机械工程测试技术基础实验指导书.doc

机械工程测试技术实验指导书前 言现代科技的发展，使得改革传统教学方式迫在眉睫！通过增加实验和培训课程，重点培养学生的创造能力和实际操作能力是教学改革的主要内容之一。针对教育部提出的进一步提高高等学校实验室建设和管理水平，推进实验教学改革，保证教学质量的思想，组建一个高水平实验室是提升学科的建设水平必经之路。特别是机械工程测试技术这门课是一门实验性基础科学，主要研究各种物理量的测量原理和测量信号的分析处理方法。它是进行各种科学实验研究和生产过程参数检测等必不可少的手段，它起着类似人的感觉器官的作用。通过测试可以揭示事物的内在联系和发展规律，从而去利用它和改造它，推动科学技术的发展。科学技术的发展历史表明，科学上很多新 的发现和突破都是以测试为基础的。同时，其它领域科学技术的发展和进步又为测试提供了新的方法和装备，促进了测试技术的发展。 在工程技术领域中，工程研究、产品开发、生产监督、质量控制和性能实验等，都离不测试技术。在工程技术中广泛应用的自动控制技术也和测试技术有着密切的关系，测试装置是自动控制系统中的感觉器官和信息来源，对确保自动化系统的正常运行起着重要作用。测试技术几乎涉及任何一项工程领域，简单的测试系统可以只有一个模块，为提高测量精度、增加信号传输、处理、存储、显示的灵活性和提高测试系统的自动化程 度，以利于和其它控制环节一起构成自动化测控系统，在测试中通常先将被测对象输出的物理量转换为电量，然后再根据需要对变换后的电信号进行处理，最后以适 当的形式显示、输出，或者提供给其它自动控制装置。如下图所示。 测量系统组成图 同时我们深知：培养一流的学生离不开一流的师资和一流的教学实验设备。我们追求：使学生能真正掌握所学知识，并将它们更好更快地运用到社会生产实践中去。 由于实验室的建设尚在探索中，本实验指导书必有许多不足之处，请各位老师、同学、同行不吝指教，以便达到更好的效果。一、课程教学与实验教学计划学时比40/8二、适用专业机械设计制造及其自动化专业、机械电子工程专业三、实验目的与基本要求实验目的：通过实践环节使学生进一步理解和掌握课堂上学到的相关原理、定理和方法。掌握常用传感器的使用方法，掌握常用测试仪器的使用方法，掌握信号分析和处理的方法，提高学生的动手能力，从感性认识入手提高学生对测试的理性认识。基本要求：实验前仔细阅读实验指导书中的相关内容；认真填写该实验预习报告；分好小组，安排好实验时间。实验过程中，遵守实验室规则，不经老师允许不能随意连线、开关电源；发现异常情况及时向老师汇报；要详实记录实验数据和实验现象，认真填写经验报告。实验一 认识实验及典型信号频谱分析一、实验目的与要求（一）实验目的1. 在理论学习的基础上，通过本实验熟悉典型信号的波形和频谱特征，并能够从信号频谱中读取所需的信息。2. 了解信号时域和频谱分析的基本方法以及实验仪器设备的使用方法。（二）实验要求1. 简述实验目的和原理。2. 按实验步骤整理出正弦波信号幅值谱、 方波信号幅值谱、 三角波信号幅值谱，说明各信号频谱的特点。3. 将分析结果与理论分析进行对照，说明实际分析结果与理论分析之间的差异，并简要分析产生误差的原因。二、实验设备 1. 信号发生器 台 2. 数字示波器 台3. 频谱分析仪 1台4. 万用表 1块 三、实验内容及步骤（一）实验原理1. 典型信号及其频谱分析的作用频谱分析可用于识别信号中的周期分量，是信号分析中最常用的一种手段。如图1-1，在机床齿轮箱故障诊断中，可以通过测量齿轮箱上的振动信号，进行频谱分析，确定最大频率分量，然后根据机床转速和传动链，找出故障齿轮。正弦波、方波、三角波是实际工程测试中常见的典型信号，这些信号时域、频域之间的关系很明确，并且都具有一定的特性，通过对这些典型信号的频谱进行分析，对掌握信号的特性，熟悉信号的分析方法大有益处，并且这些典型信号也可以作为实际工程信号分析时的参照资料。1-1机床齿轮箱故障诊断图2. 频谱分析的方法及设备信号的频谱可分为幅值谱、相位谱、功率谱、对数谱等等。对信号作频谱分析的设备主要是频谱分析仪，它把信号按数学关系作为频率的函数显示出来，其工作方式有模拟式和数字式二种。模拟式频谱分析仪以模拟滤波器为基础，从信号中选出各个频率成分的量值；数字式频谱分析仪以数字滤波器或快速傅立叶变换为基础，实现信号的时-频关系转换分析。傅立叶变换是信号频谱分析中常用的一个工具，它把一些复杂的信号分解为无穷多个相互之间具有一定关系的正弦信号之和，并通过对各个正弦信号的研究来了解复杂信号的频率成分和幅值。信号频谱分析是采用傅立叶变换将时域信号x(t)变换为频域信号X(f)，从而帮助人们从另一个角度来了解信号的特征。时域信号x(t)的傅氏变换为：式中X(f)为信号的频域表示，x(t)为信号的时域表示，f为频率。3. 周期信号的频谱分析周期信号是经过一定时间可以重复出现的信号，满足条件： x ( t ) = x ( t + nT )从数学分析已知，任何周期函数在满足狄利克利（Dirichlet）条件下，可以展开成正交函数线性组合的无穷级数，如正交函数集是三角函数集（sinn0t,cosn0t）或复指数函数集（ ），则可展开成为傅里叶级数，通常有实数形式表达式：直流分量幅值为： 各余弦分量幅值为： 各正弦分量幅值为： 利用三角函数的和差化积公式，周期信号的三角函数展开式还可写如下形式： 直流分量幅值为： A0 = a0各频率分量幅值为：各频率分量的相位为：式中，T-周期，T=2/0；0-基波圆频率；f0-基波频率；n=0,1, 。为信号的傅立叶系数，表示信号在频率fn处的成分大小。工程上习惯将计算结果用图形方式表示，以fn为横坐标， 为纵坐标画图，则称为实频虚频谱图；以fn为横坐标， 为纵坐标画图，则称为幅值相位谱；以fn为横坐标，An2为纵坐标画图，则称为功率谱，如图1-2所示。图1-2 周期信号的频谱表示方法频谱是构成信号的各频率分量的集合，它完整地表示了信号的频率结构，即信号由哪些谐波组成，各谐波分量的幅值大小及初始相位，从而揭示了信号的频率信息。 4. 非周期信号的频谱分析非周期信号是在时间上不会重复出现的信号，一般为时域有限信号，具有收敛可积条件，其能量为有限值。这种信号的频域分析手段是傅立叶变换。其表达式为： 与周期信号相似，非周期信号也可以分解为许多不同频率分量的谐波和，所不同的是，由于非周期信号的周期 ，基频 ，它包含了从零到无穷大的所有频率分量，各频率分量的幅值为，这是无穷小量，所以频谱不能再用幅值表示，而必须用幅值密度函数描述。非周期信号x(t)的傅立叶变换X(f)是复数，所以有： 式中|X(f)|为信号在频率f处的幅值谱密度，为信号在频率f处的相位差。图1-3 非周期信号的频谱表示方法工程上习惯将计算结果用图形方式表示，以f为横坐标，ReX(f)、ImX(f)为纵坐标画图，则称为时频虚频密度谱图；以f为横坐标，|X(f)|、为纵坐标画图，则称为幅值相位密度谱；以f为横坐标，|X(f)|2为纵坐标画图，则称为功率密度谱，如图1-3所示。与周期信号不同的是，非周期信号的谱线出现在0,fmax的各连续频率值上，这种频谱称为连续谱。（二）实验步骤1. 连接好仪器，把信号发生器的输出端通过信号电缆连接到示波器的信号输入口，选定幅值改变信号的类型和频率观察并记录时域波形。数据记录表如下：（记录信号发生器设定的信号参数，并绘制出所测信号的时域波形）表1 数据记录表（每种波形2种频率，每个频率下调试2种幅值）频率、幅值 类型正弦波方波三角波 2. 连接好仪器，把信号发生器的输出端通过信号电缆连接到频谱分析仪的信号输入口，选定幅值改变信号的类型和频率观察并记录频域特征。数据记录表如下：（实验报告要求给出时域到频域的转化推导，并画出所测信号的幅频谱）3. 实验的心得体会。（结合实验感受和所做实验在日常生活中所能发挥的作用）实验二 桥式测量电路性能实验一、 验目的要求（一）实验目的1、 在理论学习的基础上，通过本实验了解信号放大的方法。2、 掌握桥式测量电路的使用方法。（二）实验要求1、 简述实验目的和原理。2、 按实验步骤整理出信号放大前后的波形3、 将分析结果与理论分析进行对照，说明实际分析结果与理论分析之间的差异，并简要分析产生误差的原因。4、考虑在全桥测量中，当两组对边（Rl、R3为对边）电阻值R相同时，即R1=R3，R2=R4，而R1R2时，是否可以组成全桥二、实验设备应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码、数显表、15V电源、4V电源、万用表，示波器。三、实验内容及步骤（一）测量原理全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，不同的接入邻边，当应变片初始阻值：R1=R2=R3=R4，其变化值R1=R2=R3=R4时，其桥路输出电压。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。(二) 实验步骤1、根据图2-1，应变式传感器已装于应变传感器模板上。传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。加热丝也接于模板上，可用万用表进行测量判别，Rl=R2=R3=R4=350，加热丝阻值为50左右。图2-1 应变式传感器安装示意图2、接入模板电源15V（从主控台引入），检查无误后，合上主控箱电源开关，将实验模板调节增益电位器Rw3顺时针调节大致到中间位置，再进行差动放大器调零，方法为将差放的正、负输入端与地短接，输出端与主控箱面板上数显表电压输入端Vi相连，调节实验模板上调零电位器Rw4，使数显表显示为零（数显表的切换开关打到2V档）。关闭主控箱电源。（注意：当Rw3、Rw4的位置一旦确定，就不能改变，一直到做完实验为止）3、将应变式传感器的其中一个应变片R1（即模板左上方的R1）接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥（R5、R6、R7模块内已连接好），接好电桥调零电位器Rwl，接上桥路电源4V，此时应将4V地与15V地短接（因为不共地）。检查接线无误后，合上主控箱电源开关。调节Rw1，使数显表显示为零。4、根据图2-2接线，在电子秤上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g（或500g）砝码加完。记下实验结果填入表2-1，关闭电源。进行灵敏度和非线性误差计算。表2-2 全桥性能实验接线图表2-1 全桥输出电压与加负载重量值重量(g)放大器输入端电压(mv)放大器输出端电压(mv)5、根据表2-1计算系统灵敏度：S=U/W（U输出电压变化量，W重量变化量）；计算非线性误差：式中m为输出值（多次测量时平均值）与拟合直线的最大偏差；为满量程输出平均值，此处为200g（或500g）。6. 实验的心得体会。（结合实验感受和所做实验在日常生活中所能发挥的作用）实验三 信号调制与解调一、实验目的要求（一）实验目的1、 在理论学习的基础上，通过本实验掌握信号调制、解调和滤波的方法。2、掌握利用交流电桥测量动态应变参数的原理与方法。（二）实验要求1、 简述实验目的和原理。2、思考在交流电桥测量中，对载波频率和调制波频率之间有什么要求?3、按实验步骤整理出信号调制和滤波放大前后的时域波形和频域特征。4、 将分析结果与理论分析进行对照，说明实际分析结果与理论分析之间的差异，并简要分析产生误差的原因。二、实验设备音频振荡器、低频振荡器、万用表、应变式传感器实验模板、相敏检波器模板、双线示波器、振动源、三源板上的应变输出、应变输出专用连接线、频谱分析仪。三、实验内容及步骤（一）基本原理对于交流应变信号用交流电桥测量时，桥路输出的波形为一调制波，不能直接显示其应变值，只有通过移相检波和滤波电路后才能得到变化的应变信号，此信号可以从示波器或用交流电压表读得。（二）实验步骤1、模块上的传感器不用，改为三源板板上的应变输出的应变片，即台面上的应变输出。2、将台面三源板上的应变输出用专用插头连接线插入应变传感器实验模板上的插座中。3、根据图3-1，接好交流电桥调平衡电路及系统，R、RW1、C、RW2为交流电桥调平衡网络。检查接线无误后，合上主控台电源开关，将音频振荡器的频率调节到1KHz左右，幅度调节到10Vp-p。图3-1 应变片振动测量实验接线围4、将低频振荡器输出接入三源板振动源单元中的低频输入插孔，调节低频输出幅度和频率使振动台（圆盘）明显感到振动。5、固定低频振荡器幅度钮旋位置不变，低频输出端接入示波器监测低频频率，调节低频频率，用示波器读出频率改变时低通滤波器输出Vo的电压峰峰值，填入表4-1；用频谱分析仪观察并记录放大器Vo、相敏检波器的Vo及低通滤波器的Vo的频谱。表4-1f（Hz）Vo从实验数据得振动梁的自振频率为（ ）Hz。6. 实验的心得体会。（结合实验感受和所做实验在日常生活中所能发挥的作用）备注电阻应变式传感器从1938年开始使用到目前，仍然是当前称重测力的主要工具，电阻应变式传感器最高精度可达万分之一甚至更高，电阻应变片、电阻应变丝不仅可以直接用以测量机械、仪器及工程结构等的应变，还可以与种种形式的弹性体相配合，组成各种传感器和测试系统。如称重、压力、扭矩、位移、加速度等传感器，常见的应用场合如各种商用电子称、皮带称、吊钩称、高炉配料系统、汽车衡、轨道衡等。附移相器和相敏检波器电路原理图 图3-2 移相器电路原理图图3-3 相敏检波器的电路原理图实验四 振动测量一、 实验目的要求（一）实验目的1、 在理论学习的基础上，通过实验掌握振动测量的方法。2、 掌握差动式电感传感器测量振动的方法。3、 掌握测振装置的组成（二）实验要求1、 简述实验目的和原理。2、 按实验步骤整理出振动梁的幅频特性曲线，指出自振频率的大致值。3、 将分析结果与理论分析进行对照，说明实际分析结果与理论分析之间的差异，并简要分析产生误差的原因。4、利用差动式电感传感器测量振动在应用上有些什么限制?二、实验设备音频振荡器、差动放大器模板、移相器/相敏检波器滤波器模板、测微头、低频振荡器、振动源单元（台面上）、示波器、频谱分析仪、直流稳压电源、差动式电感传感器。三、实验内容及步骤（一）基本原理差动变压器输出电压的有效值可以近似用以下关系式表示：式中Lp、Rp为初级线圈电感和损耗电阻，Ui、为激励电压和频率，M1、M2为初级与两次级间互感系数，由关系式可以看出，当初级线圈激励频率太低时，若Rp22 Lp2则输出电压U。受频率变动影响较大，且灵敏度较低，只有当2 Lp2Rp2时输出Uo与无关，当然过高会使线圈寄生电容增大，对性能稳定不利。（二）实验步骤1、将差动电感式传感器按图4-1，安