機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)實驗指導書

1、機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)實驗指導書實驗一觀測50Hz非正弦周期信號的分解與合成一、實驗目的1、用同時分析法觀測 50Hz非正弦周期信號的頻譜，并與其傅立葉級數(shù)各項的頻率與系 數(shù)作比較。2、觀測基波和其諧波的合成二、實驗設(shè)備1、 信號與系統(tǒng)實驗箱：TKSS-A型或TKSS-B型或TKSS-C型：2、雙綜示波器。三、實驗原理1、 一個非正弦周期函數(shù)可以用一系列頻譜成整數(shù)倍的正弦函數(shù)來表示，其中與非正弦具有相同頻率的成分稱為基波或一次諧波，其它成分則根據(jù)其頻率為基波頻率的2、3、4、。、n等倍數(shù)分別稱二次、三次、四次、。、n次諧波，其幅度將隨諧波次數(shù)的增加 而減小，直至無窮小。2、 不同頻率的諧波可以合

2、成一個非正弦周期波，反過來，一個非正弦周期波也可以分解 為無限個不同頻率的諧波成分。3、 一個非正弦周期函數(shù)可用傅立葉級數(shù)來表示，級數(shù)各項系數(shù)之間的關(guān)系可用一個頻譜 來表示，不同的非正弦周期函數(shù)具有不同的頻譜圖，各種不同波形及其傅氏級數(shù)表達式 如下，方波頻譜圖如圖 2-1表示圖2-1方波頻譜圖Um方波oUni三角波Q正弦整流半波UmTT2ii腳 umhn整流全波0Um矩形波01、方波sin1sin 332、三角波sinIsin 393、半波 si n4Tsi n55t -si n77sin5 t251 cos31 cos 4 t154、全波Ut 4U.1 cos 231cos4151t cos

3、 63513sin cos3 t3 T5、矩形波2U- sin cos t 丄sin Jcos2T2 TBPF1BPF；為調(diào)諧在基波和LPF為低通濾波器，可分解出非正弦周期函數(shù)的直流分量。 各次諧波上的帶通濾波器，加法器用于信號的合成。四、預習要求在做實驗前必須認真復習教材中關(guān)于周期性信號傅立葉級數(shù)分解的有關(guān)內(nèi)容。五、實驗內(nèi)容及步驟1、調(diào)節(jié)函數(shù)信號發(fā)生器，使其輸出50Hz的方波信號，并將其接至信號分解實驗模塊BPF的輸入端，然后細調(diào)函數(shù)信號發(fā)生器的輸出頻率，使該模塊的基波50Hz成分BPF的輸出幅度為最大。DC圖2-2 實驗裝置的結(jié)構(gòu)2、 將各帶通濾波器的輸出分別接至示波器，觀測各次諧波的頻率

4、和幅制值，并列表記錄之。3、 將方波分解所得的基波和三次諧波分量接至加法器的相應輸入端，觀測加法器的輸出 波形，并記錄之。4、 在3的基礎(chǔ)上，再按五次諧波分量加到加法器的輸入端，觀測相加后的波形，記錄之。5、 分別將50Hz單相正弦半波、全波、矩形波和三角波的輸出信號接至50Hz電信號分 解與合成模塊輸入端、觀測基波及各次諧波的頻率和幅度，記錄之。6、將50Hz單相正弦半波、全波、矩形波和三角波的基波和諧波分量分別接至加法器的相應的輸入端，觀測求和器的輸出波形，并記錄之。六、思考題1、什么樣的周期性函數(shù)沒有直流分量和余弦量。2、分析理論合成的波形與實驗觀測的合成波形之間誤差產(chǎn)生的原因。七、實驗

5、報告1、 根據(jù)實驗測量所得的數(shù)據(jù)，在同一坐標紙上繪制方波及其分解后所得的基波和各次諧波的波形，畫出其頻譜圖。2、 將所得的基波和三次諧波及其合成波形一同繪制在同一坐標紙，并且把實驗3中觀察 到的合成波形也繪制在同一坐標紙上，便于比較。4、回答思考題實驗二金屬箔式應變片單臂電橋性能實驗一、實驗目的：了解金屬箔式應變片的應變效應，單臂電橋工作原理和性能。二、基本原理：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(guān)系式為： R/ R= Ks 式中： R/ R為電阻絲電阻相對變化，K為應變靈敏系數(shù)， = L/L為電阻絲長度相對變化。金屬箔式應變片就是通 過

6、光刻、腐蝕等工藝制成的應變敏感元件，通過它轉(zhuǎn)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)。對單臂電橋輸出電壓UOi= EKs /4。三、需用器件與單元： 主機箱（土 4V、土 15V、電壓表）、應變式傳感器實驗模板、 托盤、砝碼、4?位數(shù)顯萬用表（自備）。.汪Tffl佰中.T喪圖1 應變片單臂電橋性能實驗安裝、接線示意圖四、實驗步驟：應變傳感器實驗模板說明：實驗模板中的 R1、R2、R3、R4為應變片，沒有文字標記的 5個電阻符號下面是空的， 其中4個組成電橋模型是為實驗者組成電橋方便而設(shè)，圖中的粗黑曲線表示連接線。1、根據(jù)圖1應變式傳感器（電

7、子秤傳感器）已裝于應變傳感器模板上。傳感器中4片應變片和加熱電阻已連接在實驗模板左上方的R1、R2、R3、F4和加熱器上。傳感器左下R1、角應變片為R1;右下角為R2;右上角為R3;左上角為F4。當傳感器托盤支點受壓時, R3阻值增加，R2、R4阻值減小，可用四位半數(shù)顯萬用進行測量判別。常態(tài)時應變片阻值為 350 Q，加熱絲電阻值為 50 Q左右。丨安裝接線。2、 放大器輸出調(diào)零：將圖1實驗模板上放大器的兩輸入端口引線暫時脫開，再用導線將兩輸入端短接（Vi = 0）；調(diào)節(jié)放大器的增益電位器RW3大約到中間位置（先逆時針旋到底，再順時針旋轉(zhuǎn)2圈）;將主機箱電壓表的量程切換開關(guān)打到2V檔，合上主機

8、箱電源開關(guān)； 調(diào)節(jié)實驗模板放大器的調(diào)零電位器Rw4使電壓表顯示為零。3、 應變片單臂電橋?qū)嶒灒?拆去放大器輸入端口的短接線，將暫時脫開的引線復原（見圖1接線圖）。調(diào)節(jié)實驗模板上的橋路平衡電位器Rw,使主機箱電壓表顯示為零；在應變傳感器的托盤上放置一只砝碼，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(jié)果填入表1畫出實驗曲線。表1重量（g）電壓(mv)4、根據(jù)表1計算系統(tǒng)靈敏度 S= A U/ W（ A U輸出電壓變化量， W重量變化量）和非 線性誤差S,S= A m/yFs x 100%式中A m為輸出值（多次測量時為平均值）與擬合直線的

9、最大偏差：yFs滿量程輸出平均值，此處為 200g （或500g）。實驗完畢，關(guān)閉電源。五、思考題：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。實驗三金屬箔式應變片一半橋性能實驗一、實驗目的：比較半橋與單臂電橋的不同性能、了解其特點。二、基本原理：不同受力方向的兩只應變片接入電橋作為鄰邊，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= EK&/ 2。三、 需用器件與單元： 主機箱、應變式傳感器實驗模板、托盤、砝碼。四、實驗步驟：1、將托盤安裝到應變傳感器的托盤支點上。將實驗模板差動放大器調(diào)零

10、：用導線將實 驗模板上的土 15v、丄插口與主機箱電源土 15v、丄分別相連，再將實驗模板中的放大器的兩 輸入口短接（Vi= 0）；調(diào)節(jié)放大器的增益電位器RW3大約到中間位置（先逆時針旋到底，再順時針旋轉(zhuǎn)2圈）；將主機箱電壓表的量程切換開關(guān)打到2V檔，合上主機箱電源開關(guān)； 調(diào)節(jié)實驗模板放大器的調(diào)零電位器 R4使電壓表顯示為零。圖2應變式傳感器半橋接線圖3頑電1Hffi亙w-丿就變傳感器實驗模板2、拆去放大器輸入端口的短接線，根據(jù)圖2接線。注意R2應和R3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。調(diào)節(jié)實驗模板上的橋路平衡電位器FWi,使主機箱電壓表

11、顯示為零；在應變傳感器的托盤上放置一只砝碼，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。記下實驗數(shù)據(jù)填入表 2畫出實驗曲線，計算靈敏度S2= U/W,非線性誤差3。實驗完 畢，關(guān)閉電源。表2重量電壓二、思考題：1、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。（1）電橋測量原理上存在非線2、橋路（差動電橋）測量時存在非線性誤差，是因為:性（2）應變片應變效應是非線性的（3 ）調(diào)零值不是真正為零。實驗四金屬箔式應變片一全橋性能實驗一、實驗目的：了解全橋測量電路的優(yōu)點。二、基本原理：全橋測量電路中，將受力方向相同的兩

12、應變片接入電橋?qū)?，相反的應變片接入電橋鄰邊。當應變片初始阻值：R= R = R3 = F4，其變化值 Ri=A F2=A F3=A F4時,其橋路輸出電壓 U03= KEs。其輸出靈敏度比半橋又提高了一倍，非線性誤差和溫度誤差均 得到改善。三、需用器件和單元：同實驗二。四、實驗步驟：1、將托盤安裝到應變傳感器的托盤支點上。將實驗模板差動放大器調(diào)零：用導線將實 驗模板上的土 15v、丄插口與主機箱電源土 15v、丄分別相連，再將實驗模板中的放大器的兩 輸入口短接（Vi= 0）;調(diào)節(jié)放大器的增益電位器Rws大約到中間位置（先逆時針旋到底，再順時針旋轉(zhuǎn)2圈）；將主機箱電壓表的量程切換開關(guān)打到2V檔

13、，合上主機箱電源開關(guān)； 調(diào)節(jié)實驗模板放大器的調(diào)零電位器 Rw4使電壓表顯示為零。o e o oSII接王機箱 15V質(zhì)主機箱電壓表 /VO2空Rw4應變傳感器實驗模板圖3 1全橋性能實驗接線圖2、拆去放大器輸入端口的短接線，根據(jù)圖3 1接線。實驗方法與實驗二相同，將實驗數(shù)據(jù)填入表3畫出實驗曲線；進行靈敏度和非線性誤差計算。實驗完畢，關(guān)閉電源。表3重量電壓五、思考題：1、測量中，當兩組對邊（R、R3為對邊）電阻值 R相同時，即 Ri= R3, R2= R,而R豐R2時，是否可以組成全橋：（1）可以（2）不可以。2某工程技術(shù)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32,如何利用這四片應

14、變片組成電橋，是否需要外加電阻。實驗五 直流全橋的應用一電子秤實驗一、實驗目的：了解應變直流全橋的應用及電路的標定。二、基本原理：數(shù)字電子秤實驗原理如圖5,全橋測量原理。本實驗只做放大器輸出UO實驗，通過對電路調(diào)節(jié)使電路輸出的電壓值為重量對應值，電壓量綱（V）改為重量量綱（g）即成為一臺原始電子秤。RwUo圖5 數(shù)字電子稱原理框圖三、需用器件與單元： 主機箱、應變式傳感器實驗模板、砝碼。四、實驗步驟：1、實驗模板差動放大器調(diào)零：將實驗模板上的土15v、丄插口與主機箱電源土15v、丄分別相連。用導線將實驗模板中的放大器兩輸入口短接（Vi = 0）;調(diào)節(jié)放大器的增益電位器R3大約到中間位置（先逆時

15、針旋到底，再順時針旋轉(zhuǎn)2圈）;將主機箱電壓表的量程切換開R/V4,使電壓表顯示Rw,使數(shù)顯表顯關(guān)打到2V檔，合上主機箱電源開關(guān)；調(diào)節(jié)實驗模板放大器的調(diào)零電位器 為零。按圖3-1直流全橋接線，合上主機箱電源開關(guān)，調(diào)節(jié)電橋平衡電位 示 0.00V。2、 將10只砝碼全部置于傳感器的托盤上，調(diào)節(jié)電位器R3 （增益即滿量程調(diào)節(jié)）使數(shù) 顯表顯示為0.200V（2V 檔測量）或0.200V。3、 拿去托盤上的所有砝碼，調(diào)節(jié)電位器RW4 （零位調(diào)節(jié)）使數(shù)顯表顯示為0.00V。4、 重復2、3步驟的標定過程，一直到精確為止，把電壓量綱V改為重量綱g,就可以 稱重。成為一臺原始的電子秤。5、 把砝碼依次放在托盤

16、上，并依次記錄重量和電壓數(shù)據(jù)填入下表6。6、根據(jù)數(shù)據(jù)畫出實驗曲線，計算誤差與線性度。實驗完畢，關(guān)閉電源。表6重量（g）電壓（mv）實驗六差動變壓器的性能實驗一、實驗目的：了解差動變壓器的工作原理和特性。二、基本原理：差動變壓器由一只初級線圈和二只次線圈及一個鐵芯組成，根據(jù)內(nèi)外層排列不同，有二段式和三段式， 本實驗采用三段式結(jié)構(gòu)。 當差動變壓器隨著被測體移動時差動 變壓器的鐵芯也隨著軸向位移， 從而使初級線圈和次級線圈之間的互感發(fā)生變化促使次級線 圈感應電勢產(chǎn)生變化， 一只次級感應電勢增加， 另一只感應電勢則減少， 將兩只次級反向串 接（同名端連接），就引出差動電勢輸出。其輸出電勢反映出被測體的

17、移動量。三、需用器件與單元：主機箱、差動變壓器、差動變壓器實驗模板、測微頭、雙蹤示波 器。四、實驗步驟：附：測微頭的組成與使用測微頭組成和讀數(shù)如圖 9 1圖91測位頭組成與讀數(shù)測微頭組成： 測微頭由不可動部分安裝套、軸套和可動部分測桿、微分筒、微調(diào)鈕組 成。測微頭讀數(shù)與使用：測微頭的安裝套便于在支架座上固定安裝，軸套上的主尺有兩排刻度線，標有數(shù)字的是整毫米刻線（1 mm/格），另一排是半毫米刻線（0 . 5 mm/格）；微分 筒前部圓周表面上刻有 50等分的刻線（0 . 0 1mm/格）。用手旋轉(zhuǎn)微分筒或微調(diào)鈕時，測桿就沿軸線方向進退。 微分筒每轉(zhuǎn)過1格，測桿沿軸方向移動微小位移0. 0 1毫

18、米，這也叫測微頭的分度值。測微頭的讀數(shù)方法是先讀軸套主尺上露出的刻度數(shù)值，注意半毫米刻線；再讀與主尺橫線對準微分筒上的數(shù)值、 可以估讀1 /10分度，如圖9 1甲讀數(shù)為3 . 6 7 8 mm,不是3 17 8mm;遇到微分筒邊緣前端與主尺上某條刻線重合時，應看微分筒的示值是否過零， 如圖9 1乙已過零則讀2 . 5 14mm ;如圖 9 1丙未過零，則不應讀為2 mm，讀數(shù)應 為1 . 980mm。測微頭使用： 測微頭在實驗中是用來產(chǎn)生位移并指示出位移量的工具。 一般測微頭在使 用前，首先轉(zhuǎn)動微分筒到1 Omm處 （為了保留測桿軸向前、 后位移的余量），再將測微頭軸 套上的主尺橫線面向自己安

19、裝到專用支架座上， 移動測微頭的安裝套 （測微頭整體移動 ）使測 桿與被測體連接并使被測體處于合適位置 （ 視具體實驗而定 ）時再擰緊支架座上的緊固螺釘。 當轉(zhuǎn)動測微頭的微分筒時，被測體就會隨測桿而位移。1、將差動變壓器和測微頭 （參照附：測微頭使用 ）安裝在實驗模板的支架座上，差動變 壓器的原理圖已印刷在實驗模板上， L1為初級線圈；L2、L3為次級線圈；*號為同名端， 如下圖 92。2、按圖92接線，差動變壓器的原邊L1的激勵電壓必須從主機箱中音頻振蕩器的Lv端子引入，檢查接線無誤后合上總電源開關(guān)， 調(diào)節(jié)音頻振蕩器的頻率為 4- 5KHz（可用主 機箱的頻率表輸入 Fin來監(jiān)測）；調(diào)節(jié)輸出

20、幅度峰峰值為 Vp-p = 2V （可用示波器監(jiān)測：X軸 為 0.2ms/div ）。3、 松開測微頭的安裝緊固螺釘，移動測微頭的安裝套使示波器第二通道顯示的波形Vp-p為較小值 （變壓器鐵芯大約處在中間位置 ） ，擰緊緊固螺釘， 仔細調(diào)節(jié)測微頭的微分筒使示波 器第二通道顯示的波形 Vp-p 為最小值 （零點殘余電壓 ）并定為位移的相對零點。這時可以左 右位移，假設(shè)其中一個方向為正位移，另一個方向位移為負，從Vp-p 最小開始旋動測微頭的微分筒，每隔0.2mm（可取1025點）從示波器上讀出輸出電壓Vp-p值，填入下表9,再將測位頭退回到 Vp-p最小處開始反方向做相同的位移實驗。在實驗過程中

21、請注意：從Vp-p最小處決定位移方向后, 測微頭只能按所定方向調(diào)節(jié)位移,中途不允許回調(diào),否則,由于測 微頭存在機械回差而引起位移誤差； 所以, 實驗時每點位移量須仔細調(diào)節(jié),絕對不能調(diào)節(jié)過量,如過量則只好剔除這一點繼續(xù)做下一點實驗或者回到零點重新做實驗。當一個方向行程實驗結(jié)束, 做另一方向時, 測微頭回到 Vp-p 最小處時它的位移讀數(shù)有變化 （沒有回到原來 起始位置）是正常的，做實驗時位移取相對變化量AX為定值，只要中途測微頭不回調(diào)就不 會引起位移誤差。接三機箱音頻攜& 4- 5KHz歎M?申壓航空疔座接王機ii + isv0 差動變壓器實驗模板圖92差動變壓器性能實驗安裝、接線圖4、實驗過程

22、中注意差動變壓器輸出的最小值即為差動變壓器的零點殘余電壓大小。根 據(jù)表9畫出Vop-p X曲線，作出位移為 土 1mm 3mnfl寸的靈敏度和非線性誤差。實驗完畢, 關(guān)閉電源。表9V(mv)X(mm)五、思考題：1、用差動變壓器測量振動頻率的上限受什么影響?2、試分析差動變壓器與一般電源變壓器的異同？實驗七 激勵頻率對差動變壓器特性的影響(M, M2)Ui、實驗目的：了解初級線圈激勵頻率對差動變壓器輸出性能的影響。、基本原理：差動變壓器的輸出電壓的有效值可以近似用關(guān)系式:表示,式中Lp、RP為初級線圈電感和損耗電阻，Uj、3為激勵電壓和頻率，M1、M2為初級RP23 2LP2,與兩次級間互感系

23、數(shù)，由關(guān)系式可以看出，當初級線圈激勵頻率太低時，若 則輸出電壓Uo受頻率變動影響較大，且靈敏度較低，只有當3 2LP2 RP2時輸出Uo與3 無關(guān)，當然3過高會使線圈寄生電容增大，對性能穩(wěn)定不利。三、需用器件與單元： 主機箱、差動變壓器、差動變壓器實驗模板、測微頭、雙蹤示波 器。四、實驗步驟：1、 差動變壓器及測微頭的安裝、接線同實驗九圖92并仔細參閱實驗九附：測微頭的 組成與使用。2、 檢查接線無誤后，合上主機箱電源開關(guān)，調(diào)節(jié)主機箱音頻振蕩器Lv輸出頻率為1KHZ （可用主機箱的頻率表監(jiān)測頻率），Vp-p = 2V（示波器監(jiān)測VP-p）。調(diào)節(jié)測微頭微分筒使差動變壓器的鐵芯處于線圈中心位置即輸

24、出信號最小時（示波器監(jiān)測Vp-p最小時）的位置。3、 調(diào)節(jié)測微頭位移量AX為2.50mm,差動變壓器有某個較大的Vp-p輸出。4、 在保持位移量不變的情況下改變激勵電壓（音頻振蕩器）的頻率從1KHt 9KHZ（激勵電壓幅值2 V不變）時差動變壓器的相應輸出的Vp-P值填入表10。表10F(Hz)1KHz2 KHz3 KHz4 KHz5 KHz6 KHz7 KHz8 KHz9 KHzW p5、作出幅頻（F Vp-P）特性曲線。實驗完畢，關(guān)閉電源。實驗八差動變壓器零點殘余電壓補償實驗一、實驗目的：了解差動變壓器零點殘余電壓補償方法。二、基本原理：由于差動變壓器二只次級線圈的等效參數(shù)不對稱，初級線圈

25、的縱向排列的不均勻性，二次級的不均勻、不一致，鐵芯B-H特性的非線性等，因此在鐵芯處于差動線圈中間位置時其輸出電壓并不為零，稱其為零點殘余電壓。三、需用器件與單元： 主機箱、測微頭、差動變壓器、差動變壓器實驗模板、示波器。四、實驗步驟：1、 參閱實驗九附：測微頭的組成與使用。根據(jù)圖11接線，差動變壓器原邊激勵電壓從 音頻振蕩器的Lv插口引入，實驗模板中的 Ri C1、FW1、Rw2為電橋單元中調(diào)平衡網(wǎng)絡。2、 用示波器和頻率表監(jiān)測并調(diào)節(jié)主機箱音頻振蕩器輸出頻率為45KHz、幅值為2V峰 峰值的激勵電壓。3、調(diào)整測微頭，使差動放大器輸出電壓最小。4、依次交替調(diào)整 Rw、FW,使輸出電壓降至最小。

26、F支架座帀波皆曲JI 谿肋電E眥空潼功變圧再夾緊璨町旳微頭竝空插匡差功變壓器實驗複極接至機箱哥頻振落番1_丫 45處接主機罕*冋EL緊固蠟釘/辰 S? 丿 iiiS圖11零點殘余電壓補償實驗接線圖5、將示波器第二通道的靈敏度提高，觀察零點殘余電壓的波形，注意與激勵電壓相比 較。6、從示波器上觀察，差動變壓器的零點殘余電壓值（峰峰值）。（注：這時的零點殘余電壓是經(jīng)放大后的零點殘余電壓，所以經(jīng)補償后的零點殘余電壓：V 零點p-p = VK0，K是放大倍數(shù)約為7倍左右。）實驗完畢，關(guān)閉電源。五、思考題：零點殘余電壓是什么波形？實驗九方波信號的分解一 實驗目的觀察方波信號的分解二 原理說明1任何電信號都是由各種不同頻率、幅度和初相的正弦波迭加而成的。對周期信號由它的付里葉級數(shù)展開式X（t） CkJ （ o為基波頻率）k可知，各次諧波為基波頻率的整數(shù)倍。而非周期信號包含了從零到無窮大的所有頻率成分，每一頻率成分