機械工程測試技術實驗指導書

1、機械工程實 驗 指 導 書機械工程測試技術指導教師：劉吉軒西安交通大學機械基礎實驗教學中心2010年5月目 錄實驗一 信號分析與測量裝置特性仿真實驗21、 信號分析虛擬實驗22、 測試裝置動態(tài)特性仿真實驗6實驗二 機械工程測試虛擬儀器設計實驗11實驗三 傳感器性能標定實驗171、 金屬箔式應變片單臂電橋性能實驗172、 電渦流位移傳感器性能實驗193、 傳感器動態(tài)性能標定實驗20附錄：（有關儀器使用指南）27實驗四 動態(tài)測量信號調理實驗281、 壓電式傳感器測振動實驗282、 電渦流傳感器測量振動實驗293、 光電轉速傳感器的轉速測量實驗304、 交流全橋的振動測量實驗31實驗一 信號分析與測

2、量裝置特性仿真實驗1、 信號分析虛擬實驗一、實驗目的1 理解周期信號可以分解成簡諧信號，反之簡諧信號也可以合成周期性信號；2 加深理解幾種典型周期信號頻譜特點；3通過對幾種典型的非周期信號的頻譜分析加深了解非周期信號的頻譜特點。二、實驗原理信號按其隨時間變化的特點不同可分為確定性信號與非確定性信號。確定性信號又可分為周期信號和非周期信號。本實驗是針對確定性周期信號和非周期信號進行的。1、周期性信號的描述及其頻譜的特點 任何周期信號如果滿足狹義赫利條件，即：在一個周期內如果有間斷點，其數目應為有限個；極大值和極小值的數目應為有限個；在一個周期內f(t) 絕對可積，即： 則f(t)可以展開為傅立葉

3、級數的形式，用下式表示：式中：是此函數在一個周期內的平均值,又叫直流分量。它是傅氏級數中余弦項的幅值。它是傅氏級數中正弦級數的幅值。是基波的圓頻率。在數學上同樣可以證明，周期性信號可以展開成一組正交復指數函數集形 式，即：式中：為周期性信號的復數譜，其中m就為三角級數中的k. 。以下都以k 來說明。由于三角級數集和指數函數集存在以下關系： 所以，兩種形式的頻譜存在如下關系。即： ； 由此可見，一復雜的周期性信號是由有限多個或無限多個簡諧信號疊加而成，當然，反之復雜的周期性信號也就可以分解為若干個簡諧信號。這一結論對工程測試極為重要，因為當一個復雜的周期信號輸入到線性測量裝置時，它的輸出信號就相

4、當于其輸入信號所包含的各次簡諧波分量分別輸入到此裝置而引起的輸出信號的疊加。周期性信號的頻譜具有三個突出特點：、周期性信號的頻譜是離散的；、每條譜線只出現在基波頻率的整倍數上，不存在非整倍數的頻率分量；、各頻率分量的譜線高度與對應諧波的振幅成正比。本實驗中信號的合成與分解時輸入信號包含有正弦波、余弦波，以及周期性的方波、三角波、鋸齒波和矩形波。2、非周期信號的描述及其頻譜特點設有非周期信號f(t)，由它可構造出一個周期信號重復一次而形成。（周期 T應選的足夠大，使得f(t)形狀的脈沖信號之間沒有重疊現象），是周期信號，故可以展開為指數函數的傅里葉級數，如果使周期T，則周期信號就轉變成非周期信號

5、。即：式中T為周期，w0=2p/T代表相鄰兩根譜線之間的最小間隔或增量,故可以寫成 即非周期信號相鄰兩根譜線之間的距離將趨近于0，間斷譜就變成了連續(xù)譜，而f(t)中頻率是kw0的分量的振幅ck則趨近于零，但頻譜形狀不會改變。利用上面的理論對幾種典型的非周期函數進行頻譜分析，如閘門函數、沖擊函數、正弦掃頻函數等（請參閱教材）。非周期信號的頻譜特點是連續(xù)的。非周期信號的頻譜分析是通過傅里葉變換實現的，實際應用中一般采用快速傅里葉變換（FFT）實現。三、實驗內容在計算機上使用信號分析虛擬實驗教學軟件對幾種典型的周期性信號進行分解與合成，并對非周期性信號進行頻譜分析。1、 周期信號分解分別對方波、三角

6、波、鋸齒波等幾種典型的復雜周期性信號進行分解，在確定頻率、幅值和初相位的情況下，觀察和分析各自的頻譜特點及其諧波構成特點，并驗證理論的正確性。2、 周期信號合成分別對兩個以上的同頻率或不同頻率的正弦信號（幅值和初相位可以是相同或不同）進行合成，觀察和分析合成后的波形及其頻譜。根據周期性信號描述的理論知識，恰當地選取幾個正弦信號（或余弦信號）試合成三角波和方波，觀察和分析合成后的波形及其頻譜變化情況。3、 非周期性信號頻率分析對閘門函數、沖擊函數、正弦掃頻函數、單邊指數函數等非周期性信號進行頻譜分析，也可對自定義函數進行頻譜分析。四、軟件使用方法簡介（實驗步驟）測試技術教學實驗系統(tǒng)軟件是在Win

7、dows2000環(huán)境下，由LabView運行庫支持運行。執(zhí)行該軟件后先進入主菜單，主菜單中有四個選擇項，可以通過鼠標左鍵進行選擇。當點擊了信號分解或信號合成按鈕并確定之后，就進入下一級菜單。在信號分解子菜單中有如下的一面板：面板左邊第一項為輸入波形設置開關，點擊彈出波形設置面板，可選擇波形的種類（正弦波、余弦波、方波、三角波、鋸齒波等）、頻率、幅值和初相角等。面板左邊第二項為一顯示窗口，用來顯示輸入波形分解后的基頻。面板左邊第二項為顯示分解后的諧波波形選擇項。缺省設置為顯示直流成分，和1、2、3次諧波波形。最后一項為退出。在信號合成子菜單中有如下的一面板：面板左邊第一項為顯示輸入波形選擇開關，

8、用來選擇屏幕左邊四個小示波器所顯示的波形。缺省設置為顯示第0、1、2、3條波形。屏幕右邊是合成后的波形顯示。面板左邊第二項是用來控制被選擇的波形是否進行疊加。這是8個按鈕開關，可用鼠標點擊來控制。當此開關打開時所對應的波形將進行合成，否則不進行合成。8個按鈕從左到右對應0到7號選擇波形。當8個按鈕都被選擇時，輸入的波形數可達到255條。面板左邊第三項是用來控制彈出一個波形設置面板，可設置波形的種類、頻率、幅值和初相等。也可自定義輸出波形，自定義的波形公式直接文本框中（注：寫完后不要回車）。用“t”代表時間，即可表示某種波形隨時間變化的規(guī)律。如：“sin(5t)”。最后一項為退出。在非周期性信號

9、頻譜分析子菜單中：當點擊進入“非周期性信號頻譜分析”時，屏幕左上角的信號源的設置中設置信號的參數。在左邊中部“信號源開關”中選擇需要顯示的波形即可。一次可選擇多個波形，輸出的波形即為多個波形的疊加。在屏幕的右部顯示輸出的波形及其幅值譜。五、實驗報告要求1、總結周期性信號的頻譜特性以及對稱性對周期信號頻譜的影響。2、總結非周期性信號的頻譜特性。3、寫出本次實驗的體會。2、 測試裝置動態(tài)特性仿真實驗一、實驗目的1、加深對一階測量裝置和二階測量裝置的幅頻特性與相頻特性的理解；2、加深理解時間常數變化對一階系統(tǒng)動態(tài)特性影響；3、加深理解頻率比和阻尼比變化對二階系統(tǒng)動態(tài)特性影響；4、使學生了解允許的測量

10、誤差與最優(yōu)阻尼比的關系。二、實驗原理一階測量裝置動態(tài)特性一階測量裝置是它的輸入和輸出關系可用一階微分方程描述。一階測量裝置的頻率響應函數為：式中：SS為測量裝置的靜態(tài)靈敏度；t為測量裝置的時間常數。一階測量裝置的幅頻特性和相頻特性分別為：可知，在規(guī)定SS=1的條件下，A（w）就是測量裝置的動態(tài)靈敏度。當給定一個一階測量裝置，若時間常數t確定，如果規(guī)定一個允許的幅值誤差e，則允許測量的信號最高頻率wH也相應地確定。為了恰當的選擇一階測量裝置，必須首先對被測信號的幅值變化范圍和頻率成分有個初步了解。有根據地選擇測量裝置的時間常數t，以保證A（w）1-e 能夠滿足。2、二階測量裝置動態(tài)特性二階測量裝

11、置的幅頻特性與相頻特性如下： 幅頻特性 相頻特性 （）是和/的函數，即具有不同的阻尼比的測試裝置當輸入信號頻率相同時，應具有不同的幅值響應，反之，當不同的頻率的簡諧信號送入同一測試裝置時它們的幅值響應也不相同，同理具有不同的阻尼比的測試裝置當輸入信號頻率相同時，應有不同的相位差。(1).當=0時，（）=1;(2).當，A（）=0;(3).當0.707時隨著輸入信號頻率的加大，（）單調的下降, 0.707時（）的特性曲線上出現峰值點;(4)如果=0，顯然，其峰值點出現在=處。其值為“”，當從0向0.707變化過程中隨著的加大其峰值點逐漸左移，并不斷減小。對以上二階環(huán)節(jié)的幅頻特性的結論論證如下：(

12、1).當=0時A()=1(2).當時,A()=0(3).要想得到A()的峰值就要使 中的取最小值。令:t= 對其求導可得t=1-2時,f(t)取最小值.由于t=0,所以1-20, 必須小于1/2時,f(t)才有最小值,即時，A()不出現峰值點;當時,f(t)對求導得，可以看出f(t):屬于0，時單調遞增，于是得A()的峰值點A為; 在屬于0，遞減。(4).當=0時 A=，t=，/=1,即=0時A()的峰值為，且必出現在/=1時，當=時,t=0=0，A()=1. 還可以看出，在屬于0，增大時t=1-2就減小，即f(t)的峰值左平移。（二）阻尼比的優(yōu)化 在測量系統(tǒng)中，無論是一階還是二階系統(tǒng)的幅頻特

13、性都不能滿足將信號中的所有頻率都成比例的放大。于是希望測量裝置的幅頻特性在一段盡可能寬的范圍內最接近于1。根據給定的測量誤差，來選擇最優(yōu)的阻尼比。 首先設允許的測量誤差，由第一部分可知，存在一個使得A(w)峰值接近于 1+A，即直線A=1+A與A(w)相切，且切與A(w)的峰值點。設這個峰值點為，（1）當0時 ，A(w)與直線A=1+A有兩個交點為A,B（2）當時無交點。（3）無論取何值，A(w)與A=1-A只有一個交點。 從圖中可以看出，0時,環(huán)節(jié)的通頻帶為（0，）;時,通頻帶為（0，）.此時找出兩種情況下的最寬的通頻帶，在進一步比較兩個通頻帶，其中寬的就是誤差為A時的最寬的通頻帶。 由于=

14、時,A(w)與直線A=1+A相切,于是可解的: 令,于是: 分別以和為目標函數,以0和為約束條件，用0.618法求和的最大值。由于求目標函數的極大化就等于求函數- f(t)的極小化，于是求和的極大化就等于求函數-和-的極小化。它們可以分別寫成:其中0，0 其中，0 。對以上兩個數學模型用0.618法得到最優(yōu)解分別為（），（）.三、實驗內容1、一階測量裝置的動態(tài)特性仿真選擇虛擬的一階測量裝置，分別在不同的輸入信號：周期性信號（正弦波、方波、三角波、鋸齒波等）、沖擊信號、正弦掃描信號、及采樣函數信號等情況下，改變時間常數，觀察和分析一階測量裝置的動態(tài)特性變化情況。根據給定的幅值測量誤差，選擇最優(yōu)的

15、時間常數，確定有效的頻率測量范圍。1、 二階測量裝置的動態(tài)特性仿真選擇虛擬的二階測量裝置，分別在不同的輸入信號：周期性信號（正弦波、方波、三角波、鋸齒波等）、沖擊信號、正弦掃描信號、及采樣函數信號等情況下，改變頻率比和阻尼比，觀察和分析二階測量裝置的動態(tài)特性變化。根據給定的幅值測量誤差，選擇最優(yōu)的頻率比和阻尼比，確定有效的頻率測量范圍。四、實驗軟件簡介（實驗步驟）在LabView運行程序支持下，執(zhí)行測試技術教學實驗系統(tǒng)軟件，選擇“測量裝置動態(tài)特性仿真”項，進入測量裝置動態(tài)特性仿真面板。在此面板上，左上角是輸入波形設置，左邊中部是測量裝置類型選擇和測量參數選擇區(qū)。右邊上半部是顯示輸入信號波形和輸

16、出波形，右邊上半部是顯示輸入信號和輸出信號的頻譜。紅色為輸入，白色為輸出。當選擇虛擬的一階測量裝置時，確定輸入信號的情況下，改變時間常數，觀察一階測量裝置動態(tài)特性的變化。在確定測量誤差和頻率范圍的情況下，選擇恰當的時間常數。當選擇虛擬的二階測量裝置時，確定輸入信號的情況下，改變頻率比和阻尼比，觀察二階測量裝置動態(tài)特性的變化。在確定測量誤差和頻率范圍的情況下，選擇恰當的阻尼比。五、實驗報告(1).總結一階測量裝置的幅頻特性與時間常數t之間的關系，與課本中的結論相比較，看是否正確;(2)、繪出一階測量裝置的三條幅頻曲線驗證你從計算機上所得的最優(yōu)時間常數t；(3).總結二階測量裝置的幅頻特性與阻尼比

17、之間的關系，與課本中的結論相比較，看是否正確;(4)、繪出二階測量裝置的三條幅頻曲線驗證你從計算機上所得的最優(yōu)阻尼比;(5).寫出本次實驗的體會。 實驗二 機械工程測試虛擬儀器設計實驗一、實驗目的1、 掌握LabVIEW軟件的特點和用途，掌握LabVIEW編程的基本方法；2、 加深理解虛擬儀器的基本概念，采用LabVIEW圖形化編程語言創(chuàng)建/設計基本的虛擬儀器；3、 通過虛擬儀器應用實例，學習實用化虛擬儀器設計的基本方法。二、LabVIEW簡介1、 LabVIEW軟件工具的特點：（1）、圖形化的編程方式，和無序寫任何文本各式的代碼。（2）、既提供了傳統(tǒng)的程序調試手段，如設置斷點、單步運行，同時

18、提供有獨到的高亮執(zhí)行工具，是程序動畫式運行，利于設計者觀察程序運行的細節(jié)，使程序的調試和開發(fā)更為簡捷。（3）、提供了豐富的數據采集、分析及存儲的庫函數。（4）、32bit的編譯器編譯生成32bit的編譯程序，保證用戶數據采集、測試和測控方案的高速執(zhí)行。（5）、囊括了DAQ、GPIB、PXI、VXI、RS-232/485在內的各種儀器通信總線標準的所有功能函數，使得不懂總線標準的開發(fā)者也可驅動不同總線標準接口設備與儀器。（6）、提供大量與外部代碼或軟件進行連接的機制，諸如DDLs（動態(tài)連接庫）、DDE（共享庫）、ActiveX等。（7）、強大的Internet功能，支持常用網絡協(xié)議，方便網絡化遠

19、程測控儀器的開發(fā)。2、LabVIEW軟件包簡介： LabVIEW系統(tǒng)由LabVIEW應用執(zhí)行文件和許多相關的文件及子目錄組成。LabVIEW使用文件和目錄來存儲創(chuàng)建VI所必需的信息，部分重要的文件和目錄如下：（1）、LabVIEW可執(zhí)行程序，用于啟動LabVIEW。（2）、vi.lib目錄：該目錄包含VI庫，如數據采集、儀器控制和分析VI。他必須與LabVIEW可執(zhí)行程序在同一目錄下。不要改變vi.lib目錄的名稱，因為LabVIEW啟動時要查找該目錄。如果改變此名稱，就不能使用眾多的控件和庫函數。（3）、example目錄：該目錄包含許多VI示例，這些例子示范LabVIEW的功能。（4）、u

20、ser.lib目錄：用戶創(chuàng)建的VI保存與該目錄并將出現在LabVIEW的Functions Palette（函數選項板）上。（5）、instr.lib目錄：如果希望用戶儀器驅動程序庫出現在LabVIEW的函數選項板上，應將其放置在該目錄下。3、LabVIEW軟件啟動： 當雙擊LabVIEW圖標啟動軟件時，將出現圖1所示的啟動畫面。 在圖1所示的LabVIEW主對話框中有七個選項，LabVIEW軟件包內容分別包含在這七個選項中。（1）、New VI New VI是LabVIEW提供給用戶創(chuàng)建/設計虛擬儀器的工作環(huán)境。一個VI有兩個部分組成：一個前面板(Panel)和一個流程圖（Diagram）（

21、或稱后面板），如圖2（a）、(b)所示。前面板的功能等效于傳統(tǒng)測試儀器的前面板；流程圖的功能等效于傳統(tǒng)測試儀器與前面板相聯系的硬件電路。（a）前面板（b）流程圖圖2 虛擬波形顯示儀因此，設計一個虛擬儀器是在兩個窗口中進行。第一個是前面板開發(fā)窗口，其標志是“Untitled1”，所有虛擬儀器前面板的設計都是在這個窗口中進行并完成；第二個是流程圖編輯窗口，標志是“Untitled1 Diagram”。（a）、Panel（前面板）及其開發(fā)窗口 在選擇了“New VI”后出現的前面板開發(fā)窗口中，包含主菜單欄（File,Edit,Operate,Project ,Windows,Help）和快捷工具欄。

22、 設計制作虛擬儀器前面板，就是用Tools（工具）模板（見圖3所示）中相應的工具去取用Controls（控制）模板（見圖4所示）上的有關控件，擺放到窗口的適當位置來組成虛擬儀器前面板。 圖3 工具模板 圖4 控制模板（b）、Diagram（流程圖）及其編輯窗口 流程圖是圖形化的源代碼，是VI測試功能軟件的圖形化表述。虛擬儀器是由軟件編程實現測試功能的，軟件編程分為兩種：一種是基于傳統(tǒng)的文本式編程方式；另一種是圖形化編程方式。LabVIEW就是采用圖形化編程方式。在流程圖編輯窗口，選用Tools（工具）模板中相應的工具去取Functions（功能）模板（見圖5所示）上的有關圖標來設計制作虛擬儀器

23、流程圖，以完成虛擬儀器的設計工作。（c）、取用控件和模板的各種方法（見軟件“幫助”有關內容）（d）、主菜單欄及快捷工具欄（見軟件“幫助”有關內容）圖5 功能模板三、虛擬儀器設計入門（一）、工具模板(Tools Palette)使用練習（二）、控制模板(Controls Palette)使用練習（三）、功能模板(Functions Palette)使用練習（四）、創(chuàng)建VI 練習 使用LabVIEW開發(fā)平臺創(chuàng)建虛擬儀器就是編制圖形化程序，該圖形化程序是虛擬儀器程序，簡稱VI。 * 虛擬儀器程序VI有兩部分組成：前面辦程序與流程圖程序（詳見相關內容）。 * 虛擬儀器程序VI的設計步驟： 1、在前面板

24、設計窗口設置控件，并創(chuàng)建“流程圖”中的端口。 2、在流程圖編輯窗口放置節(jié)點、圖框，并創(chuàng)建前面板控件。 3、數據流編程。 4、運行檢驗。 5、數據觀察。 6、命名存盤。 * 程序調試步驟： 1、找出語法錯誤。 2、慢速跟蹤程序的運行。 3、斷點與單步執(zhí)行。 4、設置探針。* 簡單VI創(chuàng)建： 虛擬正弦波顯示器設計練習：、功能描述 用Waveform Graph 控件記錄一個正弦波序列。、設計提示 端口的生成有兩種方式，任選一種，具體方法參見有關內容。本例采用從前面板放置控件的方式。 主要設計步驟如下： （1）、前面板設計。 * 放置圖形控件1。 執(zhí)行ControlsGraphWaveform Gr

25、aph操作。 圖形控件為輸出顯示型控件，選“Waveform Graph”控件。* 放置數字控件2。 執(zhí)行ControlsNumericKnob操作。 數字空間為輸入控制型控件，用來設置顯示器的橫坐標，即采樣間隔。 （2）、流程圖編輯。 * 打開流程圖編輯窗口“Diagram”。 與前面板圖形控件對應的端口應出現在流程圖編輯窗口中。 * 放置正弦信號圖表。 正弦信號圖表的調用路徑： 執(zhí)行FunctionsNumericTrigonometricSine操作。 * 放置For Loop循環(huán)結構。 執(zhí)行FunctionsStructureFor Loop操作。 * 連線。 （3）、存文件。 （4）

26、、運行程序。四、虛擬儀器設計范例1、虛擬信號發(fā)生器 2、虛擬頻譜分析儀 3、采樣定理五、虛擬儀器設計要求 1、設計虛擬n!階乘運算器 2、設計虛擬示波器（顯示正弦信號時域波形）實驗三 傳感器性能標定實驗1、 金屬箔式應變片單臂電橋性能實驗一、實驗目的：了解金屬箔式應變片的應變效應，單臂電橋工作原理和性能。二、基本原理：電阻絲在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值發(fā)生變化，這就是電阻應變效應，描述電阻應變效應的關系式為： RRK式中RR為電阻絲電阻相對變化，K為應變靈敏系數,=l/l為電阻絲長度相對變化，金屬箔式應變片就是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應變敏感元件，通過它轉換被測部位受力狀態(tài)變化 、電

27、橋的作用完成電阻到電壓的比例變化，電橋的輸出電壓反映了相應的受力狀態(tài)。，對單臂電橋輸出電壓 Uo1= EK/4。三、需用器件與單元：應變式傳感器實驗模板、應變式傳感器電子秤、砝碼、數顯表、15V電源、4V電源、萬用表（自備）。四、實驗步驟：1、 根據圖（11）應變式傳感器（電子秤）已裝于應變傳感器模板上。傳感器中各應變片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。加熱絲也接于模板上，可用萬用表進行測量判別，R1R2R3R4350，加熱絲阻值為50左右圖11 應變式傳感器安裝示意圖2、 接入模板電源15V（從主控臺引入），檢查無誤后，合上主控臺電源開關，將實驗模板調節(jié)增益電位器RW3順時針調節(jié)大

28、致到中間位置，再進行差動放大器調零，方法為將差放的正負輸入端與地短接，輸出端與主控臺面板上數顯表輸入端Vi相連，調節(jié)實驗模板上調零電位器RW4，使數顯表顯示為零（數顯表的切換開關打到2V檔）。關閉主控箱電源（注意：當Rw3、Rw4的位置一旦確定，就不能改變。一直到做完實驗三為止）。3、 將應變式傳感器的其中一個電阻應變片R1（即模板左上方的R1）接入電橋作為一個橋臂與R5、R6、R7接成直流電橋（R5、R6、R7模塊內已接好），接好電橋調零電位器RW1，接上橋路電源4V（從主控臺引入）如圖12所示。檢查接線無誤后，合上主控臺電源開關。調節(jié)RW1，使數顯表顯示為零。圖12應變式傳感器單臂電橋實驗

29、接線圖4、 在電子稱上放置一只砝碼，讀取數顯表數值，依次增加砝碼和讀取相應的數顯表值，直到200g（或500 g）砝碼加完。記下實驗結果填入表11，關閉電源。重量(g)20406080100120140160180200電壓(mv)0.0040.0100.0150.0210.0270.0330.0380.0440.0500.0565、 根據表11計算系統(tǒng)靈敏度SU/W（U輸出電壓變化量，W重量變化量）和非線性誤差f1=m/yF.S 100式中m為輸出值（多次測量時為平均值）與擬合直線的最大偏差：yFS滿量程輸出平均值，此處為200g（或500g）。五、思考題： 單臂電橋時，作為橋臂電阻應變片應

30、選用：（1）正（受拉）應變片（2）負（受壓）應變片（3）正、負應變片均可以。 2、 電渦流位移傳感器性能實驗一、 實驗目的：了解電渦流傳感器測量位移的工作原理和特性。二、 基本原理：通過高頻電流的線圈產生磁場，當有導電體接近時，因導電體渦流效應產生渦流損耗，而渦流損耗與導電體離線圈的距離有關，因此可以進行位移測量。三、 需用器件與單元：電渦流傳感器實驗模板、電渦流傳感器、直流電源、數顯單元、測微頭、鐵圓片。四、 實驗步驟：1、 根據圖21安裝電渦流傳感器。圖81電渦流傳感器安裝示意圖圖2-1 電渦流傳感器安裝示意圖圖22電渦流傳感器位移實驗接線圖2、 觀察傳感器結構，這是一個平繞線圈。3、 將

31、電渦流傳感器輸出線接入實驗模板上標有L的兩端插孔中，作為振蕩器的一個元件。4、 在測微頭端部裝上鐵質金屬圓片，作為電渦流傳感器的被測體。5、 將實驗模板輸出端Vo與數顯單元輸入端Vi相接。數顯表量程切換開關選擇電壓20V檔。6、 用連結導線從主控臺接入15V直流電源接到模板上標有15V的插孔中。7、 使測微頭與傳感器線圈端部接觸，開啟主控箱電源開關，記下數顯表讀數，然后每隔0.2mm讀一個數，直到輸出幾乎不變?yōu)橹?。將結果列入表21。表21電渦流傳感器位移X與輸出電壓數據X（mm）00.20.40.60.81.01.21.41.61.8V(v)4.765.516.176.767.277.698.

32、098.448.759.042.02.22.42.62.83.03.23.43.63.84.09.309.549.759.9210.0810.2310.3710.4910.6010.6910.734.24.44.64.85.05.210.7610.7810.7910.8010.8110.818、 根據表21數據，畫出VX曲線，根據曲線找出線性區(qū)域及進行正、負位移測量時的最佳工作點，試計算量程為1mm、3 mm及5mm時的靈敏度和線性度（可以用端基法或其它擬合直線）。五、 思考題：1、 電渦流傳感器的量程與哪些因素有關，如果需要測量5mm的量程應如何設計傳感器？2、 用電渦流傳感器進行非接觸位移

33、測量時，如何根據量程選用傳感器。3、 傳感器動態(tài)性能標定實驗一、 實驗目的1、 了解電渦流位移傳感器和壓電加速度傳感器的結構、工作原理及其應用。2、 熟悉電渦流位移傳感器和壓電加速度傳感器靈敏度標定所用儀器。3、 掌握電渦流位移傳感器和壓電加速度傳感器動態(tài)靈敏度標定的校準臺法，了解其他的標定方法。二、 實驗原理（一）、壓電加速度傳感器靈敏度標定1、 靈敏度壓電加速度傳感器的靈敏度有兩種表示方法：當它與電荷放大器配合使用時，用電荷靈敏度Sq表示。即：與電壓放大器配合使用時用電壓靈敏度Sv表示。即：式中 Q-壓電傳感器輸出電荷（PC）； Ua-壓電傳感器的開路電壓（mV）； a-被測加速度（ms-

34、2）。因為Ua=Q/(Ca+Cc)，所以有：Sq= Sv(Ca+Cc)。其中：Ca為傳感器自身電容；Cc為電纜電容。2、 壓電加速度傳感器靈敏度的標定方法實驗室常用的標定方法一般有校準臺法、比較法和互易法三種。（1）、校準臺法 加速傳感器校準臺是一個能產生一定頻率和一定加速度峰值的振動臺。例如，本實驗中所使用的“JX-3B型振動傳感器校準儀”，其內部可產生頻率為10Hz1280Hz、加速度峰值為2.5m/s2100m/s2(傳感器重量100g)的標準正弦加速度信號。其電路原理框圖如圖1所示。將被標定的加速度傳感器直接安裝在振動系統(tǒng)的臺面上，使其承受峰值為10m/s2加速度的振動，根據前置放大器

35、的輸出電壓值便可確定傳感器的靈敏度值。這種標定方法的標定精度為62%。注意電荷放大器是先將加速度傳感器輸出的電荷量轉換成電壓量，然后再經放大輸出。確定傳感器的電荷靈敏度時，要考慮放大器的增益。驅動線圈輸入1、2振蕩器加速度調節(jié)功率放大驅動線圈速度線圈儀表放大表頭電源輸出 圖1 校準臺電路原理圖（2）、比較法 此方法是取一個經過計量部門標定過的加速度傳感器和前置放大器作為基準，與需求校準的加速度傳感器作對比試驗，確定被標定傳感器的靈敏度。標定時，將被標定傳感器與基準傳感器按背靠背的方式裝在同一軸線上，承受同樣的振動。分別測量出被標定傳感器與基準傳感器的輸出振動量，然后折算出被標定傳感器的靈敏度。

36、（3）、互易法 此法不是通過直接測量振動量來確定靈敏度，而是應用互易原理，采用測量其他電量的方法求得靈敏度。一般情況下可以用兩個同類型的加速度傳感器進行互易，也可以用加速度傳感器與振動臺內部的速度線圈進行互易。這種方法的標定精度可達到0.5%。（二）、電渦流位移傳感器靈敏度標定電渦流位移傳感器實質上是一個扁平狀線圈，它與電容組成并聯諧振回路，如圖2所示。其諧振頻率為被 I測 L1導 C V0體 d圖2 并聯諧振回路在測量以前，傳感器遠離被測導體，線圈中通以一定頻率的交變電流I，此時回路阻抗最大。當線圈與導體間距離x改變時，由線圈與電容組成的并聯諧振回路的阻抗會改變，回路輸出電壓隨之變化，電壓V

37、0與距離x存在一定關系，即V0=h(x)，如圖3 所示。由輸出電壓的大小便可測得距離x的量值。V0X圖3 并聯諧振回路輸出電壓與距離之間的關系電渦流位移傳感器的靈敏度值Sv可按下式求得：（三）、傳感器和測量系統(tǒng)的動態(tài)特性標定傳感器和測量系統(tǒng)的動態(tài)特性標定的目的是確定傳感器和測量系統(tǒng)的頻率使用范圍、誤差和相位特性。通過幅頻特性可確定測量系統(tǒng)的頻響和幅值誤差，通過相頻特性可確定測量系統(tǒng)的輸入和輸出之間的相位差。本實驗主要測量幅頻特性。當振動臺的振幅恒定，改變其振動頻率，測量出被標定傳感器相應于各頻率下的輸出量。以頻率比f/fn（振動臺的激勵頻率和傳感器固有頻率之比）為橫坐標，以幅值比Ai/A0（被

38、標定傳感器的輸出值與振動臺輸入信號幅值之比）為縱坐標，即可得幅頻特性曲線。幅頻特性曲線的平直部分即為理想的動態(tài)范圍。從幅頻特性曲線上讀取峰值Am，由下式求得傳感器的阻尼比z。求傳感器的固有頻率fn以下兩種情況：當標定位移傳感器時，傳感器的固有頻率遠小于振動頻率，這時位移傳感器的固有頻率為：當標定加速度傳感器時，傳感器的固有頻率遠大于振動頻率，這時加速度傳感器的固有頻率為：三、 實驗裝置1、JX-3 型振動傳感器校準儀 一臺2、DHF-3型電荷放大器 一臺3、雙蹤示波器 一臺4、85745 系列前置器 一臺5、YD-1型壓電式傳感器 一個6、電渦流位移傳感器 一個7、數字萬用表 一個四、 實驗內

39、容及步驟（一）、YD-1型壓電式加速度傳感器靈敏度標定1、 將加速度傳感器用M5螺絲頭固定在校準儀振動臺面上。注意：安裝傳感器時應使用傳感器固定扳手，以防損壞校準儀振動臺彈簧。2、 將被標定的加速度傳感器與電荷放大器的輸入端連接；將電荷放大器的輸出端與數字萬用表的交流電壓輸入端連接，輸入電壓一般應小于2V。實驗儀器連接框圖如圖4所示。注意：電荷放大器的設置請參考DHF-3型電荷放大器的使用說明。 校準臺電荷放大器數字萬用表雙蹤示波器 速度計圖4 加速度傳感器靈敏度標定實驗儀器框圖3、 將“頻率選擇”開關置于“80Hz”。在標定傳感器時，一般應將頻率定在“80Hz”。4、 將“功能選擇”開關置于

40、“加速度”位置。5、 將“增益調節(jié)”電位器調至最?。蝗缓髮㈦娫撮_關置于“開”。6、 調節(jié)“增益調節(jié)” 電位器，使校準臺振動加速度輸出幅值為10(m/s2)。此時顯示窗示值為：10.0。7、 用示波器觀察電荷放大器輸出電壓的波形，應為不失真的正弦波；同時，用數字萬用表的交流電壓擋測量電荷放大器的輸出電壓。8、 根據電荷放大器輸出電壓的實測值和電荷放大器在輸入加速度為10(m/s2)時的標準輸出電壓值，即可計算出被測傳感器的標定誤差。注意：標準值是由電荷放大器設置所決定的輸出電壓的理想值。當輸入加速度為10m/s2時，電荷放大器的理想輸出電壓值應為1V（峰值），則數字萬用表上的理想電壓值讀數應為7

41、07.00mV（有效值）。亦即理想電壓靈敏度應該為SV理=10mV/ms-2， 若傳感器總電容值為800PF時，理想電荷靈敏度為：SQ理=8.00PC/ms-2。9、 加速度傳感器實際電荷靈敏度標定值為：式中：P-電荷放大器輸出電壓峰值(mV)； B-電荷放大器靈敏度設定旋紐設定值（PC/ms-2）； a-校準臺振動加速度輸出幅值（取a=10m/s2）； A-電荷放大器輸出增益值（mV/Unit）。（二）、電渦流位移傳感器的動態(tài)靈敏度標定1）、將測試臺面、電渦流傳感器固定支架、傳感器固定套及電渦流傳感器依次固定在校準儀控制面板上（見圖6所示）。圖6 電渦流傳感器動態(tài)標定安裝圖2）、將電渦流傳感

42、器、前置器、示波器及數字萬用表正確連接（見圖7所示）。JX-3B型動態(tài)傳感器校準儀前置器示波器數字萬用表電渦流傳感器圖7 電渦流傳感器動態(tài)標定系統(tǒng)框圖3）、將前置器電源接線端子與-24V電源正確連接。4）、將“頻率選擇”開關置于“80Hz”。5）、將“功能選擇”開關置于“位移”位置。6）、將“增益調節(jié)”電位器調至最??；電源開關置于“開”。7）、將傳感器的間隙電壓調至8.5V（直流）左右。8）、根據被測傳感器的滿量程值，調節(jié)“增益調節(jié)”電位器，使校準儀的振動位移輸出幅值為一適當值。此時，顯示窗顯示為位移的峰峰值，如100mm。9）、用數字萬用表測量前置器的輸出交流電壓；用示波器監(jiān)視輸出電壓波形。

43、根據數字萬用的電壓讀數（實測值），可得傳感器的標定靈敏度SF-F(mV/mm)。電渦流位移傳感器標定靈敏度相對誤差為：式中：標準值-傳感器標稱靈敏度（一般為8mV/mm）。（三）、傳感器及測量系統(tǒng)動態(tài)特性標定標定加速度傳感器及測量系統(tǒng)的動態(tài)特性。1、 完成加速度傳感器靈敏度標定步驟1、2。2、 將“功能選擇”開關置于“加速度”位置。3、 將“增益調節(jié)”電位器調至最??；然后將電源開關置于“開”。4、 將“頻率選擇”開關分別依次置于“40Hz”、“80Hz”、“160Hz”、“320Hz”和“640Hz”位置，相應的在各個頻率下，調節(jié)“增益調節(jié)” 電位器，使校準臺振動加速度輸出幅值保持為10(m/

44、s2)。5、 用數字萬用表交流電壓擋測量電荷放大器的輸出電壓。6、 根據電荷放大器輸出電壓的實測值和相應的校準臺振動頻率之間的一一對應關系，即可得出加速度傳感器及測量系統(tǒng)的幅頻動態(tài)響應曲線。五、 實驗報告要求1、 加速度傳感器靈敏度標定實驗數據列于下表：表1 加速度傳感器靈敏度標定實驗數據序號名 稱數值序號名 稱數值1激振頻率（Hz）（80）6數字電壓表電壓讀數(mV)2輸入加速度幅值(ms-2)(10.0)7傳感器電壓靈敏度標定(mV/ms-2)3電荷放大器靈敏度設(PC/ms2)(SQ理)8傳感器電荷靈敏度標定(mV/ms-2)4電荷放大器增益設置(mV/unit)(100)9電壓靈敏度標

45、定值相對誤差(%)5電荷放大器輸出電壓標準(mV)(1000)10電荷靈敏度標定值相對誤差(%)2、 電渦流位移傳感器靈敏度標定實驗數據列于下表：1）、動態(tài)標定實驗數據表2 電渦流位移傳感器動態(tài)標定實驗數據1校準儀輸出位移幅值(峰-峰值)(mm)（ 100 ）2數字萬用表交流電壓讀數(mV)3位移傳感器標稱靈敏度(mV/mm)( 8mV/mm )4位移傳感器標定靈敏度(mV/mm)5位移傳感器標定靈敏度誤差(%)3、 測量系統(tǒng)動態(tài)特性標定實驗數據表2傳感器及測量系統(tǒng)動態(tài)特性標定實驗數據1校準臺輸出振動加速度幅值(m/s2)( 10.0 )2校準臺振動頻率(Hz)40801603206403數字

46、萬用表交流電壓讀數(mV)4測量頻率范圍內幅值最大誤差(dB)根據表中數據畫出幅頻響應曲線圖。縱坐標采用對數坐標。4、分析影響加速度傳感器和位移傳感器靈敏度標定誤差的主要因素；提出提高傳感器靈敏度精度的主要措施。5、寫出本次實驗的體會。附錄：（有關儀器使用指南）DHF-3型電荷放大器使用步驟及方法：1、 按照實驗要求連接好電荷放大器，接通電源（220V，50Hz）。2、 開機檢查：在開機、關機及開關換擋時，允許零點有暫時跳動（過載指標燈可能暫時發(fā)亮），然后自動復零（過載指標燈熄滅）。3、 靈敏度適調開關位置選擇：按電荷靈敏度SQ選擇適調開關位置。例如YD-1型加速度計適調開關位置置于8.00

47、PC/ms-2位置。4、 增益開關位置選擇：因輸出電壓最大為610V（峰值），則旋紐上所標四擋可測之最大加速度分別為：0.1mv/unit1mv/unit10mv/unit100mv/unit100000 m/s210000 m/s21000 m/s2100 m/s2如果被測加速度約為3000 m/s2，則增益開關應選用在1 mv/unit檔位置。在其它檔位會產生過載使信號失真或輸出小于1V現象。如果被測加速度約為幾十個m/s2時，則增益開關應選用在100 mv/unit檔位置。5、 濾波開關位置選擇：低通濾波器開關位置選擇根據具體情況決定，原則是保證有用信號通過，濾除高頻干擾信號。6、 加速

48、度、速度、位移開關選擇：根據具體測量狀態(tài)決定選擇“加速度”、“ 速度”和“位移”不同的測量檔位。實驗四 動態(tài)測量信號調理實驗1、 壓電式傳感器測振動實驗一、 實驗目的：了解壓電傳感器的測量振動的原理和方法。二、 基本原理：壓電式傳感器由慣性質量塊和受壓的壓電片等組成。（觀察實驗用壓電加速度計結構）工作時傳感器感受與試件相同頻率的振動，質量塊便有正比于加速度的交變力作用在晶片上，由于壓電效應，壓電晶片上產生正比于運動加速度的表面電荷。三、 需用器件與單元：振動臺、壓電傳感器、檢波、移相、低通濾波器模板、壓電式傳感器實驗模板。雙蹤示波器。四、 實驗步驟：1、 壓電傳感器已裝在振動臺面上。2、 將低

49、頻振蕩器信號接入到臺面三源板振動源的激勵源插孔。圖1 壓電式傳感器性能實驗接線圖3、 將壓電傳感器輸出兩端插入到壓電傳感器實驗模板兩輸入端，見圖1，與傳感器外殼相連的接線端接地，另一端接R1。將壓電傳感器實驗模板電路輸出端Vo1，接R6。將壓電傳感器實驗模板電路輸出端V02，接入低通濾波器輸入端Vi，低通濾波器輸出V0與示波器相連。4、 合上主控箱電源開關，調節(jié)低頻振蕩器的頻率和幅度旋鈕使振動臺振動，觀察示波器波形。5、 改變低頻振蕩器的頻率，觀察輸出波形變化。6、 用示波器的兩個通道同時觀察低通濾波器輸入端和輸出端波形。2、電渦流傳感器測量振動實驗一、實驗目的：了解電渦流傳感器測量振動的原理與方法。二、基本原理：根據電渦流傳感器位移特性，根據被測材料選擇合適的工作點即可測量振幅。三、需用器件與單元：主機箱、電渦流傳感器實驗模板、電渦流傳感器、振動源、低通濾波器、示波器。四、實驗步驟：1、根據圖 1 安裝電渦流傳感器(逆時針轉出壓緊螺母，裝上傳感器安裝支架再順時針轉動壓緊螺母)并接線。圖 1 電渦流傳感器振動測量安裝、接線示意圖2、將主機箱中的低頻振蕩器幅度旋鈕逆時針轉到底(低頻輸出幅度為零)；檢查接線無誤后，合上主