机械工程测试课程实验指导书2014版.docx

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机械工程测试课程实验指导书

课程学时： 40
实验学时： 8

适用专业： 机械工程
编 写 者：
审 查 者：
编写日期： 2014.10

核自学院编写
二O一四年版

目 录

§2－1　信号相关分析及应用……………………………………………………………………1
§2－2　单自由度系统的受迫振动的测试………………………………………………………3
§2－3 应变片单臂特性实验…………………………………………………………………7
§2－4 电容式传感器的位移实验………………………………………………………………7

§2－1　信号相关分析及应用
一、实验学时
2
二、实验类别
综合型，必做
三、实验目的
1、掌握相关原理；
2、熟悉干扰信号的合成，掌握同频检测的基本方法。
四、实验过程
1、将TPJ-4型同频检测学习机和信号发生器接通交流220V电源，拨动“电源”开关，指示灯亮。
2、由实验指导教师讲解信号发生器，并熟悉其基本用法。
3、用示波器观察信号发生器的CH1和CH2通道输出的正弦波波形，并记录其频率。
3、把TPJ-4型同频检测学习机的“幅值调整”旋钮旋至最大，“工作选择”旋钮旋至0°，“移相”左侧旋钮旋至360°，右侧旋钮旋至0°。
4、将信号发生器CH1通道输出的频率为>>100Hz的正弦波由引线连接至TPJ-4型同频检测学习机的J7端口，打开模拟信号开关。注意引线的接地。
5、将J6、J7、J11和J9端口由引线输入示波器，观察并记录其波形。
6、将信号发生器的CH2通道的输出的信号引入TPJ-4型同频检测学习机的J8端口，将信号发生器的CH2通道的信号频率从0Hz逐渐增加至某一频率(大于100Hz)，注意观察TPJ-4型同频检测学习机面板右上侧的“同频检测输出”表针的变化，并记录并变化过程。
７、改变信号发生器的CH1与CH2通道输出的正弦波的频率、TPJ-4型同频检测学习机的“频率选择”的频率，注意CH2通道应与“频率选择”的频率一致，观察“同频检测输出”表针的变化，并记录并变化过程。
8、实验完毕后，应将仪器设备擦试干净，数据线、引线整理就绪，由指导教师验收后方可离开。
五、实验设备、工具及材料
TPJ-4型同频检测学习机、双踪示波器、信号发生器、数字万用表
六、实验报告
1、简要说明实验步骤中的注意事项。
2、绘出J6、J7、J11和J9端口的波形图；
3、说明“同频检测输出”表针的变化原因。
七、预习资料
《械工程测试技术》教材第五章
八、实验地点
8103

§2－2　机械振动测试系统的构建
一、实验学时
2
二、实验类别
综合型，必做
三、实验目的
1、学会压电式力传感器和压电式加速度传感器的使用，掌握电荷放大器和内装电路压电传感器的使用；
2、利用压电加速度传感器测量加速度；
3、学习微机数据采集系统的使用，掌握微机数据采集系统记录和采集振动加速度信号的方法。
四、实验过程
1、将压电式加速度传感器安装在振动体上，用屏蔽同轴电缆将压电式加速度传感器的输出端与电荷放大器的输入端连接，将电荷放大器的输出端与微机数据采集系统的1通道连接。如下图所示。

2、设置电荷放大器测量参数，将电荷放大器上方“传感器灵敏度”输入旋钮设置为510Pc/Unit，中间的输出旋钮设置为 30 mv/unit，则加速度传感器：

3、将电荷放大器通电，并将电荷放大器输出端的芯线连接到数据采集盒的1通道。
4、将数据采集盒的输出端连接到微机的USB接口。
5、 按实验框图接线后，请指导老师检查接线是否正确。经指导老师检查正确后，方可开机进行实验。
6、打开微机，双击电脑桌面“uTek 2004”图标，即进入数据采集系统界面，如下图所示。

7、点击上图中“数据采集处理与分析”子菜单，进入数据采集界面。如下图所示。

8、点击 “工程”→“新建工程”进入数据采集界面，如下图所示。

9、点击采集界面的右上侧的“采集通道数”中的“一通道”。出现界面如下图所示。

10、进入“采集参数”→“数据块数”设置，设为1024，其它采用系统默认设置的参数。点击“示波”菜单，观察无信号输入时的波形，注意此为干扰波。
11、用木锤轻轻敲击振动体，观察是否有波形变化。信号大小是否合适，如果不合适，适当调整测量参数或电荷放大器的测量参数。退出“示波”。
12、点击“采集”菜单，开始测量。用木锤敲击振动体，完成信号采集。
13、进入“文件”→“工程另存为”，保存测量数据，以便分析。
14、爱护仪器设备。实验完毕后，应将仪器擦试干净，整理就绪。
五、实验设备、工具及材料
内装电路压电加速度传感器、电荷放大器 、交流电源、微机数据采集系统
六、实验报告
1、简要说明实验的目的、要求和使用的主要仪器设备（包括型号和编号）。
2、绘出实验原理框图以及实验测量曲线示意图，说明各测试环节的功能。
3、针对压电式加速度传感器的工作原理对实验进行讨论。
4、按照标准格式书写实验报告，清洁整齐，内容简明扼要。
七、预习资料
《工程测试技术》教材第七章
八、实验地点
8103
九、联系电话
84078964

§2－3 应变片单臂特性实验
一、实验学时
2
二、实验类别
综合型，必做
三、实验目的
1、了解电阻应变片的工作原理与应用；
2、掌握应变片测量电路。
四、实验过程
1、1、 在应变梁自然状态（不受力）的情况下，用4 21 位数显万用表2kΩ电阻档测量所有
应变片阻值；在应变梁受力状态（用手压、提振动台）的情况下，测应变片阻值，观察一下
应变片阻值变化情况(标有上下箭头的4 片应变片纵向受力阻值有变化；标有左右箭头的2
片应变片横向不受力阻值无变化，是温度补偿片)。如下图1—6 所示。

2、差动放大器调零点：按图1—7 示意接线。将F／V 表的量程切换开关切换到2V 档，合上实验箱主电源开关，将差动放大器的拨动开关拨到“开”位置，将差动放大器的增益电位器按顺时针方向轻轻转到底后再逆向回转半圈，调节调零电位器，使电压表显示电压为零。差动放大器的零点调节完成，关闭主电源。
3、应变片单臂电桥特性实验：
⑴将主板上传感器输出单元中的箔式应变片(标有上下箭头的4 片应变片中任意一片为工作片)与电桥单元中R1、R2、R3 组成电桥电路，电桥的一对角接±4V 直流电源，另一对角作为电桥的输出接差动放大器的二输入端，将W1 电位器、r 电阻直流调节平衡网络接入电桥中(W1 电位器二固定端接电桥的±4V 电源端、W1 的活动端r 电阻接电桥的输出端)，如图1—8 示意接线(粗细曲线为连接线)。

⑵检查接线无误后合上主电源开关，在机头上应变梁的振动台无砝码时调节电桥的直流
调节平衡网络W1 电位器，使电压表显示为0 或接近0(有小的起始电压也无所谓，不影响应
变片特性与实验)。
⑶在应变梁的振动台中心点上放置一只砝码(20g／只)，读取数显表数值，依次增加砝
码和读取相应的数显表值，记下实验数据填入表1。
表1 应变片单臂电桥特性实验数据
重量（g）

电压(mV)

⑷根据表1 数据画出实验曲线并计算灵敏度S＝ΔV/ΔW（ΔV 输出电压变化量，ΔW 重
量变化量）和非线性误差δ(用最小二乘法)，δ=Δm/yFS ×100％式中Δm 为输出值（多次
测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差：yFS 满量程输出平均值，此处为200g。实验完毕，
关闭电源。
8、实验完毕后，应将仪器设备擦试干净，数据线、引线整理就绪，由指导教师验收后方可离开。
五、实验设备、工具及材料
机头中的应变梁、振动台；主板中的F/V 电压表、±4V 电源、箔式应变片输出口、电桥、差动放大器、砝码。
六、实验报告
1、简要说明实验步骤中的注意事项。
2、ΔR 转换成ΔV 输出用什么方法?
3、根据图4 机头中应变梁结构，在振动台放置砝码后分析上、下梁片中应变片的应变
方向(是拉?还是压?)。
4.填写实验数据，绘制实验曲线。
七、预习资料
《工程测试技术》教材第四章
八、实验地点
8103
§2－4 电容式传感器的位移实验
一、实验学时
2
二、实验类别
综合型，必做
三、实验目的
1、掌握电容式传感器结构及其特点。；
2、熟悉电容式传感器测位移的方法。
四、实验过程
1．测微头的组成与使用
测微头组成和读数如下图所示。

图1 测微头
测微头组成： 测微头由不可动部分中的安装套、轴套和可动部分中的测杆、微分筒、微调钮组成。
测微头读数与使用：测微头的安装套便于在支架座上固定安装，轴套上的主尺有两排刻度线，标有数字的是整毫米刻线(1mm/格)，另一排是半毫米刻线(0.5mm/格)；微分筒前部圆周表面上刻有 50 等分的刻线(0.01mm/格)。用手旋转微分筒或微调钮时，测杆就沿轴线方向进退。微分筒每转过 1 格，测杆沿轴方向移动微小位移 0.01 毫米，这也叫测微头的分度值。测微头的读数方法是先读轴套主尺上露出的刻度数值，注意半毫米刻线；再读与主尺横线对准微分筒上的数值、可以估读 1/10 分度，如上图甲读数为 3.678mm，不是3.178mm；遇到微分筒边缘前端与主尺上某条刻线重合时，应看微分筒的示值是否过零，如图乙已过零则读 2.514mm；如上图丙未过零，则不应读为２mm，读数应为1.980mm。
测微头使用：测微头在实验中是用来产生位移并指示出位移量的工具。一般测微头在使用前，首先转动微分筒到 10ｍｍ处(为了保留测杆轴向前、后位移的余量)，再将测微头轴套上的主尺横线面向自己安装到专用支架座上， 移动测微头的安装套(测微头整体移动)使测杆与被测体连接并使被测体处于合适位置(视具体实验而定)时再拧紧支架座上的紧固螺钉。当转动测微头的微分筒时，被测体就会随测杆而位移。
1、差动放大器调零：按图2所示接线。将 F／V 表的量程切换开关切换到 2V 档，合上实验箱主电源开关，将差动放大器的拨动开关拨到“开”位置，将差动放大器的增益电位器按顺时针方向轻轻转到底后再逆向回转半圈， 调节调零电位器， 使电压表显示电压为零。再关闭主电源。

图 2 差动放大器调零接线图
2、 电容传感器的位移测量系统电路调整：
将电容传感器安装在机头的静态位移安装架上(传感器动极片连接杆的标记刻线朝上方)并将引线插头插入传感器输入插座内，如图 3的机头部分所示。再按图3 主板部分的接线示意图接线，将 F／V 表的量程切换开关切换到 20V 档，检查接线无误后合上主电源开关，将电容变换器的拨动开关拨到“开”位置并将电容变换器的增益顺针方向慢慢转到底再反方向回转半圈。
拉出(向右慢慢拉)传感器动极片连接杆， 使连接杆上的第二根标记刻线与夹紧螺母处的端口并齐，调节差动放大器的增益旋钮使电压表显示绝对值为 1V 左右；推进(向左慢慢推)大器的调零旋钮(0 电平迁移)使电压表反方向显示值为 1V 左右。重复这一过程，最终使传感器的二条标记刻线(传感器的位移行程范围)对应于差动放大器的输出为±1V 左右。

图3 电容传感器位移测量系统电路调整安装、接线图
3、安装测微头：
首先调节测微头的微分筒，使微分筒的 0 刻度线对准轴套的 20mm 处，再将测微头的安装套插入静态位移安装架的测微头安装孔内并使测微头测杆与传感器的动极片连接杆吸合；然后移动测微头的安装套使传感器连杆上的第二根标记刻线与传感器夹紧螺母端口并齐后拧紧测微头安装孔上的紧固螺钉，如图 4 机头部分所示。
4、传感器位移特性实验：
安装好测微头后(测微头的微分筒 0 刻度线对准轴套的 20mm 处)，读取电压表显示的电压值为起始点，再仔细慢慢顺时针转动测微头的微分筒一圈 △X=0.5mm(不能转动过量，否则回转会引起机械回程差)从 F／V 表上读出输出电压值，填入下表1，直到传感器连杆上的第一根标记刻线与传感器夹紧螺母端口并齐为止。
表 1 电容传感器测位移实验数据
X(mm)

V(V)

图4 测微头的安装图(机头部分所示)
5、根据表 11 数据作出 △X—V 实验曲线，在实验曲线上截取线性比较好的线段作为测量范围并计算灵敏度 S=△V／ △X 与线性度。实验完毕，关闭所有电源开关。
六、实验设备、工具及材料
机头静态位移安装架、传感器输入插座、电容传感器、测微头、主板F/V 表、电容输出口、电容变换器、差动放大器。
七、实验报告
1、简要说明实验步骤中的注意事项。
2、说明检测设备的基本工作原理；
3、说明无损检测的基本步骤。
八、预习资料
《工程测试技术》教材第四章
九、实验地点
8103

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