机械工程测试技术基础实验报告

机械工程测试技术基础实验报告丁 * *20*0403*机自*班20*年6月目录实验一31-1 滤波器幅频特性的测试31-2 光线示波器振动子幅频特性的测定5实验二 电阻应变片的粘贴工艺及其标定92-1 电阻应变片的粘贴工艺92-2 电阻应变片标定10实验三 传感器综合测量系统123-1 稳态正弦激振12实验四 连续弹性体悬臂梁动态特性参数的测试174-1 稳态正弦激振方式测试悬臂梁动态特性测试17实验一 1-1 滤波器幅频特性的测试一实验目的1了解无源和有源滤波器的工作原理及应用。2掌握滤波器幅频特性的测试方法。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RCuiuoRC无源低通滤波器原理如图1-1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 （1-1）式中：=RC。 低通滤波器频率特性为 （1-2） 图1-1 RC低通滤波器其幅频特性为 （1-3）低通滤波器的截止频率为 （1-4）三实验仪器和设备1EE1641B1 型低频函数信号发生器计数器/计数器 一台2毫伏表 一台3直流稳压电源 一台4RC无源滤波器接线板 一块四实验步骤1将RC滤波器接线板低通滤波器部分的R值调到适当的位置。将低频信号发生器输出端接入RC低通滤波器输入端，双路毫伏表中的一路接低通滤波器的输入端，另一路接输出端。2由信号发生器输出一定幅度的正弦信号电压。先检查低频信号发生器幅值调节旋钮，使之在最小（逆时针旋转到底）位置，输出信号频率调到20Hz，然后逐渐调大信号电压使监测毫伏表指示约1伏，记下滤波器输入和输出的信号电压值。3不断由小到大改变滤波器输入信号频率，每改变一次信号频率，待毫伏表读数稳定了以后读取一组滤波器输入和输出信号电压值，记录到原始数据记录纸上。信号发生器有源低通滤波器线路板毫伏表毫伏表直流稳压电源4将信号发生器幅值调节旋钮调到最小，按图1-3连接测试系统。考虑到有源低通滤波器具有放大作用，注意监测滤波器输出信号的毫伏表测量档位要比监测输入信号的相应加大。图1-35重复实验步骤2、3。五实验数据处理电阻值：R=98， 电容值：C=2F原始数据表格频率（Hz）201002003004005006007008009001K2K3K4K5K输入(v)111111111111111输出(v)0.950.940.910.90.850.810.780.720.70.680.620.40.260.20.15Ln(频率)1.322.32.52.62.72.782.852.92.9533.33.483.63.71用对数坐标纸绘出RC无源低通滤波器和有源低通滤波器的幅频特性曲线。1-2 光线示波器振动子幅频特性的测定一实验目的1了解光线示波器的基本结构、工作原理及其使用方法。2以光线示波器振动子为例，了解二阶测试系统幅频特性的测试方法。二实验原理光线示波器的振动子是一个二阶扭振系统，结构如图1-4所示，其力学模型可表示为：MJ+Mc+MG=Mi式中 MJ转动系统的转动惯性力矩。MJ=Jd2/dt2，其中J为转动惯量，为振动子线圈的转角；Mc阻尼力矩。Mc=cd/dt，其中c为阻尼系数； MG张丝的弹性反抗力矩。MG=G，其中G为张丝的扭转刚度；Mi振动子线圈的电磁力矩。Mi=KI，其中K为比例系数；I为输入振动子线圈的信号电流。图1-4 光线示波器工作原理1光源 2圆柱透镜 3光栏 4振动子 5张丝 6支承7反射镜 8线圈 9磁极 10弹簧 11圆柱透镜 12感光纸及走纸机构当振动子输入电流为I时，它的线圈就产生的转角。因此，可得到振动子转动系统的频率响应函数： （1-7）式中 输入信号电流的角频率；n振动子转动系统的转动固有频率，；振动子转动系统的转动阻尼比，。振动子转动系统的幅频特性为： （1-8）对光线示波器幅频特性的测定，首先要根据被测振动子的要求选择合适的外接电阻，以保证振动子具有最佳的阻尼比。用信号发生器以等幅值，不同频率的正弦信号逐个输入振动子，便能在记录纸上得到振动子对各不同频率正弦信号的响应曲线。然后，根据响应曲线量出不同频率时响应曲线幅值的大小，经整理可绘得被测振动子的幅频特性曲线。三实验仪器和设备1SC-16型光线示波器（内装FC6-1200型振动子） 一台2低频信号发生器 一台3毫伏表 一台四实验步骤1学习光线示波器的使用方法。2按图1-5所示连接实验线路。mv光线示波器振动子低频信号 发生器图1-5 光线示波器振动子幅频特性实验接线图振动子分为电磁阻尼和油阻尼两种。对于电磁阻尼的振动子为保证其阻尼率0.707，应选择适当阻值的电阻Rs或Rp。当信号源内阻Rm小于振动子要求的外接电阻Ra时，振动子输入回路应串接一个Rs=Ra-Rm的电阻。当信号源内阻大于振动子要求的外接电阻时，振动子输入回路应并接一个Rp电阻，其值等于Ra和Rm并联阻值。对于油阻尼振动子，不需要Rs和Rp。振动子直接和低频信号发生器相接。3将信号发生器的频率调整到20Hz，再使输出电压的幅度U0为： U0IgmRg （1-9）式中 Igm被测振动子的最大允许电流；Rg被测振动子的线圈内阻。例如：FC6-1200型振动子，其Igm=5mA，Rg=20，则应先将信号发生器空载输出电压调整到100mV以下，以免损坏振动子。振动子在接入信号发生器之前，还应注意光线示波器中与被测振动子相并联的可调分流电阻的大小，应使其阻值大于50。4打开光线示波器电源开关，按下起辉按钮，当无信号输入时，安装好的振动子应在观察屏的中间位置显示一光点。5将20Hz的正弦电压信号输入被测振动子，便可从观察屏上看到一条亮线，其长度与输入信号的峰-峰值成正比，特别要注意控制电压信号的大小，不要使亮线长度超出观察屏，以免损坏振动子。6改变信号发生器的输出电压幅度，使输入到振动子的信号电流发生变化，从观察屏上读取相应亮线的长度，即可近似地求得被测振动子的静态定度曲线。7保持信号发生器输出等幅值的正弦信号，改变其频率由f/fn=0.1至f/fn=2。其中：f为振动子输入电压的频率；fn为振动子的固有频率。从观察屏上读得相应频率的亮线长度，即可绘出被测振动子的幅频特性曲线。五实验数据处理原始数据表格f=15Hz输入（mV）101520253035输出格数101318222630fn=1200Hz , U=40mV=40*0.75=30格f/fn0.010.10.20.30.40.50.60.70.80.9输出格数35323029272422201816输出/输入1.17 1.07 1.00 0.97 0.90 0.80 0.73 0.67 0.60 0.53 f/fn1.01.11.21.31.41.51.61.718输出格数14131211109876输出/输入0.47 0.43 0.40 0.37 0.33 0.30 0.27 0.23 0.20 1作出被测振动子的静态定度曲线，并根据曲线求出其灵敏度和线性误差。灵敏度=（30-10）/（35-10）=0.75线性误差=max/(Ymax-Ymin)*100=0.5/(30-10)*100=2.52作出被测振动子的幅频特性曲线。实验二 电阻应变片的粘贴工艺及其标定2-1 电阻应变片的粘贴工艺一实验目的1学习电阻应变片的粘贴方法。2了解电阻应变片的粘贴工艺对应变片测量灵敏度的影响。二实验装置1电阻应变片2悬臂梁3工具三实验步骤本实验是在悬臂梁的上、下两个表面对称位置各贴一片电阻应变片。1准备工作（1）测点表面打光 为了使电阻应变片能准确地反映悬臂梁被测点的变形，必须使电阻应变片和测点表面很好地结合，不发生任何滑移和阻碍变形的现象。为此，必须先用砂纸清除测点表面的油垢、铁锈等，不允许有沟痕并使打磨条纹与电阻应变片贴片方向成45，应使表面粗糙度为Ra3.2左右，不应过分粗糙，也不应过分光滑。然后，用酒精棉球将测点附近基本擦干净。（2）划基准线 以测量点为中心用划针划十字线。（3）清洁表面 用镊子夹取棉花球，沾酒精等清洗溶液仔细擦洗测点表面，以棉花球不见污物为止。2贴片（1）取片就位 待测点表面酒精晾干后，将502粘合剂均匀地涂在测点表面；用镊子将电阻应变片取出，对准事先划好的十字基准线贴在测点上。（2）挤压 在电阻应变片表面盖上吸水纸，轻轻挤出余胶，使贴好的电阻应变片平直且下面没有气泡。（3）焊接导线 用胶带纸将电阻应变片的引线和悬臂梁绝缘。将四根长度和粗细一样的导线分别焊接在贴于悬臂梁上、下表面的两个电阻应变片的四根引线上，并将导线固定。3防护为了保证电阻应变片的工作性能长期稳定，需要采取防护措施，以防机械外力、湿气、水、酸、碱、油等因素的影响，例如在电阻应变片上覆盖环氧树脂或蜡封。2-2 电阻应变片标定一实验目的1了解电阻应变片灵敏系数的标定方法。2掌握电阻应变仪的使用方法。二实验仪器和设备1YJ-5型静态电阻应变仪 一台2已贴好电阻应变片的悬臂梁 一台3砝码若干三实验原理电阻应变片的应变效应基本关系式为：，其中K为电阻应变片的灵敏系数，也就是当电阻应变片粘贴在被测试件上，在应变片轴向的单向应力作用下，应变片电阻的相对变化与试件测点应变片的应变的比值。静态电阻应变仪的测量电路分为半桥回路和全桥回路两种。被测试件测点上的两个电阻应变片作为测量电路的两个桥臂，参加测量和补偿，电阻应变仪内部的两个标准无感固定电阻作为另外两个桥臂，这样构成的测量桥路为半桥回路；将被测试件测点上的四个电阻应变片作为测量电路的四个桥臂，用以参加测量和补偿，这样构成的桥路为全桥回路，在一般测量中多采用半桥测量，本实验即采用半桥测量。标定时，将电阻应变仪的灵敏系数调节为KT，此时KT测=K K=KT (2-1)式中 K被测电阻应变片灵敏系数；KT电阻应变仪调定的灵敏系数，本实验为2；测仪器读数/A，半桥测量时A=2，全桥测量时A=4；通过计算得出的理论应变值。四实验步骤1在未接通电源之前将静态电阻应变仪的表头、微调、中调、大调刻度盘指针都调整到零点。将电阻应变仪灵敏系数调整为2。2将仪器附带的标准电阻与静态电阻应变仪连接，组成电桥。K3打开静态电阻应变仪电源开关并旋转到“BD”位置，预热一分钟，转动微调刻度盘观察指示仪表指针有无偏转，如有说明仪器能正常工作。4将开关旋钮转到“阻”上，用螺丝刀调节“电阻平衡”电位器，使仪表指示为零；然后再将开关旋钮转到“容”上，调节“电容平衡”电位器，使仪表指示为零。如此反复调整几次后，电桥即已预调平衡。1 将开关旋钮置于“BD”上，拆下标准电阻，通过连接导线换接贴在悬臂梁上的两个电阻应变片，组成测量半桥回路。2 将开关旋钮置于“阻”上，调节微、中调使指示仪表为零，记下此初始仪器读数。3 用砝码给悬臂梁加载，每加载一个重量，记下一个仪器读数。最后注意测量并记录悬臂梁的有关数据。五实验数据处理测量数据：L=13.5cm b=6cm h=0.6cm1计算出仪器读数，仪器读数等于加载一个重量后的仪器读数和没加载时的初始仪器读数之差。2根据实验数据计算出电阻应变片的灵敏系数。砝码重量（Kg）00.21.22.2仪器读数（）-284-277-236-196仪器读数 = (-196+236)+(-236+277)/ 2 = 40.5 m = F*L = m*g*l = 1*9.8*13.5*10 = 1323 N*mw = b*h2/6 = 60*62/6 = 360 mm3E = 200*109= 1323/(360*200*109*10-6) = 18.375 测 = 仪器读数/2 = 20.25K = KT *测 /= 2*20.25/18.375 =2.2实验三 传感器综合测量系统3-1 稳态正弦激振一实验目的1了解常用传感器的工作原理、传感器信号的处理方式以及整个系统的实际应用；2根据被测参数或被测物理量的要求，正确选择传感器进行有效测量；3比较各种测量手段之间的精度、测量效果。二实验仪器和设备介绍（一） CSY10型传感器系统实验仪，如图3-1所示。包括实验工作台、处理电路、信号与显示三部分组成。各种传感器信号与显示部分处理电路测微杆图3-1 CSY10型传感器系统实验仪1仪器顶端 左边是一副平行式悬臂梁，右边是圆盘式工作台，二者均可由固定于上方的螺旋测微杆调节初始位置，并可在外界力的作用下产生振动。其上固定的传感器包括：电涡流传感器、霍尔传感器、光电传感器、电阻应变片、压电式加速度传感器、电容传感器、光纤传感器等。所有传感器均安装在仪器的顶端，与仪器内部的测量电路相联。2仪器上部面板 包括低频振荡器（130Hz输出连续可调）、音频振荡器（0.410KHz输出连续可调）、直流稳压电源(15V、2V10V)、数字式电压频率表（3位半显示，2V、20V、2KHz、20KHz）、指针式直流毫伏表（500mV、50mV、5mV）。3仪器下部面板 处理电路包括：电桥、差动放大器、光电变换器、电容变换器、电荷放大器、电压放大器、涡流变换器、低通滤波器、温度变换器等。4仪器注意事项：1）仪器工作时需要良好接地，以减小干扰信号，并尽量远离电磁干扰源；2）在确认接地无误的情况下开启主电源，避免电源短路情况的发生；3）加热时，15V电源不能直接接入应变片、热敏电阻、热电偶；4）实验开始前，请先将连接线接好，检查正确后再开启副电源；5）本实验仪器正常工作温度为040，注意防尘，以保证实验线路接触良好。三实验内容1光电传感器的应用光电转速测试实验所需部件：CSY10型传感器系统实验仪中的光电传感器、光电变换器、测速电机及转盘、电压/频率表2KHz档、示波器。2霍尔传感器的应用电子秤实验所需部件：CSY10型传感器系统实验仪中的霍尔式传感器、直流稳压电源、差动放大器、圆盘式工作台、砝码、电桥、电压表。3电涡流传感器的应用称重实验所需部件：CSY10型传感器系统实验仪中的涡流传感器、涡流变换器、差动放大器、电桥、电压表、砝码。4电容传感器的应用位移测量实验所需部件：电容传感器、电容测微仪、微动测量台架、量块、计算机。5电涡流传感器的应用电机测速实验所需部件：CSY10型传感器系统实验仪中的涡流传感器、涡流变换器、电压/频率表、测速电机及转盘、示波器。6电容传感器的应用特性测量实验所需部件：CSY10型传感器系统实验仪中的电容传感器、电容变换器、差动放大器、低通滤波器、低频振荡器、电压/频率表、测微头。7压电加速度传感器的应用动态测量实验所需部件：CSY10型传感器系统实验仪中的压电加速度传感器、电荷放大器、低频振荡器、激振器、电压/频率表、示波器。8电阻应变片的应用三种桥路性能比较实验所需部件：CSY10型传感器系统实验仪中的直流稳压电源（4V档）、电桥、差动放大器、箔式应变片、电压表、测微头。9负荷传感器的应用称重或力的测量实验所需部件：负荷传感器、电桥、放大器、砝码。10光电编码器的应用转速或位移测量实验所需部件：光电编码器、直流稳压电源（5V档）、示波器。四实验要求1熟悉相应的实验仪器组成、结构、工作原理、测量方式等，并写出预习报告；2根据给出的实验仪器，从实验内容中选择其中一项，即一种传感器的多种用途或一种物理量的多种测量方法，如选择转速测量，包括1和5两部分；如选择电容传感器，包括4和5两部分，设计出实验框图，分析实验原理，写出实验步骤；3按照所设计的实验方案完成实验，并记录原始实验数据；4根据原始实验数据绘出实验曲线，分析实验结果。五、实验操作说明（三）CSY10型传感器系统实验仪中光电传感器测速系统1光电传感器“光电”端接光电变换器 端，V0端接示波器和电压/频率表2KHz；2安装好光电传感器位置，勿与转盘盘面相擦；3开启电源，打开电机开关，调节电机转速，用示波器观察光电变换器V0端，并读出波形频率，与频率表所示频率比较；4电机转速=方波频率2；5将一较强光源照射仪器转盘上方，观察测试方波是否正常；6由此得出结论：光电开关受外界影响较小，工作可靠性较高。（四）CSY10型传感器系统实验仪中霍尔传感器的应用电子秤1移开测微头，按图3-18接好系统，使输出为零，系统灵敏度尽量大；2以圆盘式工作台作为称重平台，逐次放上砝码，依次记下表头读数，填入下表，并做出V-W曲线；W（g）020406080100120两块橡皮V(v)00.330.651.021.311.581.800.683移走称重砝码，在平台上另放置一未知重量之物品，根据表头读数从V-W曲线中求得其重量；4霍尔传感器在称重时只能工作在梯度磁场中，砝码和被称重物都不应太重；5砝码应置于平台的中间部分，避免平台倾斜。电压表差放-+2VWDR图3-18 霍尔传感器测量电路（五）CSY10型传感器系统实验仪中电涡流传感器的称重测量1按照图3-19接线，差动增益为1，输出接电压表20V档，将平面线圈安装在线性工作范围的起始点；2调整电桥WD，使系统输出为零；3在平台中间逐步加上砝码，记录V、W值，填入下表并做出V-W曲线，计算灵敏度；4取下砝码，放置一未知重量之物品，从V-W标定曲线中求得其重量。W（g）020406080100120两块橡皮V(v)-0.28-0.59-0.90-1.26-1.61-2.00-2.42-0.93电涡流传感器变换器WD-10V + 差动放大器示波器图3-19 电涡流传感器测量电路数据处理：f1=45.90hz , n1=22.95r/sf2=84.10hz , n2=42.05r/sf3=60hz , n3=30r/s霍尔元件电子称：重物重量为41.2g涡流传感器电子称：重物重量为42.3g实验四 连续弹性体悬臂梁动态特性参数的测试梁振动在工程问题中经常遇到，如旋转机械的转子、叶片、飞行器、高层建筑等等，往往以梁振动为其主要的振动形式。悬臂梁是一种一端固定一端自由的梁。它的结构简单，在工程实际中有较多的应用。除用作工程构件外，机械加工中的刀杆、测量传感器中的弹性元件等，也都采用悬臂梁形式。本实验用“机械阻抗”或称“频率响应“方法，测量悬臂梁的固有频率、阻尼比和振型等动态特性参数。由于在结构动态特性的测试中，激励方式通常有稳态正弦激振、随机激振和瞬态激振三类，所以实验可分别采用这三类方式进行。实际实验只做稳态正弦激振一类。4-1 稳态正弦激振方式测试悬臂梁动态特性测试一实验目的1掌握用稳态正弦激振进行机械阻抗测试的仪器组合及使用方法。2了解机械阻抗数据的分析处理方法。3测出悬臂梁的固有频率、阻尼比。二实验原理稳态正弦激振是对试件施加一个稳定的单一频率的正弦激振力，在试件达到稳定状态后，测定振动响应与正弦力的幅值比及相位差。幅值比为该激振频率时的幅频特性值，相位差为该激振频率时的相频特性值。为了测得整个频率范围内的频率响应，必须无级或有级地改变正弦激振力的频率，这一过程称为频率扫描或扫频过程。频率扫描可以用手动或自动方式实现。在扫描过程中，必须采用足够缓慢的扫描速度，以保证测试、分析仪器有足够的响应时间和使被测试件能够处于稳态振动状态。对于小阻尼系统，这点尤为重要。正弦激振力一般由正弦信号发生器产生电信号，经功率放大后送给激振器，激振器便输出一正弦力作用于试件。在特殊情况下，也可以选用电液或机械激振设备产生正弦力。对于激振力的幅值，可进行恒力控制，其方法是采用高阻抗输出的功率放大器，送恒定电流给激振器来实现恒力，或通过检测到的力信号反馈到激振信号中，进行“压缩”控制实现恒力。试件的振动响应，一般用测振传感器及仪器测量。本实验的仪器组合框图如图4-1所示。由低频信号发生器、功率放大器和激振器组成正弦激振系统。用压电式加速度计、阻抗变换器、六线测振仪来检测试件的振动响应。六线测振仪中设有积分网络，可将振动的加速度信号转换为速度信号或位移信号。根据正弦信号的频率、测振仪测得的电压值，可以得出幅频特性值。用整个频率范围内的特性值作出幅频特性曲线，进而估计出悬臂梁的固有频率和阻尼比。加速度计悬臂梁激振器功率放大器信号发生器稳压电源阻抗变换器六线测振仪图4-1 稳态正弦激振实验框图三实验仪器和设备1低频信号发生器 一台2功率放大器 一台3激振器 一台4悬臂梁 一台5压电式加速度计 一个6阻抗变换器 一个7六线测振仪 一台四实验步骤1按图4-1组合好仪器，检查接线无误后，接通各仪器电源并调整好仪器，使悬臂梁轻微振动。2保持激振力恒定，由低频段向高频段逐次改变信号发生器的频率。每改变一次频率，一定要让测试系统和悬臂梁都达到稳态后方可读取数据。发现悬臂梁产生共振时，应在共振频率附近多取几个频率点测试，即在共振频率附近改变频率的间隔尽可能取得小一些，以便能找到较准确的共振频率值。分别测出悬臂梁的位移、速度、加速度响应共振频率。五实验数据处理1绘制悬臂梁的幅频特性曲线。2根据所绘幅频特性曲线，求出悬臂梁的固有频率和阻尼比。六思考题1稳态正弦激振的特点是什么？2将测得的悬臂梁固有频率与下式计算的fn值进行比较。 （4-1）式中 E弹性模量；I截面惯性矩；L梁的长度；梁材料的密度；S截面积；A振型常数，一阶时为3.52，二阶时为22.4。实验数据：f(Hz)20.00120.90022.04622.97523.94324.90026.19026.50227.14227.63028.110U(mV)19.52330364553768298112139f(Hz)28.56629.09429.52030.02530.47534.92539.98050.09059.96570.11080.052U(mV)169200225238225865234282421f(Hz)90.030100.25110.04120.19130.40135.34139.78142.25143.15144.11144.88U(mV)1817151284211.92.13f(Hz)145.14150.02155.12160.19161.08162.06163.10164.08165.05166.15167.12U(mV)41437100117133144145141130120f(Hz)170.20174.98180.26190.12200.07209.97220.12240.00260.36280.11U(mV)92675241373532292625数据结果：n = 30.144Hz1 = 28.5Hz2 = 31.5Hz阻尼比： =（2-1）/(2n) = 0.0498理论计算值：fn=23.55Hz19