机械测试技术实验报告

机械测试技术学院：机械工程与自动化学院专业：机械设计制造及其自动化学号：姓名中北大学机械工程系2012 年5月15实验一：用应变仪测量电阻应变片的灵敏度一、实验目的1掌握电阻应变片的粘贴工艺技术； 2掌握选择应变片的原则及粘贴质量的检查3. 掌握在静载荷下使用电阻应变仪测量方法1. 掌握桥路连接和电阻应变仪工作原理；了解影响测量误差产生的因素；为后续电阻应变测量的实验做好在试件上粘贴应变片、接线、防潮、检5.6查等准备工作。二、实验仪器及设备 常温用电阻应变片； 天平秤；砝码；千分尺（025 mm）；防潮用硅胶； 电烙铁、镊子、砂纸等工具；502 粘结剂（氰基丙烯酸酯粘结剂） 等强度梁试件；INV1861 应变调理器；INV3018C 信号采集分析仪；游标卡尺； 小台钳、钢尺、划针； 丙酮、乙醇、药棉等清洗器材等。三、实验原理电测法的基本原理是：将电阻应变片粘贴在被测构件的表面，当构件发生变 形时，应变片随着构件一起变形（AL/L）,应变片的电阻值将发生相应的变化, 通过电阻应变仪，可测量出应变片中电阻值的变化（AR/R）,并换算成应变值, 或输出与应变成正比的模拟电信号（电压或电流），用记录仪记录下来，也可用 计算机按预定的要求进行数据处理，得到所需要的应变或应力值。电阻应变片的灵敏度是构件单位应变所引起应变片电阻值的变化量，用 S 来表示。本实验中用到的是单臂电桥，即四分之一桥，工作中只有一个桥臂电阻随着被测量的变化而变化，设改电阻为R1，产生的电阻变化量为厶R,原理如下图所示：0 0 4 e式中，u为输出电压，为应变值，U为供桥电压，u和可从分析仪中直接读出，0 e 0u在应变仪中读出，S为实验所求。e四、实验方法与实验步骤1. 选片。目测电阻应变片有无折痕、断丝、霉点、锈点等缺陷，缺陷应变片 不能粘贴，必须更换。2. 测片。用数字万用表或电桥精确测量应变片电阻值的大小。注意：不要用 手或不干净的物品直接接触应变片基底。测量时应放在干净的书面上，不能使其 受力，应保持平直。记录各个应变片的阻值，要求应变片阻值精确到小数点后一 位数字。对于标称电阻为120Q的应变片，测量时数字万用表必须打到200Q档 位上，所测电阻值为原始电阻。要求同一电桥中各应变片之间阻值相差均不得大 于0.5 Q，否则需要更换。3. 试件表面处理。实验所用试件为等强度梁，为使粘贴牢固，必须对试件表 面进行处理，处理过程如下：（1）用细砂纸在等强度梁表面需贴片处打磨，打磨方向与贴片轴线位置成 45 度交叉。如等强度梁上有以前贴好的应变片，先用小刀铲掉。应变片为一次 性消耗材料，粘贴后再起下来不能再用。（2）用棉花球蘸丙酮、乙醇擦洗表面的油污和锈斑，直到干净再自行晾干。（3）然后用划针在贴片处划出十字线，作为贴片坐标，再用棉球擦一下。（4）打磨好的表面，如暂时不贴片，可涂以凡士林等防止氧化。4. 贴片。贴片过程如下：(1) 在应变片的纸基基底和等强度梁表面需贴片处，各涂上薄薄一层胶水,一手捏住应变片引出线，把应变片轴线对准坐标线贴到等强度梁表面上。(2) 垫上以一层塑料布，用手指在应变片的长度方向滚压，挤出片下汽泡 和多余的胶水，直到应变片与被测物紧密粘合为止。(3) 手指保持不动约1分钟后再放开，按住时不要使应变片移动。注意粘 结剂不要用得过多或过少，过多则胶层太厚影响应变片性能，过少则粘结不牢不 能准确传递应变。5. 粘贴质量的检查。过程如下：(1) 目测或用放大镜检查应变片是否粘牢，有无气泡、翘起等现象。(2) 用万用表检查电阻值。正常情况下，阻值与未贴片前的相差无几。6. 焊线。用电烙铁将应变片的引线焊接到等强度梁上的引线焊点处，注意 防止虚焊。7. 应变片保护。用704硅橡胶覆于应变片上，防止受潮。8在悬臂梁上依次填加砝码，使电桥平衡后读取电压值，并记录之。9. 利用公式S=i，计算电桥灵敏度S。 Ue10. 利用材料力学知识计算电阻应变片的实际灵敏度，验证实验结果，用到 的公式为：Mbh2 GM=PL b =W 二& =， W，6， E式中：M弯矩；L P力至应变片中心距离300mm；o 弯曲应力；b 等 强度梁贴应变片处的宽度45.8mm； h 等强度梁贴应变片处的厚度4mm；e实 际应变值；W抗弯截面模量；E 弹性模量E=1.62*10iiNm2五、数据处理与分析载荷/g0挂钩50100150200250Ubd/V0.02250.070.861.652.463.244.04算出电桥输出端电压变化量的平均值为UBD=2.38V 将有关公式带入应变片灵敏度的计算公式，得出灵敏度3mSUAC六、实验结果电阻应变片的灵敏度为_Wh=E -3mgUAC -电阻应变片的实际标称值为2.22，相对误差M=0.018实验二：测量等强度梁的固有频率和阻尼率一、实验目的（1）学会机械系统的固有频率和阻尼率的测定方法（2）识别悬臂梁的二阶固有频率和阻尼系数（3）了解并学习东方所振动与噪声测试仪的使用二、实验设备与仪器（1）等强度梁（2）东方所振动与噪声测试仪（3）加速度传感器三、实验原理瞬态激励方法给被测系统提供的激励信号是一种瞬态信号，它属于一种宽频 带激励，即一次同时给系统提供频带内各个频率成份的能量和使系统产生相应频 带内的频率响应。因此，它是一种快速测试方法。同时由于测试设备简单，灵活 性大，故常在生产现场使用。目前常用的瞬态激励方法有快速正弦扫描、脉冲锤 击和阶跃松弛激励等方法，本实验中采用脉冲锤击产生瞬态信号。脉冲锤击激励是用脉冲锤对被测系统进行敲击，给系统施加一个脉冲力，使 之发生振动。由于锤击力脉冲在一定频率范围内具有平坦的频谱曲线，所以它是 一种宽频带的快速激励方法。用脉冲锤敲击试件产生的近似于半正弦的脉冲信号 有效频率取决于脉冲持续时间t,t越小则频率范围越大。（1）固有频率，可根据分析仪直接读出固有频率的值。（2）阻尼比的测定本实验根据自由衰减法测定阻尼比：即在结构被激起自由振动时，由于存在 阻尼，其振幅呈指数衰减波形，可算出阻尼比，下面具体论述。由振动力学知，二阶系统的特征方程为：S2 + 26+62二0，对应的微分方nn程为：mdx + C空+ kx = 0，其中c = 2g。因为6 =6 Jl-g2，当g很小时，dt 2dtndn可以认为6 u 6。dnAA A AA减幅糸数耳=1 = eg6Td，而1 =1 X 卄XX z+j-1 =耳 j，AAAAAi+1i+ j i+1 i+2i+ j1A则：8=-ln 亠= T。j A n di+j又因为Q，所以T =6 T =2兀，所以6=2兀g ,n d n d d d可推出阻尼比公式为：g=2 2兀求解过程：1 A 6（1）根据AA 7个点的幅值，可求出6 = INA-，根据公式g =-可求出阻1 76 A2 兀7尼比g。再根据公式T =d（2）根据7个点对应的时间TT ,可用法求出T，1 7 d求出T = T pl-g 2。T为有阻尼的信号周期，T为无阻尼信号周期。N d3dn（3）从时域图中读出有阻尼固有频率6，根据6 宀-g 2，求得无阻尼固有ddnn6四、实验方法与实验步骤实验原理图：（1）按要求，把各实验仪器连接好接入电脑中，然后在悬臂梁孔处小心放好 加速度传感器。（2）打开计算机，启动计算机上的“振动测试及频谱分析”。（3）设置适当的采样频率和采样点数以及硬件增益。(4) 点击“采样”后开始敲击。(5) 敲击等强度梁。使用小榔头敲击时注意在敲击后里、榔头要迅速离开梁! 避免产生不必要的干扰波形。(6) 数据分析，用东方所分析仪器进行数据分析，使用时域分析可以得到峰 值点AA，使用频域分析可以直接得到悬臂梁的固有频率f。17固五、数据处理与分析将得到的数据输入Matlab中进行处理。计算AA和TT，然后计算阻尼1717比g，最后计算T和w。Nd从悬臂梁振动信号的频域图上可以直观的看到悬臂梁的一阶固有频率为 15.7Hz，取频谱图上连续的7个峰值：A1=0.17056;A2=0.13806;A3=0.11365;A4=0.10632;A5=0.09167;A6=0.09045;A7 =0.08069;1 Aj 10.17056a 2?=0-017026六、实验结果(1)等强度梁的固有频率子固=155皿(2)阻尼比 g =0.017。实验三：振动信号测量与频谱分析一、实验目的1. 在熟练掌握周期信号幅频特性和相频特性内容的基础上，通过频谱仪对信号的各组成谐波进行直观的、感性的认识和了解。2. 通过对振动信号的测量及频谱分析，了解相关频谱特性和滤波的概念，由频谱图上特征频率寻找该机械设备的振源。二、实验设备与仪器1、计算机及 MATLAB 软件；2、等强度梁；3、INV3020D 信号采集分析仪；4、加速度传感器。三、实验原理 使用傅立叶变换，将采集到的时域信号转换成频域信。F (u, v)=f (x, y )e - j 2 兀(ux+vy)dxdy88逆变换：f(x, y) = 88F (u, v)e j 2 兀(ux+vy)dudv88对于二维信号，二维 Fourier 变换定义为： 二维离散傅立叶变换为： 四、实验内容F 仇n)=爲塑f (i,k )e e2”(mN 吒)i=0 k =0 逆变换：f (i, k) = L 艺乞 F (m, n)ej 2n (咤巾Nm =0 n =01、将振动与噪声测试仪与加速度传感器连接，观察信号产生的过程。2、振动信号的测量与数据采集。 连接振动测试实验台，记录通道 2 的数据并存盘，在分析仪上先观察原始时 域信号及其傅里业变换。3、振动信号分析，包括傅立叶分析和功率谱分析等。将数据装载到计算机上，利用 MATLAB 软件进一步分析振动信号的频率成分，计算各个信号的功率谱、 被测机械结构的前三阶特征频率，并计算两个信号之间的相关函数及传递率。五、实验方法与实验步骤1、将振动与噪声测试仪与加速度传感器连接，安装连接相应的传感器、直流电源等，开机、设定参数、采集数据，分析处理数据；2、观察振动信号产生过程，记录通道 2产生的数据并存盘分析。3、根据一组输入输出数据，利用Matlab软件进行时域信号转换成频域信号分析。figure(1);plot(x);%作正弦信号的时域波形title (时域波形)；grid;%进行 FFT 变换并做频谱图fs=500;y=fft(x);%进行 fft 变换mag=abs(y);% 求幅值f=(O:length(y)-l)*fs/length(y);% 进行对应的频率转换figure(2);plot(f,mag);% 做频谱图axis(0,l00,0,80);xlabel(频率(Hz);ylabel(幅值)；title(幅频谱图)；grid;%求功率谱sq=abs(y);power=sq.A2;figure(3);plot(f,power);xlabel(频率(Hz);ylabel(功率谱)；title(功率谱);grid;六、数据处理与分析用 matlab 软件分析测得的振动信号，得到悬臂梁振动信号的时域、频域及功率谱图，从图中可以直观的看出悬臂梁的一阶固有频率为 15.7Hz0悬臂梁振动信号时域图000悬臂梁振动信号功率谱图