机械工程测试技术实验指导书.doc

机电工程测试技术 实实 验验 指指 导导 书书 主编主编 黄华川黄华川 西南科技大学制造科学与工程学院西南科技大学制造科学与工程学院 20062006 年年 1111 月月 目 录 实验一实验一 箔式应变片性能箔式应变片性能 单臂双臂全桥桥路性能比较单臂双臂全桥桥路性能比较 1 实验二实验二 霍尔式传感器的直流激励特性霍尔式传感器的直流激励特性 4 实验三实验三 电容式传感器特性电容式传感器特性 7 实验四实验四 电子秤设计与制作电子秤设计与制作 9 实验五实验五 差动螺管式电感传感器的静态位移性能差动螺管式电感传感器的静态位移性能 10 实验六实验六 热电偶的温度效应热电偶的温度效应 12 附录附录 14 实验一实验一 箔式应变片性能箔式应变片性能 单臂双臂全单臂双臂全 桥桥路性能比较桥桥路性能比较 一 实验目的 1 观察了解箔式应变片的结构及粘贴方式 2 测试应变梁变形的应变输出 3 比较各桥路间的输出关系 验证灵敏度 二 实验仪器和设备 序号设备名称规格型号数量 1 传感器综合实验台 XXXX4 2 导线若干 三 实验简介 1 实验类别 验证性 2 实验原理 图 1 图 2 图 3 分别表示了单臂半桥 双臂半桥和四臂全桥电路的实验原理图 其中 的 R R1 R2 R3 表示固定电阻 Rx 表示应变片 4110 538 2 7 11 Rx R3 R1 R2 W1 R 直流稳压电源 电桥平衡网络差分放大器 V 直流电压表 4V 4V 图 1单臂半桥实验原理图 4110 538 2 7 11 Rx Rx R1 R2 W1 R 直流稳压电源 电桥平衡网络差分放大器 V 直流电压表 4V 4V 图 2双臂半桥实验原理图 4110 538 2 7 11 Rx Rx Rx Rx W1 R 直流稳压电源 电桥平衡网络差分放大器 V 直流电压表 4V 4V 图 3四臂全桥实验原理图 3 实验流程 分别完成单臂半桥 双臂半桥和四臂全桥电路的实验 记录相关数据 最后对各种电 路进行比较 四 实验步骤及内容 1 单臂半桥实验 1 观察梁上应变片 并且了解结构和粘贴位置 对应受力 变形方向 2 将差动放大器调零 用导线将差动放大器的正负输入端与地端连接起来 然后将差 动放大器的输出端接至电压表的输入端 电压表的量程取 2V 档 调整差动放大器上的调 零旋钮 使电压表指示为零 稳定后去除差动放大器输入端的导线 3 根据图 1 的电路结构 将一片应变片与电桥平衡网络 差动放大器 电压表 直流 稳压电源连接起来 组成一个测量线路 这时直流稳压电源应置于 0V 档 电压表应置于 20V 档 此时 应变片接入图 1 的 Rx 位置 4 转动测微器 将梁上振动平台中间的磁铁与测微头相吸 必要时松开测微器的固定 螺钉 使之完全可靠吸附后 再拧紧固定螺钉 并使双平行梁处于 目测 水平位置 5 将直流稳压电源输出置于 4V 档 调整电桥平衡电位器 W1 使电压表指示为零 稳 定数分钟后 将电压表量程置于 2V 档后 再仔细调零 6 往下旋动测微器 使梁的自由端往下产生位移 记下电压表显示的数值 每次位移 0 5mm 记一个电压数值 将所记数据填入下表 X mm V mV 2 双臂半桥实验 1 根据图 2 的电路结构 将两片应变片与电桥平衡网络 差动放大器 电压表 直流 稳压电源连接起来 组成一个测量线路 这时直流稳压电源输出应置于 0V 档 电压表 应 置于 20V 档 此时两片应变片处于 Rx 位置组成半桥 2 转动测微器 使双平行梁处于 目测 水平位置 再向上位移 5mm 使梁的自由端 往上位移 3 将直流稳压电源置于 4V 档 调整电桥平衡电位器 W1 使电压表指示为零 稳定数 分钟后 将电压表量程置于 2V 档后 再仔细调零 4 往下旋动测微器 使梁的自由端产生位移 记下电压表显示的数值 每隔 1mm 记一 个数值 将所记数据填入下表 X mm V mV 5 将受力方向相反的两片应变片换成同方向应变片后 情况又会怎样 3 四臂全桥实验 1 根据图 3 的电路结构 将四片应变片与电桥平衡网络 差动放大器 电压表 直流 稳压电源连接起来 组成一个测量线路 这时直流稳压电源输出应置于 0V 档 电压表应置 于 20V 档 此时四片应变片组成全桥 2 转动测微器 使双平行梁处于 目测 水平位置 再向上位移 5mm 使梁的自由端 往上位移 3 将直流稳压电源置于 4V 档 调整电桥平衡电位器 W1 使电压表指示为零 稳定数 分钟后 将电压表量程置于 2V 档后 再仔细调零 4 往下旋动测微器 使梁的自由端产生位移 记下电压表显示的数值 每次位移 1mm 记一个电压数值 将所记数据填入下表 X mm V mV 五 注意事项 1 应变片接入电桥时注意其受力方向 一定要接成差动形式 2 直流激励电压不能过大 以免造成应变片自热损坏 六 实验报告 1 及时编写实验报告书 实验二实验二 霍尔式传感器的直流激励特性霍尔式传感器的直流激励特性 一 实验目的 了解霍尔式传感器的结构 工作原理 学会用霍尔传感器做静态位移测试 二 实验仪器和设备 序号设备名称规格型号数量 1 传感器综合实验台 XXXX4 2 导线若干 三 实验简介 1 实验类别 验证性 2 实验原理 1 霍尔效应 图 1霍尔效应原理图 如图 1 所示 金属或半导体薄片 若在它的两端通过控制电流I 并在薄片的垂直方 向上施加磁感应强度为B的磁场 那么在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势 H U 这种现象称为霍尔效应 产生的电动势称为霍尔电动势或霍尔电势 该金属或半导体薄片称为霍尔元件 霍尔电势大小表示为 H H R IB U d 其中 为霍尔常数 d表示霍尔元件的厚度 H R 1 H R ne 令 则有 霍尔电动势的大小同控制电流I和磁感应强度B HH KRd HH UK IB 的乘积成正比 霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛仑磁力作用的结果 当控制电流的方向或磁场的方向改变时 输出电动势的方向也将改变 但当磁场与电 流的方向同时改变时 霍尔电动势并不改变原来的方向 磁场的梯度越大测量的灵敏度越高 沿霍尔元件移动方向的磁场梯度越均匀 霍尔电 势与位移的关系越接近线性 2 直流 交流激励下霍尔传感器的位移特性 霍尔传感器是由两个半圆形永久磁钢组成梯度磁场 位于梯度磁场中的霍尔元件 霍 尔片通过底座与被测振动台相连 当霍尔片通以恒定电流时 霍尔元件就有电压输出 改 变振动台的位置 霍尔片就在梯度磁场中上 下移动 输出的霍尔电势 V 值取决于其在磁 场中的位移量 Y 交流激励霍尔元件与直流激励基本原理相同 不同之处是测量电路 3 霍尔位移传感器的振幅测量 利用霍尔式位移传感器测量动态参数与测量位移的原理相同 4 霍尔位移传感器称重实验 利用霍尔式位移传感器和振动台加载时悬臂梁产生位移 通过测位移来称重 5 霍尔测速传感器的转速测量 利用霍尔效应表达式 当被测圆盘上装上 N 只磁性体时 圆盘每转一 HH UK IB 周磁场就变化 N 次 每转一周霍尔电势就同频率相应变化 输出电势通过放大 整形和计 数电路就可以测量被测旋转物的转速 四 实验步骤及内容 1 观察霍耳式传感器的结构 根据图 2 b 的电路结构 将霍尔式传感器 直流稳压电 源 电桥 差动放大器 电压表连接起来 组成一个测量线路 这时直流稳压电源应置于 0V 档 电压表应置于 20V 档 W1 R 直流稳压电源 电桥平衡网络差分放大器 V 直流电压表 2V 2V 霍尔式传感器 b NS SN a 运动方向 环形磁铁 图 2霍尔传感器实验原理图 2 转动测微器 使双平行梁处于 目测 水平位置 再向上转动 2mm 使梁的自由端 往上位移 3 将直流稳压电源置于 2V 档 调整电桥平衡电位器 W1 使电压表指示为零 稳定数 分钟后 将电压表量程置于 2V 档后 再仔细调零 4 往下旋动测微器 使梁的自由端产 生位移 记下电压表显示的数值 每次位移 0 4mm 记一个电压数值 将所记数据填入下表 根据所得结果计算灵敏度 S S V X 式中 V 为电压变化 X 为相应的梁端位移 变化 并做出 V X 关系曲线 X mm V mV 五 注意事项 1 双平行梁处于 目测 水平位置时 霍耳片应处于环形磁铁的中间 2 直流激励电压不能过大 以免损坏霍耳片 3 本实验测出的实际上是磁场的分布情况 它的线性越好 位移测量的线性度也越好 它的变化越陡 位移测量的灵敏度也就越大 六 实验报告 1 及时编写实验报告书 实验三实验三 电容式传感器特性电容式传感器特性 一 实验目的 掌握电容式传感器的工作原理和测量方法 二 实验仪器和设备 序号设备名称规格型号数量 1 传感器综合实验台 XXXX4 2 导线若干 三 实验简介 1 实验类别 验证性 2 实验原理 当忽略边缘效应时 平板电容器的电容量 C 可表示为 0rS S C dd 式中 S 极板相互遮盖面积 极板间介质的介电常数 D 两平行极板间距离 由上式可见 在 S d 三个参量中 只要保持其中两个不变 改变其中的一个 均 可使电容量 C 改变 这就是电容感器的工作原理 根据电容器变化的参数 电容式传感器可以分为三种型式 改变极板距离 d 的变间隙 式 极距变化型 改变极板面积 S 的变面积式 面积变化型 改变介质介电常数 的变 介电常数式 介质变化型 根据上述原理可制成测谷物干燥度 变 测微小位移 变 d 和测量液位 变 S 等多种电容传感器 四 实验步骤及内容 1 转动测微器 将梁上振动平台中间的磁铁与测微头相吸 使双平行梁处于水平 目 测 位置 这时电容片的一组动片一般位于上下两组定片的中间 2 根据图 1 的电路结构 将电容片的动片和 任意 一组定片 与电容变换器 差动 放大器 差动放大器 直流稳压电源 电桥 低通滤波器 电压表连接起来 组成一个测 量线路 15电容变换器 W1 r 2V 2V V 电容传感器差动放大器 直流稳压电源 电桥平衡网络 低通滤波器电压表 图 1电容传感器实验原理 3 直流稳压电源置于 2V 档 调整电桥平衡电位器 W1 使电压表指示为 0 4 往下调节测微器 使梁的自由端发生向下位移 从而改变传感器动片与定片的相对 位置 即改变覆盖面积 每位移 0 5mm 记一个电压表数值 将所记数据填入下表 根据 所得数据计算灵敏度 S S V X 式中 V 为电压变化 X 为相应的梁端位移变化 并做出 V X 关系曲线 X mm V mV 五 注意事项 电容片的一组动片和两组定片不能相碰 六 实验报告 1 及时编写实验报告书 实验四实验四 电子秤设计与制作电子秤设计与制作 一 实验目的 1 了解传感器的特性与应用 2 掌握电子秤的制作过程 二 实验仪器和设备 序号设备名称规格型号数量 1 传感器综合实验台 XXXX4 2 导线若干 三 实验简介 1 实验类别 设计性 2 实验原理 学生根据所学测试技术知识 利用现有传感器实验台提供的传感器和设备 自拟实验 原理和所需元部件 四 实验步骤及内容 学生根据所学测试技术知识 在现有传感器实验台的基础上设计一个 0 0 5Kg 的电子 秤 五 注意事项 1 砝码和被称重物都不应太重 2 砝码应置于平台的中间部分 避免平台倾斜 六 实验报告 1 及时编写实验报告书 实验五实验五 差动螺管式电感传感器的静态位差动螺管式电感传感器的静态位 移性能移性能 一 实验目的 1 了解差动变压器式电感传感器的原理和工作情况 2 了解激励频率对差动变压器输出的影响 3 掌握差动变压器零点残余电压补偿的方法 4 掌握使用差动变压器对振动量进行测量的方法 二 实验仪器和设备 序号设备名称规格型号数量 1 传感器综合实验台 XXXX4 2 导线若干 三 实验简介 1 实验类别 验证性 2 实验原理 1 差动变压器性能实验 差动变压器的基本元件有衔铁 初级线圈 次级线圈和线圈骨架等 初级线圈作为差 动变压器激励部分 相当于变压器的原边 而次级线圈由两个结构尺寸和参数相同的两个 线圈反相串接而成 形成变压器的副边 根据内外层排列不同 差动变压器有二段式和三 段式 本实验采用三段式结构 传感器随着被测物体移动时 由于初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化促使次级 线圈感应电势产生变化 一只次级感应电势增加 另一只感应电势则减小 将两只次级反 向串接 就为其差动输出 该输出电势则反映出被测物体的移动量 2 激励频率对差动变压器特性的影响 差动变压器的输出电压的有效值可以近似表示为 12 0 222 i Pp MM U U RL 其中 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 于两次极间互感系数 由关系式可以看出 当初级线圈激励频率太低时 若 222 PP RL 则输出电压 Uo 受频率变动影响较大 且灵敏度较低 只有当时输出 Uo 与 222 PP LR 无关 当然 过高会使线圈寄生电容增大 对其性能稳定不利 3 差动变压器零点残余电压测定及补偿方法 由于差动变压器二只次级线圈的等效参数不对称 初级线圈的纵向的排列不均匀性 二次级的不均匀 不一致 铁芯 B H 特性的非线性等 使得铁芯处于机械零位时其输出电 压并不为零 称其为零点残余电压 由于残余电压的存在会造成零点附近的不灵敏区 输入放大器还会使放大器末级趋向 饱和 影响电路的正常工作 因此必须采用适当的方法进行补偿 4 差动变压器的应用 振动测量 差动变压器测量动态参数与测静态位移量的原理相同 四 实验步骤及内容 音频振荡器 差动变压器示波器 图 1差动螺管式电感传感器实验原理图 1 根据图 1 的电路结构 将差动变压器式电感传感器 音频振荡器 双线示波器连接 起来 组成一个测量线路 将示波器探头分别接至差动变压器式电感传感器的输入端和输 出端 2 转动测微器 使双平行梁处于 目测 水平位置 再向上转动测微器 5mm 使梁的 自由端往上位移 3 往下旋动测微器 使梁的自由端产生位移 每位移 1mm 用示波器读出差动变压器 输出端的峰峰值填入下表 根据所得数据记计算灵敏度 S S V X 式中 V 为电压变 化 X 为相应的梁端位移变化 并作出 V X 关系曲线 X mm Vo p p 五 注意事项 1 音频振荡器的信号必须从 LV 输出端输出 2 双平行梁处于 目测 水平位置时 示波器上观察到的差动变压器式电感传感器的 输出端信号应为最小 否则要调整电感中磁棒的位置 3 差动变压器次级的两个线圈必须接成差动形式 同名端相接 六 实验报告 1 及时编写实验报告书 实验六实验六 热电偶的温度效应热电偶的温度效应 一 实验目的 了解热电偶的工作原理和工作情况 二 实验仪器和设备 序号设备名称规格型号数量 1 传感器综合实验台 XXXX4 2 导线若干 三 实验简介 1 实验类别 验证性 2 实验原理 将两种不同的导体 金属或半导体 A 和 B 的两端连接在一起组成闭合回路 当两导 体的两个接点处于不同的温度 T 和 T0 的热源中时 则在该回路内就会产生热电动势 这一 现象称为热电效应 或称温差电效应 塞贝克效应 这样的两种不同导体的组合称为热电偶 导体 A B 称为热电极 测量温度时 两个连接点中置于被测温度场 T 的一端称为工作端 或叫测量端 热 端 另一个接点置于某个恒定温度 T0 的地方 称为自由端 或叫参考端 冷端 在热电偶回路中 两接点温度为 T T0 时的热电势等于该热电偶在接点温度为 T Tn 和 Tn To 时热电势的代数和 即 EAB T To EAB T Tn EAB Tn To 根据这一定律 只要给出热电偶自由端为 0 时的热电势和温度的关系 即下表所列 的热电偶的分度表 就可求出两接点在任意温度时的热电势 再求出测量端的温度来 本实验中 先根据温度计读出的室温 从分度表中表出 EAB Tn To 再加上电压表读出 的工作端热电势 EAB T Tn 求出 EAB T To 而后从分度表中查出工作端温度来 四 实验步骤及内容 V 热电偶 直流电压表 T Tn To 图 1热电偶温度效应实验原理图 1 根据图 1 的电路结构 将热电偶和电压表连接起来 组成一个测量线路 加热器处 于关闭状态 记录下水银温度计的读数 即室温 2 按下加热器开关 这时电压表显示的数值会慢慢发生变化 当变化趋于稳定时 到达热平衡需要一定的时间 记录电压表显示的数值与水银温度计的读数 3 根据热电偶中间温度定律的计算公式 试计算出工作端的温度 并与水 银温度计的读数进行比较 X 为相应的梁端位移变化 并作出 V X 关系曲线 X mm Vo p p 五 注意事项 1 水银温度计探头安置时 不要放在应变片上 只要触及应变片附近的梁体即可 2 本实验仪采用的热电偶材料为铜 康铜 3 本实验仪中 有 2 组热电偶 成串联接法 所以电压表显示的热电势是 2 组热电偶 产生的电势的总和 公式计算时 应将电