全橋性能實驗接線圖 8、根據(jù)圖4－4接線。R1、R2、R3、R4、為實驗模板左上方的應變片，將受力性質相同的兩應變片接入電橋對邊組成全橋，接通電源，接入橋路電源4V，調節(jié)電橋調零電位器RW1進行橋路調零，使數(shù)顯表顯示為零。 9、在電子稱上放置一只砝碼，讀取數(shù)顯表數(shù)值，依次增加砝碼和讀取相應的數(shù)顯表值，直到200g（或500 g）砝碼加完。記下實驗結果填入表4－3，關閉電源，取出砝碼。 六、實驗數(shù)據(jù)記錄及處理 1、數(shù)據(jù)記錄見下表 表格4-1 單臂測量時，輸出電壓與加負載重量值 重量(g)

32、 電壓(mv) 表格4-2 半橋測量時，輸出電壓與加負載重量值 重量(g) 電壓(mv) 表格4-3 全橋測量時，輸出電壓與加負載重量值 重量(g) 電壓(mv) 2、數(shù)據(jù)處理 在

33、同一坐標系下畫出單臂、半橋、全橋的重量與輸出電壓的關系曲線m—V曲線。如圖4-5 V單臂、半橋、全橋 （v） 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 m(g) 圖4-5 直流電橋性能曲線 m-V曲線 （1）根據(jù)圖4-5曲線，計算系

34、統(tǒng)靈敏度S＝ΔU/ΔW（ΔU輸出電壓變化量，ΔW重量變化量） S單臂= S半橋= S全橋= （2）根據(jù)圖4-5曲線，計算系統(tǒng)非線性誤差δf1=Δm/yF..S 100％式中Δm為輸出值（多次測量時為平均值）與擬合直線的最大偏差：yFS滿量程輸出平均值，此處為200g（或500g）。 δf1單臂= δf1半橋=

35、 δf1全橋= 3、分析討論 (1)、根據(jù)單臂、半橋和全橋輸出時的靈敏度和非線性度，從理論上進行分析比較單臂、半橋、全橋的性能并闡述理由。 (2)、 單臂電橋時，作為橋臂電阻應變片應選用：（1）正（受拉）應變片（2）負（受壓）應變片（3）正、負應變片均可以。 答案（ ） (3)、半橋測量時兩片不同受力狀態(tài)的電阻應變片接入電橋時，應放在：（1）對邊（2）鄰邊。答案（ ） (4)、橋路（差動電橋）測量時存在非線性誤差，是因為：（1）電橋測量原理上存在非線性（2）應變片應變效應是非線性的（3）

36、調零值不是真正為零。 答案（ ） (5)、全橋測量中，當兩組對邊（R1、R3為對邊）電阻值R相同時，即R1＝R3，R2＝R4，而R1≠R2時，是否可以組成全橋：（1）可以（2）不可以。 答案（ ） (6)、某工程技術人員在進行材料拉力測試時在棒材上貼了兩組應變片，如圖4-6，如何利用這四片電阻應變片組成電橋，是否需要外加電阻。試畫出橋路。 F F R1 R3 R2 R1 R2 R3 R4 R4 F F 圖4－6應變式傳感器受拉時傳感器圓周面展開圖 (7)、溫度對應變片測試系統(tǒng)有何影響？

37、金屬箔式應變片溫度影響有哪些消除方法？ (8)、試根據(jù)全橋測量電路及結果，設計一電子秤，要求托盤上放上不同砝碼數(shù)顯表能顯示不同的重量。說明設計原理和步驟。 實驗五 動態(tài)應力應變測試 一、實驗目的： 1、了解利用交流電橋測量動態(tài)應變參數(shù)的原理與方法。 2、了解交流全橋在振動測量中的應用。 三、 實驗原理： 對于交流應變信號用交流電橋測量時，橋路輸出的波形為一調制波，不能直接顯示其應變值，只有通過移相檢波和濾波電路后才能得到變化的應變信號，此信號可以從示波器或用交流電壓表讀得。 對懸臂梁輸入一正弦信號，使其振動，改變正弦信號的幅

38、值，懸臂梁的振動位移發(fā)生變化，交流電橋的輸出電壓也發(fā)生變化，用渦流傳感器測量懸臂梁的振動位移，以振動位移為橫坐標，電橋輸出電壓為縱坐標，做出交流電橋的性能曲線。 對懸臂梁輸入一正弦信號，使其振動，改變正弦信號的頻率，懸臂梁的振動位移和頻率都發(fā)生變化，交流電橋的輸出電壓也發(fā)生變化，以振動頻率為橫坐標，振動位移為縱坐標，做出懸臂梁的振動曲線，確定懸臂梁的固有頻率。 三、實驗設備： CSY-2000傳感器與檢測技術實驗臺：音頻振蕩器、低頻振蕩器、振動源、應變式傳感器實驗模板、相敏檢波器模板、渦流傳感器，渦流放大模塊，毫伏表（自備），雙綜示波器（自備）、萬用表（自備） 四、實驗步驟： 1、

39、模塊上的傳感器不用，改為振動梁的應變片，即臺面上的應變輸出。 2、 將臺面三源板上的應變插座用連接線插入應變傳感器實驗模板上。因振動梁上的四片應變片已組成全橋，引出線為四芯線，因此可直接接入實驗模板面上已聯(lián)成電橋的四個插孔上。接線時應注意連接線上每個插頭的意義，對角線的阻值為350Ω，若二組對角線阻值均為350Ω則接法正確（萬用表測量）。 3、 根據(jù)圖5－1，接好交流電橋調平衡電路及系統(tǒng)，R8、Rw1、C、Rw2為交流電橋調平衡網(wǎng)絡。檢查接線無誤后，合上主控臺電源開關，將音頻振蕩器的頻率調節(jié)到1KHz左右，幅度調節(jié)到10Vp-p（頻率可用數(shù)顯表Fin監(jiān)測，幅度用示波器監(jiān)測） 4、 如圖5

40、-2，將渦流傳感器裝入振動臺（圓盤）上，并接好渦流放大模塊，渦流放大模塊的輸出端接毫伏表，調節(jié)渦流傳感器與振動臺（圓盤）的位置，使其處于最佳工作點。（振動臺面為鋁材料）。 5、 將低頻振蕩器輸出接入振動臺激勵源插孔，調低頻輸出幅度，將低頻振蕩器頻率調至8Hz（低頻輸出端接入數(shù)顯單元的Fin，把數(shù)顯表的切換開關打到頻率檔監(jiān)測低頻頻率），使振動臺（圓盤）明顯感到振動。 圖5－1應變片振動測量實驗接線圖 6、 固定低頻振蕩器頻率鈕旋位置不變，調節(jié)低頻輸出幅度，用毫伏表記錄渦流傳感器的輸出電壓值，用示波器讀出幅值改變時電橋模塊上低通濾波器輸出Vo的電壓峰－峰值，填入表5－1。 7、 將低頻信號

41、的幅值和頻率調至最小，關閉電源，卸掉渦流傳感器、渦流放大模塊后，開啟電源。 8、 適當調節(jié)低頻振蕩器幅度和頻率，使振動臺明顯振動，固定低頻振蕩器幅度鈕旋位置不變，低頻輸出端接入數(shù)顯單元的Fin，把數(shù)顯表的切換開關打到頻率檔監(jiān)測低頻頻率，調節(jié)低頻頻率，用示波器讀出頻率改變時低通濾波器輸出Vo的電壓峰－峰值，填入表5－2。 圖5－2渦流傳感器振動測量安裝圖 五、實驗數(shù)據(jù)記錄及處理 1、數(shù)據(jù)記錄見下表 表5-1 V渦流(V) Vo(p-p) 振動位移(mm)

42、 表5-2 f(Hz) Vo(p-p) 振動位移(mm) 2、 數(shù)據(jù)處理 （1）根據(jù)實驗2的結果（渦流傳感器的靈敏度，測量材料為鋁）求出振動位移，填入表格5-1中，做出交流全橋性能曲線（交流全橋輸出電壓與位移的關系曲線）如圖5-3， V全橋 （v） 16

43、 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 X(mm) 圖5-3 交流全橋性能曲線 X-V曲線 求出交流全橋的靈敏度S= （2）根據(jù)交流全橋的靈敏度S，求出懸臂梁在不同頻率下的振動位移，填入表格

44、5-2中，做出懸臂梁的振動位移與振動頻率曲線，如圖5-4。 從曲線中得到懸臂梁的共振頻率為 HZ。 X位移 （mm） 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 10 12 f(Hz) 圖5-4 直流電橋性能曲線 m-V曲

45、線 3、分析討論 1、 在交流電橋測量中，對音頻振蕩器頻率和被測梁振動頻率之間有什么要求？ 2、 請歸納直流電橋和交流電橋的特點？ 小結： 電阻應變式傳感器從1938年開始使用到目前，仍然是當前稱重測力的主要工具，電阻應變式傳感器最高精度可達萬分之一甚至更高，電阻應變片、絲，除直接用以測量機械、儀器及工程結構等的應變外，主要是與種種形式的彈性體相配合，組成各種傳感器和測試系統(tǒng)。如稱重、壓力、扭矩、位移、加速度等傳感器，常見的應用場合如各種商用電子稱、皮帶稱、吊鉤稱、高爐配料系統(tǒng)、汽車衡、軌道衡等。 　　附移相器和相敏檢波器電路原理圖 圖5－6　移相器電路

46、原理圖 圖5－7　相敏檢波器的電路原理圖 實驗六 梁的固有頻率測定實驗 一、實驗目的 1、了解構件正弦激振實驗的基本方法。 2、了解壓電傳感器測量振動的原理和方法。 3、了解構件一階固有頻率的測定方法。 二、實驗儀器 CSY2000型傳感器與檢測技術實驗臺：振動臺、低頻信號發(fā)生器，電磁激振器，直流電源，壓電傳感器、檢波、移相、低通濾波器模板、壓電式傳感器實驗模板。毫伏表，雙蹤示波器。 三、實驗原理 具有粘性阻尼單自由度系統(tǒng)，強迫振動下的基本關系 運動微分方程式 對正弦激振法 則有： 該微分方程的穩(wěn)定解為： 其中， 系統(tǒng)固有

47、頻率， 系統(tǒng)阻尼率 以為參數(shù)得和的關系分別如圖6-1所示： 圖6-1 單自由度系統(tǒng)特性曲線圖 從圖可知，在附近X出現(xiàn)峰值，，當頻率有微小增減時，振幅X都有明顯減小，這稱共振現(xiàn)象。通過正弦激勵法作出梁的X—ω曲線，振幅峰值較大的點即為梁的一階固有頻率。 在共振點前后相位發(fā)生急劇變化，當阻尼率時，理論上振幅值等于無窮大。當增加時，振幅峰值明顯減小。所以，可根據(jù)頻響曲線按下式近似求得： ，其中見圖6-2： 圖6-2 阻尼比求法 壓電式傳感器由慣性質量塊和受壓的壓電片等組成。（觀察實驗用壓電加速度計結構）工作時傳感器感受與試件相同頻率的振動，質量塊便有正比于加速度的交變力

48、作用在晶片上，由于壓電效應，壓電晶片上產(chǎn)生正比于運動加速度的表面電荷，經(jīng)電荷放大器放大轉換成電壓信號輸出。 四、實驗步驟： 1、按圖6-3連接測試系統(tǒng) 圖6-3 梁的固有頻率測試系統(tǒng)圖 低頻信號發(fā)生器輸出接振動源，壓電加速度計的輸出接電荷放大模塊，電荷放大模塊的輸出接毫伏表。壓電放大模塊電路圖如圖6-4。 2、接通儀器電源，逐漸加大低頻信號源的輸出，使得毫伏表的輸出電壓約為10mv。 3、由低向高逐漸改變信號發(fā)生器的頻率（注意在各頻率下，稍停一會兒，以便構件進入穩(wěn)定狀態(tài)，并記下毫伏表相應的電壓值（正比于振動幅值）。記入表格6-1。 a、頻率范圍為2HZ—20HZ。 b

49、、每次頻率間隔，視電壓變化而定，示值變化緩慢頻率間隔可大，示值變化急劇時，應縮小間隔。 c、當f超過8HZ時，為便于讀數(shù)，應將毫伏表電壓檔置于30mv檔。 d、在第一階峰值處，要仔細掃頻，找出振幅（電壓）最大的頻率，可近似作為一階的固有頻率。 圖6-4 電荷放大模塊接線圖 五、實驗數(shù)據(jù)記錄及處理： 1、將實驗數(shù)據(jù)填入表格6-1。 2、作出梁的頻響曲線。見圖6-5： 3、由頻響曲線確定梁的一階固有頻率為： f1=（ ）Hz , 表格6-1： 激振頻率 f (HZ) 2 4 5 6 7 8 9 振幅X（mv）

50、 激振頻率 f (HZ) 10 11 12 13 14 15 16 振幅X（mv） 激振頻率 f (HZ) 17 18 19 20 振幅X（mv） 圖6-5 梁的頻響曲線 實驗七 傳感器應用----轉速測量實驗 一、實驗目的 1、 了解霍爾轉速傳感器的應用。 2、 了解磁電式測量轉速的原理。 3、 了解光電轉速傳感器測量轉速的原理及方法。 4、 比較各種轉度測量的優(yōu)缺點，提高學生綜合運用知識解決實際問題的能力。 二、實驗儀器 C

51、SY—2000型傳感器與檢測技術實驗臺：霍爾轉速傳感器、磁電式速度傳感器、光電轉速傳感器、直流源＋5V、轉動源2－24V、轉動源單元、數(shù)顯單元的轉速顯示部分。 三、實驗原理 1、對于霍爾傳感器，利用霍爾效應表達式：UH＝KHIB，當被測圓盤上裝上N只磁性體時，圓盤每轉一周磁場就變化N次。每轉一周霍爾電勢就同頻率相應變化，輸出電勢通過放大、整形和計數(shù)電路就可以測量被測旋轉物的轉速。 2、對于磁電傳感器，基于電磁感應原理，N匝線圈所在磁場的磁通變化時，線圈中感應電勢發(fā)生變化，因此當轉盤上嵌入N個磁棒時，每轉一周線圈感應電勢產(chǎn)生N次的變化，通過放大、整形和計數(shù)等電路即可以測量轉速。 3、對于

52、光電式轉速傳感器有反射型和透射型二種，本實驗裝置是透射型的，傳感器端部有發(fā)光管和光電池，發(fā)光管發(fā)出的光源在轉盤上反射后由光電池接受轉換成電信號，由于轉盤上有相間的16個間隔，轉動時將獲得與轉速及黑白間隔數(shù)有關的脈沖，將電脈計數(shù)處理即可得到轉速值。 四、實驗步驟 1、 根據(jù)圖7－1，將霍爾轉速傳感器裝于傳感器支架上，探頭對準反射面內的磁鋼。 圖5－4　霍爾、光電、磁電轉速傳感器安裝示意圖 2、 將5V直流源加于霍爾轉速傳感器的電源端（1號接線端）。 3、 將霍爾轉速傳感器輸出端（2號接線端）插入數(shù)顯單元Fin端，3號接線端接地。 4、 將轉速調節(jié)中的＋

53、2V－24V轉速電源接入三源板的轉動電源插孔中。合上主控箱電開關，使轉速電機帶動轉盤旋轉。 5、 將數(shù)顯單元上的開關撥到轉速檔。調節(jié)電壓（每隔2V），使轉動速度變化，用電壓表記錄電壓值，觀察數(shù)顯表轉速顯示的變化，并記錄電壓值和轉速值。 6、 關閉電源，根據(jù)圖7－1，將磁電轉速傳感器裝于傳感器支架上，探頭對準反射面內的磁鋼。 7、 啟動電源，重復步驟2，3，4，5。 8、 關閉電源，根據(jù)圖7－1，將光電轉速傳感器裝于傳感器支架上 9、 啟動電源，重復步驟2，3，4，5。 四、數(shù)據(jù)記錄及處理 1、數(shù)據(jù)記錄見表格7-1 電壓(V) 2 4 6 8 10 12 14

54、 16 18 20 22 24 轉速rpm （霍爾） 轉速rpm （磁電） 轉速rpm （光電） 2、數(shù)據(jù)處理。 在同一坐標系中，做出三種轉速傳感器的轉速性能曲線，見圖7-2。并比較他們的測速范圍和靈敏度。 霍爾傳感器的測速范圍： 靈敏度為： 磁電傳感器的測速范圍： 靈敏度為： 光電傳感器的測速范圍：

55、 靈敏度為： 3、分析討論 1、 利用霍爾元件測轉速，在測量上有否限制？ 2、 本實驗裝置上用了十二只磁鋼，能否用一只磁鋼？ 3、為什么說磁電式轉速傳感器不能測很低速的轉動？ 4、實驗中用了多種傳感器測量轉速，試分析比較一下哪種方法最簡單、方便。 5、工程實際中除上述測速方法外，還有其他測速方法，請選擇適合轉速測量的傳感器，并敘述測速的原理和方法。 N轉速╳100 （rpm） 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4

56、 3 2 1 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 V(v) 圖7-2 轉速傳感器的轉速性能曲線 實驗八 扭轉振動的測量 一、實驗目的 1、了解IMDU的結構、功能和扭轉振動測量原理，掌握扭轉振動及其測量方法 2 觀察方波信號作用下單圓盤轉子的扭轉振動和測量結果。 3 了解機電傳動中的伺服控制技術的應用，掌握通過伺服控制減小扭

57、轉振動的方法。 二、實驗原理 扭轉振動是指旋轉軸的扭矩隨時間變化而產(chǎn)生的旋轉振動，是重要的一種振動形式。測量轉軸的扭振也就是測量轉軸的扭角和角速度差，有2種方法較為常見： 1、將傳感器(應變片等)直接裝在軸上，通過軸的扭轉應變來測量扭振。 2、利用裝在軸上的碼盤、齒輪等結構，通過非接觸式光、電、磁等傳感器產(chǎn)生相應的脈沖信號。光柵式編碼器就是常用的傳感器，編碼器每轉動一定角度，就產(chǎn)生一個脈沖，通過測得兩脈沖的間隔時間，就可獲得兩脈沖的間隔的平均角速度，進而獲得扭角和角速度差。 三、實驗設備 工業(yè)機電驅動單元（IMDU） 四、實驗步驟 1. 按照IMDU手冊描述進行安裝和連線，如圖

58、8-1所示. 2. 打開IMDU上的電源開關。 3. 打開Matlab。在Matlab主窗口中使用"Browse for folder"按鈕或者在"Command Window"中用"cd"命令 來進入計算機中IMDU目錄的" Exp06 -Torsion "子目錄。 4. 在Matlab主窗口的 "Current Directory"面板中雙擊" imdu_torsion_pos_cntrl.mdl "來打開Simulink 模塊如圖8-2所示。 a 帶有扭轉單元的IMDU b 聯(lián)接扭轉元件 c 數(shù)據(jù)采集卡的連線 圖8-1 扭轉振動實驗的硬件安裝

59、 圖8-2 單自由度扭轉位置控制實驗Simulink模塊 5. 運行Matlab文件" d_torsion.m "。這一步為實驗用的Simulink文件設置所有必需的模型、控制與配置參數(shù)。 6. 在imdu_torsion_pos_cntrl Simulink 窗口中，點擊WinCon菜單選擇Build。這一步完成以后在Matlab命令提示窗口會出現(xiàn)成功完成的報告。接著WinCon Server 窗口就會激活并可見(圖8-3)。 圖8-3 WinCon Server 窗口 7. 在WinCon Server窗口點擊"Open plot"按鈕來激活"Open a display

60、:" 對話框，在這個對話框中有以下項目：TS1 Output Shaft (deg)。通過點擊項目，選中的項目一側將出現(xiàn)選擇標記。點擊OK按鈕完成選擇。這一顯示窗口給出了角度設定值和扭轉軸的實際輸出角度。 8. 在 WinCon Server 窗口，點擊"Start"按鈕激活控制器。電機0#將按照設定的角度信號轉動。默認的情況下角度信號為方波，其幅值為45度，頻率為0.2Hz。 9. 觀察實驗結果，見圖8-4。 10. 設置程序中的FS/PS切換開關，使其在FS （Full-State Feedback）位置。觀察結果，見圖8-4。 11. 在WinCon Server 窗口點擊Sto

61、p按鈕，控制器停止工作。 12 關閉IMDU的電源開關。 圖8-4 扭轉軸1#的角度位置信號和設定的角度 （點劃線是設定的位置，實線是實際測量的角度位置信號） 實驗九 設計實驗 一、實驗目的 1、掌握旋轉機械性能及故障的檢測方法。 2、掌握信號的頻譜分析方法。 3、了解信號的頻域描述對生產(chǎn)科研的意義。 4、提高學生綜合運用知識解決實際問題的能力。 二、實驗儀器 1、C616車床變速箱，2、壓電加速度計，3、電磁激振器，4、電渦流位移測量儀，5、電容位移測量儀，6、電荷放大器，7、電壓放大器，8、功率放大器，9、毫伏表，10、信號發(fā)生器，11、磁帶記錄儀，12、頻

62、譜分析儀，13、精密聲級計，14、光線示波器，15、筆式記錄儀，16、X-Y雙線示波器。 三、實驗要求 1、從上述儀器中選擇合適的儀器組成測量系統(tǒng)測量車床主軸的回轉精度，畫出測量系統(tǒng)框圖，寫出實驗方法及實驗步驟。 2、車床變速箱存在故障，可能齒輪有問題，請從上述儀器中選擇合適的儀器組成測量系統(tǒng)，找出變速箱故障的原因。畫出測量系統(tǒng)框圖，寫出實驗方法及實驗步驟，編制實驗數(shù)據(jù)表格，完成實驗報告。 四、實驗數(shù)據(jù)處理 某同學在分析變速箱故障時測得信號頻譜圖如下： 圖9-1 測試信號頻譜圖 試分析變速箱故障的原因。 答： 附：C616車床變速箱傳動系統(tǒng)

63、圖及齒輪參數(shù)： 圖9-2 C616車床變速箱傳動系統(tǒng)圖 軸號 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 轉速 嚙合齒輪 Z1/Z4 Z3/Z6 i皮 嚙合齒輪 齒輪號 Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6 Z7 Z8 齒數(shù) 33 19 34 22 28 32 45 39 附齒輪傳動頻率計算 （1） 嚙合頻率 由于齒輪嚙合過程中有節(jié)點脈動，以及有彈性變形引起的嚙合脈動，所以齒輪嚙合中必然產(chǎn)生動載荷。特別是由于制造中的基節(jié)誤差，在傳動中將引起較大的嚙合沖擊，由此產(chǎn)生的振動、噪聲頻率等于齒輪嚙合頻率及其高次諧波頻率

64、。 在定軸系中，齒輪嚙合頻率為 （Hz） 式中 Z為齒輪齒數(shù)； n為齒輪轉速（rpm） （2） 嚙合頻率的高次諧波頻率 由于齒輪嚙合沖擊的波形及能量不同，還會不同程度的產(chǎn)生嚙合頻率的高次諧波頻率的噪聲。其頻率為 （Hz） N為各階諧波序數(shù)：1，2，3……。 當齒輪的固有頻率為嚙合頻率的整數(shù)倍時，由于共振會產(chǎn)生較大的高次諧波噪聲常見的為二次和三次諧波頻率，有齒形誤差引起的沖擊而產(chǎn)生的噪聲也是高頻噪聲。 （3） 嚙合頻率的邊頻 當齒輪按裝有較大的偏心時，由于軸的轉頻和嚙合頻率的調制作用而產(chǎn)生嚙合頻率上下邊頻的噪聲，頻率為： （Hz） 其中N=1，2，3……。 常見的邊頻是小齒輪偏心引起的。