測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)

1、第二部分 基本實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)1 機(jī)械參數(shù)綜合測(cè)試系統(tǒng)的組成一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、建立對(duì)機(jī)械參數(shù)電測(cè)技術(shù)的感性認(rèn)識(shí)，了解測(cè)試系統(tǒng)的基本組成。2、了解計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的組成。3、鞏固和加深理解電阻應(yīng)變片測(cè)量原理。4、認(rèn)識(shí)常用的各類(lèi)傳感器，了解其工作原理及應(yīng)用。二、 實(shí)驗(yàn)原理1、實(shí)驗(yàn)裝置的組成：由一自由端受動(dòng)載荷激振的等強(qiáng)度梁，并在其上安裝了各種類(lèi)型的傳感器如圖1所示。1 等強(qiáng)度懸臂梁2 電阻應(yīng)變片3 速度傳感器4位移傳感器 5加速度傳感器6激振電機(jī) 7 光電轉(zhuǎn)速傳感器 圖1 實(shí)驗(yàn)裝置組成2、典型的測(cè)試系統(tǒng)：3、信號(hào)變換：懸臂梁在動(dòng)載激振力的作用下，其力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)分別由各類(lèi)傳感器將這些待測(cè)的非電參數(shù)的變化轉(zhuǎn)

2、換成電量的變化。應(yīng)變（）電阻應(yīng)變片的阻值變化(R/R)-電壓變化位移（S）差動(dòng)變壓器傳感器的電壓變化速度（V）磁電式速度傳感器的電壓變化加速度（a）壓電式加速度傳感器的電荷的變化頻率（f）光電轉(zhuǎn)速傳感器的光電流的變化4、信號(hào)測(cè)量：由于經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換所得的電量一般都是很微弱的，不能直接顯示或記錄下來(lái)，必須經(jīng)過(guò)測(cè)量電路將這些微弱信號(hào)進(jìn)行放大處理，其測(cè)量所用的儀器如下：5、信號(hào)分析懸臂梁在受迫振動(dòng)下，由上述方法測(cè)得的五個(gè)參數(shù)，根據(jù)示波圖可進(jìn)行計(jì)算、分析。6、包含信號(hào)處理功能的測(cè)試系統(tǒng) 用典型的CRAS采集、分析處理系統(tǒng)，對(duì)信號(hào)測(cè)試過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行計(jì)算機(jī)采集、分析處理實(shí)驗(yàn)。三、 主要儀器及耗材靜態(tài)數(shù)字

3、電阻應(yīng)變儀、懸臂梁實(shí)驗(yàn)臺(tái)、壓電式加速度傳感器、電荷放大器、型動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀、DRVI虛擬儀器、計(jì)算機(jī)。四、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟1、利用金屬材料的特性，將非電量的變化轉(zhuǎn)換成電量的變化，應(yīng)變測(cè)量的轉(zhuǎn)換元件為應(yīng)變片，用粘結(jié)劑將應(yīng)變片牢固地貼在試件上，當(dāng)被測(cè)試件受到外力作用長(zhǎng)度發(fā)生變化時(shí)，粘貼在試件上的應(yīng)變片也發(fā)生相應(yīng)變化，應(yīng)變片的電阻值也隨著發(fā)生了變化，這樣就把機(jī)械量變形，轉(zhuǎn)換成電量電阻值的變化。用靈敏的電阻測(cè)量?jī)x器電橋，測(cè)出電阻值的變化，就可以換算出相應(yīng)的應(yīng)變，如果這個(gè)電橋用應(yīng)變來(lái)刻度，就可以直接讀出應(yīng)變，完成非電量的電測(cè)。2、 將壓電式傳感器固定在被測(cè)物體上，利用壓電晶體材料的壓電效應(yīng)，將被測(cè)振動(dòng)量

4、即加速度轉(zhuǎn)化為電荷量，通過(guò)電荷放大器放大，由CRAS采集與分析系統(tǒng)數(shù)字化采集數(shù)據(jù)，由計(jì)算機(jī)將振動(dòng)波形顯示記錄出來(lái)。6 差動(dòng)變面積式電容傳感器的特性測(cè)試一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解差動(dòng)變面積式電容傳感器的原理及其特性。2、掌握電容式傳感器的工作原理和測(cè)量方法。3、掌握電容式傳感器的測(cè)量電路的構(gòu)成和原理。二、 實(shí)驗(yàn)原理電容式傳感器有多種型式，本儀器中是差動(dòng)平行變面積式。傳感器由兩組定片和一組動(dòng)片組成。當(dāng)安裝于振動(dòng)臺(tái)上的動(dòng)片上、下改變位置，與兩組定片之間的重疊面積發(fā)生變化，極間電容也發(fā)生相應(yīng)變化，成為差動(dòng)電容。如將上層定片與動(dòng)片形成的電容定為Cx1，下層定片與動(dòng)片形成的電容定為Cx2，當(dāng)將Cx1和 Cx2

5、接入橋路作為相鄰兩臂時(shí)，橋路的輸出電壓與電容量的變化有關(guān)，即與振動(dòng)臺(tái)的位移X有關(guān)。三、 主要儀器及耗材電容傳感器、電容變換器（或電容放大器）、差動(dòng)放大器、低通濾波器、電壓表、測(cè)微頭。四、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟1、差動(dòng)放大器調(diào)零。按圖5接線(xiàn)，電容變換器和差動(dòng)放大器的增益適中。圖5 電容式傳感器實(shí)驗(yàn)電路圖2、裝上測(cè)微儀，帶動(dòng)振動(dòng)臺(tái)位移，使電容動(dòng)片位于兩定片之間，此時(shí)差動(dòng)放大器輸出為零。3、以此為起點(diǎn)，向上和向下位移電容動(dòng)片，每次0.5mm，直至動(dòng)片與一組靜片全部重合為止。記錄數(shù)據(jù)，分別填入表1、表2中。五、 數(shù)據(jù)處理與分析1、根據(jù)表中所測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算靈敏度S，并分析非線(xiàn)性誤差，說(shuō)明誤差產(chǎn)生的原因。2、在坐標(biāo)

6、紙上描出X - V關(guān)系曲線(xiàn)。六、 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1、實(shí)驗(yàn)前應(yīng)檢查實(shí)驗(yàn)接插線(xiàn)是否完好，連接電路時(shí)應(yīng)盡量使用較短接插線(xiàn)，以避免引入干擾。2、接插線(xiàn)插入插孔，以保證接觸良好，切忌用力拉扯接插線(xiàn)尾部，以免造成線(xiàn)內(nèi)導(dǎo)線(xiàn)斷裂。3、穩(wěn)壓電源不要對(duì)地短路。所有單元電路的地均須與電源地相連。 4、電容動(dòng)片與兩定片之間的片間距離須相等，必要時(shí)可稍做調(diào)整。位移或振動(dòng)時(shí)均應(yīng)避免擦片現(xiàn)象，否則會(huì)造成輸出信號(hào)突變。5、如果差動(dòng)放大器輸出跳動(dòng)幅度或者輸出幅值較大，請(qǐng)將電容變換器增益進(jìn)一步減小。6、電容變換器1、2為差動(dòng)電容輸入，3為輸出。七、 思考題1、為什么要采用差動(dòng)電容結(jié)構(gòu)？2、觀察差動(dòng)電容傳感器，試推導(dǎo)覆蓋面積而變化的

7、表達(dá)式。（設(shè)差動(dòng)電容分別為C1、C2）3、 在測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，測(cè)微頭向上和向下移動(dòng)時(shí)，電路的輸出有何不同？輸入輸出關(guān)系曲線(xiàn)是否重合？為什么？5 螺管型差動(dòng)變壓器式電感傳感器的性能與位移測(cè)量一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解差動(dòng)變壓器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理，驗(yàn)證差動(dòng)變壓器的基本特性。2、了解差動(dòng)變壓器零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生的原因及補(bǔ)償方法；3、掌握差動(dòng)變壓器測(cè)量系統(tǒng)的組成和標(biāo)定方法。4、掌握位移量的測(cè)量方法。二、 實(shí)驗(yàn)原理電感式傳感器是一種將位置量的變化轉(zhuǎn)換為電感量變化的傳感器，差動(dòng)變壓器由銜鐵、初級(jí)線(xiàn)圈、次級(jí)線(xiàn)圈和線(xiàn)圈骨架組成，初級(jí)線(xiàn)圈做為差動(dòng)變壓器激勵(lì)用，相當(dāng)于變壓器原邊。次級(jí)線(xiàn)圈由兩個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)相同的線(xiàn)圈反相

8、串接而成，相當(dāng)于變壓器副邊。差動(dòng)變壓器是開(kāi)磁路，工作是建立在互感基礎(chǔ)上的，其原理及輸出特性見(jiàn)圖3。圖3 差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)原理及輸出特性圖由于零點(diǎn)殘余電壓的存在會(huì)造成差動(dòng)變壓器零點(diǎn)附近的不靈敏區(qū)，此電壓經(jīng)過(guò)放大器還會(huì)使放大器未級(jí)趨向飽和，影響電路正常工作，因此必須采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行補(bǔ)償使之減小。零點(diǎn)殘余電壓中主要包含兩種波形成份：a、基波分量：這是由于差動(dòng)變壓器二個(gè)次級(jí)繞組因材料或工藝差異造成等效電路參數(shù)（M、L、R）不同，線(xiàn)圈中的銅損電阻及導(dǎo)磁材料的鐵損、線(xiàn)圈中線(xiàn)間電容的存在，都使得激勵(lì)電流與所產(chǎn)生的磁通不同相。b、高次諧波：主要是由導(dǎo)磁材料磁化曲線(xiàn)的非線(xiàn)性引起，由于磁滯損耗和鐵磁飽和的影響，使

9、激勵(lì)電流與磁通波形不一致，產(chǎn)生了非正弦波（主要是三次諧波）磁通，從而在二次繞組中感應(yīng)出非正弦波的電動(dòng)勢(shì)。減少零點(diǎn)殘余電壓的辦法是：（1）從設(shè)計(jì)和工藝制作上盡量保證線(xiàn)路和磁路的對(duì)稱(chēng)。（2）采用相敏檢波電路。（3）選用補(bǔ)償電路。三、 主要儀器及耗材差動(dòng)變壓器、電感傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K、差動(dòng)放大器、音頻振蕩器、移相器、相敏檢波器、低通濾波器、螺旋測(cè)微儀、數(shù)字電壓表、雙線(xiàn)示波器、砝碼、導(dǎo)線(xiàn)等。四、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟1、按圖3接線(xiàn)，差動(dòng)放大器增益適度，音頻振蕩器LV端輸出KHZ,VP-P值V。圖4 電感式傳感器實(shí)驗(yàn)電路圖 2、調(diào)節(jié)電橋WD 、WA電位器，調(diào)節(jié)測(cè)微頭帶動(dòng)銜鐵改變其在線(xiàn)圈中的位置，使系統(tǒng)輸出為零。3

10、、旋動(dòng)測(cè)微頭使銜鐵在線(xiàn)圈中上、下有一個(gè)較大的位移，用電壓表和示波器觀察系統(tǒng)輸出是否正負(fù)對(duì)稱(chēng)。如不對(duì)稱(chēng)則需反復(fù)調(diào)節(jié)銜鐵位置和電橋、移相器，做到正負(fù)輸出對(duì)稱(chēng)。4、旋動(dòng)測(cè)微頭，帶動(dòng)銜鐵向上mm ,向下mm,每旋一周（0.5mm），記錄一電壓值并填入表1、表2。五、 數(shù)據(jù)處理與分析1、根據(jù)表中所測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算靈敏度S，并分析非線(xiàn)性誤差，說(shuō)明誤差產(chǎn)生的原因。2、在坐標(biāo)紙上描出X - V關(guān)系曲線(xiàn)。六、 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1、實(shí)驗(yàn)前應(yīng)檢查實(shí)驗(yàn)接插線(xiàn)是否完好，連接電路時(shí)應(yīng)盡量使用較短接插線(xiàn)，以避免引入干擾。2、接插線(xiàn)插入插孔，以保證接觸良好，切忌用力拉扯接插線(xiàn)尾部，以免造成線(xiàn)內(nèi)導(dǎo)線(xiàn)斷裂。3、照線(xiàn)路圖，應(yīng)在確保接線(xiàn)無(wú)誤后

11、才能開(kāi)啟電源。4、差動(dòng)變壓器的激勵(lì)源必須從音頻振蕩器的電流輸出口(LV插口)輸出。5、差動(dòng)變壓器的兩個(gè)次級(jí)線(xiàn)圈必須接成差動(dòng)形式。6、系統(tǒng)標(biāo)定時(shí)用雙蹤示波器CH1、CH2通道分別接入相敏檢波器1、2端口，用手將銜鐵位置壓到最低，調(diào)節(jié)電橋、移相器，當(dāng)CH1、CH2所觀察的波形正好同相或反相時(shí)，則系統(tǒng)輸出可做到正負(fù)對(duì)稱(chēng)。7、注意示波器應(yīng)先通電預(yù)熱后，再接入電路中觀察波形，否則容易燒毀傳感器電路。8、差動(dòng)放大器的增益要比較小，稍有增益即可。示波器的“觸發(fā)”也要選擇正確。9、差動(dòng)變壓器與示波器的連線(xiàn)應(yīng)盡量短一些，以免引入干擾七、 思考題1、簡(jiǎn)述差動(dòng)變壓器的工作原理，并說(shuō)明差動(dòng)變壓器與一般普通變壓器有什么

12、區(qū)別？2、在測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，測(cè)微頭向上和向下移動(dòng)時(shí)，電路的輸出有何不同？輸入輸出關(guān)系曲線(xiàn)是否重合？為什么？3、移向器、相敏檢波電路、低通濾波器在測(cè)量系統(tǒng)中有什么樣的作用？4 金屬箔式應(yīng)變片與三種測(cè)量橋路的比較一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、測(cè)試應(yīng)變梁變形的應(yīng)變輸出。2、掌握應(yīng)變片單臂、半橋、全橋的工作原理和工作情況。3、驗(yàn)證應(yīng)變片單臂、半橋、全橋的性能及相互之間的關(guān)系。二、 實(shí)驗(yàn)原理應(yīng)變片將應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換成電阻的相對(duì)變化，還要把電阻的變化再轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，才能用電測(cè)儀表進(jìn)行測(cè)量，通常采用電橋電路來(lái)實(shí)現(xiàn)微小阻值變化的轉(zhuǎn)換。圖1 電橋電路圖圖1是一個(gè)直流電橋，它的四個(gè)橋臂由電阻、組成，電阻的相對(duì)變化率分別為

13、、，且，是供橋電壓，則橋路輸出電壓為：當(dāng)電橋平衡時(shí)，橋路相對(duì)臂電阻乘積相等，電橋輸出電壓為零，且注意相對(duì)臂受力方向一致，相鄰臂受力方向相反。根據(jù)電橋工作時(shí)參與工作的橋臂可分為：?jiǎn)伪邸霕蚝腿珮蛉N形式。當(dāng)四個(gè)橋臂都為應(yīng)變片時(shí)，橋路的輸出電壓約為： 當(dāng)單臂工作時(shí)： 輸出電壓 電橋電壓靈敏度當(dāng)和雙臂工作時(shí)：輸出電壓電橋電壓靈敏度當(dāng)、全橋工作時(shí)：電橋電壓靈敏度由此可知，單臂、半橋、全橋電路的靈敏度依次增大；當(dāng)E和電阻相對(duì)變化一定時(shí)，電橋的輸出電壓及其電壓靈敏度與各橋臂阻值的大小無(wú)關(guān)。三、 主要儀器及耗材直流穩(wěn)壓電源（±4V）、電橋、差動(dòng)放大器、貼于主機(jī)工作臺(tái)懸臂梁上的箔式應(yīng)變片、螺旋測(cè)微儀

14、、稱(chēng)重砝碼、數(shù)字電壓表、加熱器、導(dǎo)線(xiàn)等。四、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟1、 設(shè)定旋鈕的初始位置：直流穩(wěn)壓電源打到±2V檔，電壓表打到2V檔，差動(dòng)放大器增益打到最大。2、 差動(dòng)放大器調(diào)零：開(kāi)啟儀器電源，差動(dòng)放大器增益置于最大位置（順時(shí)針?lè)较蛐降祝?，差放的正?fù)輸入端與地端連接在一起。輸出端接數(shù)字電壓表2V檔。開(kāi)啟主機(jī)電源，用調(diào)零電位器調(diào)整差動(dòng)放大器輸出電壓為零，然后拔掉實(shí)驗(yàn)線(xiàn)。調(diào)零后儀器面板上的“增益、調(diào)零”電位器均不應(yīng)再變動(dòng)。如果使用毫伏表，則使毫伏表輸入端對(duì)地短路，調(diào)整“調(diào)零”電位器，使指針居“零”位。拔掉短路線(xiàn)，指針有偏轉(zhuǎn)是有源指針式電壓表輸入端懸空時(shí)的正常情況。調(diào)零后關(guān)閉儀器電源。測(cè)微頭

15、裝于懸臂梁前端的永久磁鋼上，并調(diào)節(jié)使應(yīng)變梁處于基本水平狀態(tài)。3、按圖2將各部件連接成測(cè)量線(xiàn)路。橋路中R1、R2、R3和 Wd 為可調(diào)電位器，r為調(diào)平衡電阻，R4為工作應(yīng)變片（可任選上、下梁中的一片工作片）。直流激勵(lì)電源為 ±4V 。圖24、確認(rèn)接線(xiàn)無(wú)誤后開(kāi)啟儀器電源，并預(yù)熱數(shù)分鐘，使電路工作趨于穩(wěn)定。 選擇適當(dāng)?shù)姆糯笤鲆?，然后調(diào)節(jié)電橋Wd 電位器，使電壓表輸出為零。5、加上砝碼，每加一個(gè)讀數(shù)，將測(cè)得數(shù)值填入下表：重量W(g)電壓V(mV)6、保持放大器增益不變，將R3換為與R4工作狀態(tài)相反的另一應(yīng)變片，形成半橋，調(diào)整電橋平衡電位器，使電壓表輸出為零。然后依次加上砝碼，同樣測(cè)出讀數(shù)，填

16、入下表：重量W(g)電壓V(mV)7、保持差動(dòng)放大器增益不變，將R1，R2兩個(gè)電阻換成另兩片工作片，接成一個(gè)直流全橋，通過(guò)電橋平衡電位器調(diào)好零點(diǎn)。依次加上砝碼，將讀出數(shù)據(jù)填入下表：重量W(g)電壓V(mV)五、 數(shù)據(jù)處理與分析1、根據(jù)表中所測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算靈敏度S ，并比較大小。2、分析非線(xiàn)性誤差，并說(shuō)明誤差產(chǎn)生的原因。3、在同一坐標(biāo)紙上描出W - V關(guān)系曲線(xiàn)。六、 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1、實(shí)驗(yàn)前應(yīng)檢查實(shí)驗(yàn)接插線(xiàn)是否完好，連接電路時(shí)應(yīng)盡量使用較短接插線(xiàn)，以避免引入干擾。2、接插線(xiàn)插入插孔，以保證接觸良好，切忌用力拉扯接插線(xiàn)尾部，以免造成線(xiàn)內(nèi)導(dǎo)線(xiàn)斷裂。3、穩(wěn)壓電源不要對(duì)地短路。所有單元電路的地均須與電源地相連。4、半橋和全橋?qū)嶒?yàn)時(shí)，應(yīng)變片接入電橋時(shí)注意其受力方向。尤其在做全橋?qū)嶒?yàn)時(shí)，一定要保證電路中相對(duì)臂工作方向相同。5、直流穩(wěn)壓電源不能過(guò)大，以免損壞應(yīng)變片。6、在更換橋路連接時(shí)，應(yīng)先將電源關(guān)閉，再接線(xiàn)，以免