測試技術(shù)基礎(chǔ)實驗說明書

1、測試技術(shù)基礎(chǔ)實驗說明書北京航空航天大學(xué)機械學(xué)院機械制造實驗室實驗一 光柵傳感器測位移實驗）.實驗?zāi)康?了解光柵傳感器的基本結(jié)構(gòu)、特點、工作原理。.掌握光柵傳感器測量位移的原理及方法。）實驗原理光柵位移傳感器由光源、聚光燈、標(biāo)尺光柵、指示光柵和光電元件組成。光源發(fā)出的光線經(jīng)過透鏡照射在光柵上，再通過光柵照射在光電元件上，把光信號轉(zhuǎn)換成電信號。 光柵測量位移的工作原理是基于莫爾條紋現(xiàn)象。兩塊柵距w相同，黑白寬度相同的長光柵，當(dāng)它們的刻線面彼此平行互相靠近，且沿刻線方向保持成一個很小的夾角時，由于遮光效應(yīng)或光的衍射作用，在a-a線上，兩塊光柵的黑色刻線相交，透光縫隙相重，因此形成一條亮帶。在b-b線

2、上，一塊光柵上的黑色刻線正好將另一塊光柵的透光部分擋住，形成一條暗帶。這些明暗相間的條紋就是所謂的莫爾條紋。當(dāng)光柵透過的光線越多，光電元件的輸出越大，當(dāng)光柵透過的光線越少，輸出信號與位移間的關(guān)系可近似的用正弦函數(shù)表示。 即： V=Vo+VmSin(2x/w) 式中：V -光電元件輸出的電壓信號；Vo-輸出信號中的平均直流分量； Vm-輸出正弦信號的幅值； W -柵距。 X -兩光柵間的瞬時相對位移量。 由上式可見，光電元件的輸出電壓的大小反映了光柵瞬時位移量的大小，從而實現(xiàn)了位移量向電量的轉(zhuǎn)換。 在實際應(yīng)用中，被測物體的移動方向是經(jīng)常改變的，而莫爾條紋的明暗變化只與位移有關(guān)，而與位移方向無關(guān)，

3、為了辨別位移的方向必須增加一個觀測點，然后根據(jù)兩個觀測點輸出信號U1、U2間的相位關(guān)系來定位移的方向 。當(dāng)光柵正向運動時，U1超前U2 90度，當(dāng)光柵反向運動時，U2超前U1 90度，利用這一特點，便可構(gòu)成簡單的辨向電路。通常采用的是“四倍頻辨向電路”。所謂四倍頻電路是一種位置細(xì)分法，就是使正弦信號在0度、90度、180度、270度都有脈沖輸出，可使測量精度提高四倍。 將辨向電路輸出信號（Y 1、Y2）送到加、減計數(shù)電路進行記數(shù)，再通過譯碼驅(qū)動電路，將位移量顯示出來。本實驗所采用的光柵柵距為0.02毫米，即每毫米為50對線，經(jīng)四倍頻后，每移動一毫米則應(yīng)顯示200。）.實驗內(nèi)容實驗裝置實驗步驟

4、1. 熟悉四倍頻辯向電路圖，熟悉74LS04、74LS00、74LS54四件的功能，按照線路圖插接線路板。2 .檢查無誤后，再通過實驗，同時用示波器觀察各點的波形，并將辯向、四倍頻波形描繪下來。3. 與光柵傳感器聯(lián)調(diào)，測試板首先清零顯示為00000，移動動尺前進100mm，觀察記數(shù)顯示結(jié)果并記錄下來，然后動尺后退到原點，觀察記錄顯示結(jié)果并記錄下來。）.實驗報告簡述四倍頻辨向電路的工作原理并畫出其波形圖。實驗二： 電容式、渦流式傳感器的特性及應(yīng)用實驗1、 實驗?zāi)康?. 了解電容式傳感器的基本結(jié)構(gòu)，掌握二極管環(huán)形電橋的工作原理；2. 了解渦流式傳感器的基本結(jié)構(gòu)及特性，掌握渦流式傳感器的工作原理及應(yīng)

5、用方法。2、 實驗裝置HY-811C型傳感器與檢測技術(shù)實驗平臺，如圖1所示。該平臺主要由臺體、主面板、各傳感器組件、各傳感器實驗單元等組成。各實驗中都要用到主面板（直流穩(wěn)壓電源、數(shù)字電壓表、差動放大器板）、位移臺架及導(dǎo)線。除此之外，各實驗還要使用一些單獨的實驗?zāi)K：1. 電容式傳感器實驗還使用電容式傳感器、電容式傳感器轉(zhuǎn)換電路板。2. 電渦流式傳感器還使用轉(zhuǎn)速與頻率表（在主面板上）、渦流式傳感器、渦流式傳感器轉(zhuǎn)換電路板、鐵片、銅片和鋁片、轉(zhuǎn)速傳感器、電機調(diào)速裝備（光電傳感器轉(zhuǎn)換電路中）等。圖1 HY-811C型傳感器與檢測技術(shù)實驗平臺3、 電容式傳感器特性實驗（1） 變面積式電容傳感器特性實驗

6、1. 實驗原理及電路實驗電路框圖如圖2所示。電容的變化通過電容轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)過差動放大器后，用數(shù)字電壓表顯示出來。圖2 電容式傳感器實驗電路框圖圖3 電容轉(zhuǎn)換電路原理圖圖4 二極管環(huán)形電橋原理圖圖2的電容轉(zhuǎn)換電路圖如圖3所示。圖中的信號發(fā)生器用于產(chǎn)生方波信號。電容轉(zhuǎn)換由二極管環(huán)形電橋完成，二極管電橋工作原理如圖4所示。固定頻率的方波脈沖由A點輸入，在方波的上升沿，C0被充電，充電途徑是VD3C0；與此同時，CX1也被充電，其充電途徑是C9VD5CX1。在方波的下降沿，C0和CX1都放電，C0的放電途徑是C0VD4C9；CX1的放電途徑是CX1VD6。由于C9在一個周期內(nèi)的充電和放電

7、平均電流分別為IU=fVpCX1和ID=fVpC0，式中f是脈沖頻率，VP為方波峰值電壓，因此AB間的平均電流I=ID-IU=fVp（C0-CX1)。從該式中可以看出電容的變化與AB之間電流成正比。在圖3中，增加了L1、L2、C10和R6。L1和L2對高頻方波的阻抗很大，而直流電阻很小，與R6一起形成了A、B間的直流通路，使充放電流的直流分量得以通過。C10用作濾波。這樣R6兩端輸出的直流電壓就與電容的變化量成正比。2. 實驗步驟1） 固定好位移臺架，將電容式傳感器置于位移臺架上，調(diào)節(jié)測微器使其指示15mm左右。將測微器裝入位移臺架上部的開口處，再將測微器測桿與電容式傳感器的動極旋緊。然后調(diào)節(jié)

8、兩個滾花螺母，使電容式傳感器的動極上表面與靜極上表面基本平齊，且動極能上下輕松滑動，這時將兩個滾花螺母旋緊。2） 差動放大器調(diào)零。將主面板上的+15V、-15V和地端，用導(dǎo)線連接到差動放大器上，將放大器放大倍數(shù)電位器RP1旋鈕（對應(yīng)主面板上增益旋鈕）順時針旋到終端位置；用導(dǎo)線將差動放大器的正負(fù)輸入端短接，再將其輸出端接到數(shù)字電壓表的輸入端；電壓量程切換開關(guān)撥至20V擋；接通電源開關(guān)，旋動放大器的調(diào)零電位器RP2旋鈕，使電壓表指示向零趨近，然后切換到2V量程擋，旋動調(diào)零電位器RP2旋鈕使電壓指示為零；此后調(diào)零電位器RP2旋鈕不再調(diào)節(jié)，根據(jù)實驗適當(dāng)調(diào)節(jié)增益電位器RP1。3） 按圖3連線，將可變電容

9、CX1與固定電容C0接到實驗板上，位移臺架上的接地孔與轉(zhuǎn)換電路的地線相連接。4） 接通電源，調(diào)節(jié)測微器使輸出電壓Uo接近零，然后上移或下移測微儀1mm，調(diào)節(jié)差動放大器增益，使輸出電壓的值為200400mV左右，再回調(diào)測微器，使輸出電壓為0mV，并以此為系統(tǒng)的零位，分別上旋和下旋測微器，每次0.5mm，上下各2.5mm，將位移量X與對應(yīng)的輸出電壓Uo記入表1中。表1 變面積電容傳感器實測數(shù)據(jù)記錄表X（mm)-2.5-2.0-1.5-1.0-0.500.51.01.52.02.5Uo（mV）000平均值0 （2） 差動式電容傳感器特性實驗1. 實驗原理及電路實驗電路圖如圖5所示。與變面積式電容實驗

10、不同之處在于，該實驗接入電容轉(zhuǎn)換電路的兩個電容為可變電容，當(dāng)電容傳感器的動極上下移動時，兩個電容器的電容量都發(fā)生變化，但方向相反，這樣就構(gòu)成了差動式的電容傳感器。圖5 差動電容式傳感器實驗電路框圖2. 實驗步驟 按照變面積式電容傳感器的實驗步驟進行實驗，注意接入電路板的兩個電容為CX1和CX2，將實驗結(jié)果記錄在表2中。表2 差動電容傳感器實測數(shù)據(jù)記錄表X（mm)-2.5-2.0-1.5-1.0-0.500.51.01.52.02.5Uo（mV）000平均值04、 電渦流式傳感器特性及應(yīng)用實驗（1） 電渦流式傳感器特性實驗1. 實驗原理及電路通過高頻電流的線圈產(chǎn)生磁場，當(dāng)有導(dǎo)電體接近時，因?qū)щ婓w

11、渦流效應(yīng)產(chǎn)生渦流損耗，引起線圈的電感發(fā)生變化。而渦流損耗與導(dǎo)電體離線圈的距離有關(guān)，因此可以進行位移測量。實驗電路如圖6所示。采用電容式三點式振蕩器，用于產(chǎn)生高頻電流，電流的大小與電感L2（及渦流傳感器線圈）的大小有關(guān)，濾波后輸出直流信號。2. 實驗步驟1） 將渦流式傳感器裝在位移臺架上，并與渦流式傳感器轉(zhuǎn)換電路板連接。2） 將渦流傳感器的輸出與電壓表連接。3）將測微器測桿與鐵片通過螺紋連接在一起。圖6 渦流式傳感器實驗電路原理圖4）接通電源，適當(dāng)調(diào)整測微器的高度，使鐵片與渦流感應(yīng)頭剛剛接觸，記下此時測微器讀數(shù)和輸出電壓，并從此點開始向上移動鐵片，將位移量X與輸出電壓Uo記入表3中。要求每隔0.

12、2mm讀一次數(shù)值，共讀取20組數(shù)據(jù)。表3 渦流式傳感器被測體為鐵片時的實測數(shù)據(jù)記錄X（mm)Uo（V）X（mm)Uo（V） 5）將步驟3）中的鐵片分別更換為鋁片和銅片，重復(fù)步驟4），并將所測數(shù)據(jù)填入表4和表5中。表4 渦流式傳感器被測體為鋁片時的實測數(shù)據(jù)記錄X（mm)Uo（V）X（mm)Uo（V）表5 渦流式傳感器被測體為銅片時的實測數(shù)據(jù)記錄X（mm)Uo（V）X（mm)Uo（V）（2） 渦流式傳感器測量轉(zhuǎn)速實驗1. 實驗原理及電路 利用渦流式傳感器探頭對旋轉(zhuǎn)體材質(zhì)的明顯變化產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)電路處理即可測量轉(zhuǎn)速。2. 實驗步驟1）固定好位移臺架，將電機放入位移臺架的圓孔中。2）將渦流傳感器探頭

13、的兩根輸出信號線接至差動放大器的輸入端，差動放大器的輸出端接至頻率與轉(zhuǎn)速表的輸入端。3）將頻率與轉(zhuǎn)速表切換開關(guān)撥到頻率檔。4）用手持渦流傳感器，并將探頭線圈對準(zhǔn)電機轉(zhuǎn)盤上的磁極，使探頭端面至磁極端面約2mm，注意接近時不要碰觸旋轉(zhuǎn)的磁極。5) 調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速旋鈕，使電機轉(zhuǎn)動，觀察頻率表的讀數(shù)。5、 實驗報告1. 根據(jù)表1實測數(shù)據(jù)，畫出輸入/輸出特性曲線Uo=f（X)，并且計算靈敏度和非線性誤差。2. 根據(jù)表2實測數(shù)據(jù)，畫出輸入/輸出特性曲線Uo=f（X)，并且計算靈敏度和非線性誤差。3. 根據(jù)表3、表4和表5數(shù)據(jù)，分別畫出渦流式傳感器的輸入/輸出特性曲線Uo=f（X)，并求出擬合曲線的方程。6、

14、 思考題1. 比較差動式和變面積式電容傳感器的優(yōu)劣。2. 渦流式傳感器的量程與那些因素有關(guān)？3. 轉(zhuǎn)速測試中，輸出頻率與轉(zhuǎn)速的對應(yīng)關(guān)系，如何提高測試精度？實驗三.切削力測量實驗 1）.實驗?zāi)康? 通過實驗驗證應(yīng)力測量原理與具體實施方法。2 通過實驗初步掌握力的應(yīng)變測試技術(shù)。2)實驗原理本測力系統(tǒng)由測力傳感器（即SDC系列測力儀）、應(yīng)變儀（即應(yīng)變信號放大器；如：YD-21四通道應(yīng)變儀）、模數(shù)轉(zhuǎn)換板（即A/D卡）、帶電纜和插頭的連接器等組成。見圖1-1：測力儀（Dynamometer）上有三或四個插座，三個插座的測力儀用于測量Fx、Fy、Fz三個切削或磨削分力，四個插座的測力儀用于測量三個分力外還

15、可測量鉆削扭矩，通常只測三個分力的測力儀上也常帶有第四個插座，但這個插座是不用的。把隨測力儀提供的電纜插頭與測力儀插座連接，需要擰緊插頭不能松動；在把電纜另一端的四個連接鉤與應(yīng)變儀電橋盒相接，紅色的兩個連接鉤與電橋盒1、3號連接柱相連；黑色的兩個鉤與電橋盒2、4號連接柱相連（兩者可互換）。鉤與柱的連接也需要擰緊，不允許松動。圖1-1所示連接器2即為隨A/D卡提供的接口。 把應(yīng)變儀輸出電纜的信號線（即同軸電纜的中心銅線）與連接器2對應(yīng)的輸入端螺釘相接；建議Fx對應(yīng)應(yīng)變儀第1通道、Fy對應(yīng)應(yīng)變儀第2通道、Fz對應(yīng)應(yīng)變儀第3通道。連接器上1號螺釘與Fx輸出相接、2號螺釘與Fy輸出相接、3號螺釘與Fz

16、輸出相接。各對應(yīng)輸出信號線的屏蔽線是與放大器地相連的，它們應(yīng)與連接器2兩側(cè)的地螺釘連接。實驗中我們需要對測力儀進行標(biāo)定。標(biāo)定測力儀就是記錄采集的電壓值與加載在測力儀上的力之間的關(guān)系。標(biāo)定系數(shù)的單位是：N/V。因為應(yīng)變儀提供了1001000的標(biāo)定功能，所以也可通過標(biāo)定獲得采集的電壓值與微應(yīng)變數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系。在進行數(shù)據(jù)處理時，要進行平均值計算，“N點”按鈕用于設(shè)置N值，即每N個數(shù)據(jù)求一次平均值。公式為：x=(x1+x2+xN)/N假設(shè)原始有1000個數(shù)據(jù)，4點平均一次時，求平均值后只剩下250個數(shù)據(jù)。原始數(shù)據(jù)序列中1-4號數(shù)據(jù)對應(yīng)新數(shù)據(jù)序列中的1號數(shù)據(jù)；原數(shù)據(jù)序列中5-8號數(shù)據(jù)對應(yīng)新數(shù)據(jù)序列中的

17、2號數(shù)據(jù)，依此類推。N=顯示窗顯示該N值。關(guān)于自相關(guān)和互相關(guān)函數(shù)，其定義請同學(xué)參看相關(guān)書籍，這里僅給出它們的計算方程。自相關(guān)函數(shù)：互相關(guān)函數(shù)：譜分析是研究信號特征，對信號進行處理的重要手段之一。它通過譜密度函數(shù)反映不同頻率成分的功率或幅值方差的分布，即研究信號中不同頻率成分占信號總能量的比例。 在信號處理過程中，譜分析的理論基礎(chǔ)是傅立葉變換。根據(jù)高等數(shù)學(xué)的知識，對于非隨機的非周期函數(shù)，在函數(shù)絕對可積并滿足狄利克雷條件：時，可通過傅立葉積分將x（t）變換為頻域函數(shù)X（）。譜密度函數(shù)其中 為采樣周期，T為采樣時間長度，N為采集數(shù)據(jù)個數(shù)。并且有。）實驗內(nèi)容實驗設(shè)備與儀器的使用方法（一）實驗設(shè)備1SD

18、C系列測力儀 一臺2YD-21/4四通道應(yīng)變儀 一臺3A/D卡 （已置于微機內(nèi)） 一塊 4、微機及相關(guān)配置 一套二)儀器操作方法這里主要介紹YD221/4四通道應(yīng)變儀的使用。1 打開電源開關(guān)觀察三位半數(shù)字顯示，顯示亮。2 預(yù)熱10分鐘后開始調(diào)節(jié)。先從應(yīng)變儀的第一通道開始，觀察顯示是否是“0”，如果不指零，可調(diào)節(jié)“基零”電位器為之滿足（在一般正常情況下出廠已調(diào)好不超過“一個字”用戶不需要調(diào)節(jié)）。3 根據(jù)橋路不平衡訊號大小，適當(dāng)選擇衰減開關(guān)調(diào)節(jié)平衡，一般情況下是將“衰減”開關(guān)依次衰減“100”、“50”、“20”、“10”、“5”、“2”“1”（四檔琴鍵開關(guān)回原位置）。同時轉(zhuǎn)換“預(yù)靜動”開關(guān)，在“

19、預(yù)”位置，分別調(diào)節(jié)“C”和“R”，調(diào)節(jié)到顯示為最小，然后將“預(yù)靜動”開關(guān)置于“靜”位置，調(diào)節(jié)電阻平衡“R”，使顯示接近“0”，再將“預(yù)靜動” 開關(guān)置于“預(yù)”位置，再調(diào)節(jié)電容平衡“C”，使顯示接近零。一般情況下，在顯示靈敏度開關(guān)置于“J2”位置不超過4個即可，然后再將“預(yù)靜動” 開關(guān)置于“靜”位置，調(diào)節(jié)電阻平衡“R”，使顯示為“0”，±2個字即可。4 動態(tài)測試時，經(jīng)調(diào)整完畢后放大器，將“預(yù)靜動” 開關(guān)置于“動”位置。實驗步驟1打開預(yù)熱應(yīng)變儀，調(diào)節(jié)應(yīng)變儀平衡：·打開電源開關(guān)觀察三位半數(shù)字顯示，顯示亮。·預(yù)熱10分鐘后開始調(diào)節(jié)。先從應(yīng)變儀的第一通道開始，觀察顯示是否是“

20、0”，如果不指零，可調(diào)節(jié)“基零”電位器為之滿足。·根據(jù)橋路不平衡訊號大小，適當(dāng)選擇衰減開關(guān)調(diào)節(jié)平衡，一般情況下是將“衰減”開關(guān)依次衰減“100”、“50“20”、“10”、“5”、“2”“1”（四檔琴鍵開關(guān)回原位置）。同時轉(zhuǎn)換“預(yù)靜動”開關(guān)，在“預(yù)”位置，分別調(diào)節(jié)“C”和“R”，調(diào)節(jié)到顯示為最小，然后將“預(yù)靜動”開關(guān)置于“靜” 位置，調(diào)節(jié)電阻平衡“R”，使顯示接近“0”，再將“預(yù)靜動” 開關(guān)置于“預(yù)”位置，再調(diào)節(jié)電容平衡“C”，使顯示接近零。一般情況下，在顯示靈敏度開關(guān)置于“J2”位置不超過4個即可，然后再將“預(yù)靜動” 開關(guān)置于“靜”位置，調(diào)節(jié)電阻平衡“R”，使顯示為“0”，

21、7;2個字即可。· 動態(tài)測試時，經(jīng)調(diào)整完畢后放大器，將“預(yù)靜動” 開關(guān)置于“動”位置。2測力儀的標(biāo)定。分別在x、y、z方向加載和卸載，測量并記錄實驗數(shù)據(jù)，注意觀察加載曲線與卸載曲線。3. 選擇通道采集實驗數(shù)據(jù)，可多采集幾組。4. 打開數(shù)據(jù)回放觀察數(shù)據(jù)波形，選擇一組較為理想的數(shù)據(jù)波形作為下面數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)波形。5進行均值分析，打印圖形。6進行自相關(guān)計算，打印圖形。7進行互相關(guān)計算，打印圖形。8. 進行頻譜分析，打印圖形。）實驗報告實驗四：微機在測量信號中的應(yīng)用實驗） 實驗?zāi)康耐ㄟ^實驗使同學(xué)了解在PC機為主機的系統(tǒng)中，如何實現(xiàn)由加速度傳感器感受到振動信號，經(jīng)過放大和轉(zhuǎn)換后送微機進行數(shù)據(jù)采集及測量信號的分析和處理的方法。） 實驗原理實驗信號源是由懸臂梁產(chǎn)生的振動信號，經(jīng)加速度傳感器拾取后，將振動物體產(chǎn)生機械能轉(zhuǎn)變成電能，當(dāng)加速度傳感器感受振動信號時，在其輸出端產(chǎn)生一個與加速度傳感器感受到的振動信號的加速度成正比的電