测试技术实验指导.doc

第二部分 基本实验指导1 机械参数综合测试系统的组成一、 实验目的1、建立对机械参数电测技术的感性认识，了解测试系统的基本组成。2、了解计算机测试系统的组成。3、巩固和加深理解电阻应变片测量原理。4、认识常用的各类传感器，了解其工作原理及应用。二、 实验原理1、实验装置的组成：由一自由端受动载荷激振的等强度梁，并在其上安装了各种类型的传感器如图1所示。1 等强度悬臂梁2 电阻应变片3 速度传感器4位移传感器 5加速度传感器6激振电机 7 光电转速传感器 图1 实验装置组成2、典型的测试系统：3、信号变换：悬臂梁在动载激振力的作用下，其力学、运动学参数分别由各类传感器将这些待测的非电参数的变化转换成电量的变化。应变（）电阻应变片的阻值变化(R/R)-电压变化位移（S）差动变压器传感器的电压变化速度（V）磁电式速度传感器的电压变化加速度（a）压电式加速度传感器的电荷的变化频率（f）光电转速传感器的光电流的变化4、信号测量：由于经传感器转换所得的电量一般都是很微弱的，不能直接显示或记录下来，必须经过测量电路将这些微弱信号进行放大处理，其测量所用的仪器如下：5、信号分析悬臂梁在受迫振动下，由上述方法测得的五个参数，根据示波图可进行计算、分析。6、包含信号处理功能的测试系统 用典型的CRAS采集、分析处理系统，对信号测试过程的各个环节进行计算机采集、分析处理实验。三、 主要仪器及耗材静态数字电阻应变仪、悬臂梁实验台、压电式加速度传感器、电荷放大器、型动态电阻应变仪、DRVI虚拟仪器、计算机。四、 实验内容和步骤1、利用金属材料的特性，将非电量的变化转换成电量的变化，应变测量的转换元件为应变片，用粘结剂将应变片牢固地贴在试件上，当被测试件受到外力作用长度发生变化时，粘贴在试件上的应变片也发生相应变化，应变片的电阻值也随着发生了变化，这样就把机械量变形，转换成电量电阻值的变化。用灵敏的电阻测量仪器电桥，测出电阻值的变化，就可以换算出相应的应变，如果这个电桥用应变来刻度，就可以直接读出应变，完成非电量的电测。2、 将压电式传感器固定在被测物体上，利用压电晶体材料的压电效应，将被测振动量即加速度转化为电荷量，通过电荷放大器放大，由CRAS采集与分析系统数字化采集数据，由计算机将振动波形显示记录出来。6 差动变面积式电容传感器的特性测试一、 实验目的1、了解差动变面积式电容传感器的原理及其特性。2、掌握电容式传感器的工作原理和测量方法。3、掌握电容式传感器的测量电路的构成和原理。二、 实验原理电容式传感器有多种型式，本仪器中是差动平行变面积式。传感器由两组定片和一组动片组成。当安装于振动台上的动片上、下改变位置，与两组定片之间的重叠面积发生变化，极间电容也发生相应变化，成为差动电容。如将上层定片与动片形成的电容定为Cx1，下层定片与动片形成的电容定为Cx2，当将Cx1和 Cx2接入桥路作为相邻两臂时，桥路的输出电压与电容量的变化有关，即与振动台的位移X有关。三、 主要仪器及耗材电容传感器、电容变换器（或电容放大器）、差动放大器、低通滤波器、电压表、测微头。四、 实验内容和步骤1、差动放大器调零。按图5接线，电容变换器和差动放大器的增益适中。图5 电容式传感器实验电路图2、装上测微仪，带动振动台位移，使电容动片位于两定片之间，此时差动放大器输出为零。3、以此为起点，向上和向下位移电容动片，每次0.5mm，直至动片与一组静片全部重合为止。记录数据，分别填入表1、表2中。五、 数据处理与分析1、根据表中所测数据计算灵敏度S，并分析非线性误差，说明误差产生的原因。2、在坐标纸上描出X - V关系曲线。六、 实验注意事项1、实验前应检查实验接插线是否完好，连接电路时应尽量使用较短接插线，以避免引入干扰。2、接插线插入插孔，以保证接触良好，切忌用力拉扯接插线尾部，以免造成线内导线断裂。3、稳压电源不要对地短路。所有单元电路的地均须与电源地相连。 4、电容动片与两定片之间的片间距离须相等，必要时可稍做调整。位移或振动时均应避免擦片现象，否则会造成输出信号突变。5、如果差动放大器输出跳动幅度或者输出幅值较大，请将电容变换器增益进一步减小。6、电容变换器1、2为差动电容输入，3为输出。七、 思考题1、为什么要采用差动电容结构？2、观察差动电容传感器，试推导覆盖面积而变化的表达式。（设差动电容分别为C1、C2）3、 在测量数据时，测微头向上和向下移动时，电路的输出有何不同？输入输出关系曲线是否重合？为什么？5 螺管型差动变压器式电感传感器的性能与位移测量一、 实验目的1、了解差动变压器的基本结构及工作原理，验证差动变压器的基本特性。2、了解差动变压器零点残余电压产生的原因及补偿方法；3、掌握差动变压器测量系统的组成和标定方法。4、掌握位移量的测量方法。二、 实验原理电感式传感器是一种将位置量的变化转换为电感量变化的传感器，差动变压器由衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈骨架组成，初级线圈做为差动变压器激励用，相当于变压器原边。次级线圈由两个结构尺寸和参数相同的线圈反相串接而成，相当于变压器副边。差动变压器是开磁路，工作是建立在互感基础上的，其原理及输出特性见图3。图3 差动变压器结构原理及输出特性图由于零点残余电压的存在会造成差动变压器零点附近的不灵敏区，此电压经过放大器还会使放大器未级趋向饱和，影响电路正常工作，因此必须采用适当的方法进行补偿使之减小。零点残余电压中主要包含两种波形成份：a、基波分量：这是由于差动变压器二个次级绕组因材料或工艺差异造成等效电路参数（M、L、R）不同，线圈中的铜损电阻及导磁材料的铁损、线圈中线间电容的存在，都使得激励电流与所产生的磁通不同相。b、高次谐波：主要是由导磁材料磁化曲线的非线性引起，由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使激励电流与磁通波形不一致，产生了非正弦波（主要是三次谐波）磁通，从而在二次绕组中感应出非正弦波的电动势。减少零点残余电压的办法是：（1）从设计和工艺制作上尽量保证线路和磁路的对称。（2）采用相敏检波电路。（3）选用补偿电路。三、 主要仪器及耗材差动变压器、电感传感器实验模块、差动放大器、音频振荡器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、螺旋测微仪、数字电压表、双线示波器、砝码、导线等。四、 实验内容和步骤1、按图3接线，差动放大器增益适度，音频振荡器LV端输出KHZ,VP-P值V。图4 电感式传感器实验电路图 2、调节电桥WD 、WA电位器，调节测微头带动衔铁改变其在线圈中的位置，使系统输出为零。3、旋动测微头使衔铁在线圈中上、下有一个较大的位移，用电压表和示波器观察系统输出是否正负对称。如不对称则需反复调节衔铁位置和电桥、移相器，做到正负输出对称。4、旋动测微头，带动衔铁向上mm ,向下mm,每旋一周（0.5mm），记录一电压值并填入表1、表2。五、 数据处理与分析1、根据表中所测数据计算灵敏度S，并分析非线性误差，说明误差产生的原因。2、在坐标纸上描出X - V关系曲线。六、 实验注意事项1、实验前应检查实验接插线是否完好，连接电路时应尽量使用较短接插线，以避免引入干扰。2、接插线插入插孔，以保证接触良好，切忌用力拉扯接插线尾部，以免造成线内导线断裂。3、照线路图，应在确保接线无误后才能开启电源。4、差动变压器的激励源必须从音频振荡器的电流输出口(LV插口)输出。5、差动变压器的两个次级线圈必须接成差动形式。6、系统标定时用双踪示波器CH1、CH2通道分别接入相敏检波器1、2端口，用手将衔铁位置压到最低，调节电桥、移相器，当CH1、CH2所观察的波形正好同相或反相时，则系统输出可做到正负对称。7、注意示波器应先通电预热后，再接入电路中观察波形，否则容易烧毁传感器电路。8、差动放大器的增益要比较小，稍有增益即可。示波器的“触发”也要选择正确。9、差动变压器与示波器的连线应尽量短一些，以免引入干扰七、 思考题1、简述差动变压器的工作原理，并说明差动变压器与一般普通变压器有什么区别？2、在测量数据时，测微头向上和向下移动时，电路的输出有何不同？输入输出关系曲线是否重合？为什么？3、移向器、相敏检波电路、低通滤波器在测量系统中有什么样的作用？4 金属箔式应变片与三种测量桥路的比较一、 实验目的1、测试应变梁变形的应变输出。2、掌握应变片单臂、半桥、全桥的工作原理和工作情况。3、验证应变片单臂、半桥、全桥的性能及相互之间的关系。二、 实验原理应变片将应变的变化转换成电阻的相对变化，还要把电阻的变化再转换为电压或电流的变化，才能用电测仪表进行测量，通常采用电桥电路来实现微小阻值变化的转换。图1 电桥电路图图1是一个直流电桥，它的四个桥臂由电阻、组成，电阻的相对变化率分别为、，且，是供桥电压，则桥路输出电压为：当电桥平衡时，桥路相对臂电阻乘积相等，电桥输出电压为零，且注意相对臂受力方向一致，相邻臂受力方向相反。根据电桥工作时参与工作的桥臂可分为：单臂、半桥和全桥三种形式。当四个桥臂都为应变片时，桥路的输出电压约为： 当单臂工作时： 输出电压 电桥电压灵敏度当和双臂工作时：输出电压电桥电压灵敏度当、全桥工作时：电桥电压灵敏度由此可知，单臂、半桥、全桥电路的灵敏度依次增大；当E和电阻相对变化一定时，电桥的输出电压及其电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。三、 主要仪器及耗材直流稳压电源（4V）、电桥、差动放大器、贴于主机工作台悬臂梁上的箔式应变片、螺旋测微仪、称重砝码、数字电压表、加热器、导线等。四、 实验内容和步骤1、 设定旋钮的初始位置：直流稳压电源打到2V档，电压表打到2V档，差动放大器增益打到最大。2、 差动放大器调零：开启仪器电源，差动放大器增益置于最大位置（顺时针方向旋到底），差放的正负输入端与地端连接在一起。输出端接数字电压表2V档。开启主机电源，用调零电位器调整差动放大器输出电压为零，然后拔掉实验线。调零后仪器面板上的“增益、调零”电位器均不应再变动。如果使用毫伏表，则使毫伏表输入端对地短路，调整“调零”电位器，使指针居“零”位。拔掉短路线，指针有偏转是有源指针式电压表输入端悬空时的正常情况。调零后关闭仪器电源。测微头装于悬臂梁前端的永久磁钢上，并调节使应变梁处于基本水平状态。3、按图2将各部件连接成测量线路。桥路中R1、R2、R3和 Wd 为可调电位器，r为调平衡电阻，R4为工作应变片（可任选上、下梁中的一片工作片）。直流激励电源为 4V 。图24、确认接线无误后开启仪器电源，并预热数分钟，使电路工作趋于稳定。 选择适当的放大增益，然后调节电桥Wd 电位器，使电压表输出为零。5、加上砝码，每加一个读数，将测得数值填入下表：重量W(g)电压V(mV)6、保持放大器增益不变，将R3换为与R4工作状态相反的另一应变片，形成半桥，调整电桥平衡电位器，使电压表输出为零。然后依次加上砝码，同样测出读数，填入下表：重量W(g)电压V(mV)7、保持差动放大器增益不变，将R1，R2两个电阻换成另两片工作片，接成一个直流全桥，通过电桥平衡电位器调好零点。依次加上砝码，将读出数据填入下表：重量W(g)电压V(mV)五、 数据处理与分析1、根据表中所测数据计算灵敏度S ，并比较大小。2、分析非线性误差，并说明误差产生的原因。3、在同一坐标纸上描出W - V关系曲线。六、 实验注意事项1、实验前应检查实验接插线是否完好，连接电路时应尽量使用较短接插线，以避免引入干扰。2、接插线插入插孔，以保证接触良好，切忌用力拉扯接插线尾部，以免造成线内导线断裂。3、稳压电源不要对地短路。所有单元电路的地均须与电源地相连。4、半桥和全桥实验时，应变片接入电桥时注意其受力方向。尤其在做全桥实验时，一定要保证电路中相对臂工作方向相同。5、直流稳压电源不能过大，以免损坏应变片。6、在更换桥路连接时，应先将电源关闭，再接线，以免损