《机械工程测试技术》实验指导书

《机械工程测试技术》实验指导书山东大学机械工程学院实验中心2008年2月１目录实验一信号分析实验——————2实验二传感器的标定实验——————8实验三测试装置特性实验——————————15实验四静态应力应变测试实验——————23实验五动态应力应变测试实验——————33实验六机械振动测试梁的固有频率测定实验————42实验七传感器应用---转速测量实验————48实验八扭转振动测量实验————————38实验九设计实验—————————————50２实验一信号分析一、实验目的1.掌握信号时域参数的识别方法，学会从信号时域波形中观察和获取信号信息。2.加深理解傅立叶变换的基本思想和物理意义，熟悉典型信号的频谱特征，掌握使用频谱分析提取测量信号特征的方法。3.理解信号的合成原理，观察和分析由多个频率、幅值和相位成一定关系的正弦波叠加的合成波形。4.初步了解虚拟仪器的概念。二、实验原理1．信号时域分析信号时域分析又称为波形分析或时域统计分析，它是通过信号的时域波形计算信号的均值、均方值、方差等统计参数。信号的时域分析很简单，用示波器、万用表等普通仪器就可以进行分析。通过本实验熟悉时域参数的识别方法，能够从信号波形中观测和读取所需的信息，也就是具备读波形图的能力。2信号频谱分析信号频谱分析是采用傅里叶变换将时域信号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。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，揭示了信号的频率信息。信号频谱X(f)代表了信号在不同频率分量成分的大小，能够提供比时域信号波形更直观，丰富的信息。工程上习惯将计算结果用图形方式表示，以频率f为横坐标，X(f)的实部和虚部为纵坐标画图，称为时频－虚频谱图；以频率f为横坐标，X(f)的幅值。和相位为纵坐标画图，则称为幅值－相位谱。３附：软件介绍机械工程测试实验程序是以LabVIEW为平台开发的虚拟仪器软件，程序包含了信号分析、信号合成、采样定理、窗函数、相关分析等子程序。程序可以按照设定的信号类型、频率、相位等参数生成仿真信号，并可以对生成的信号进行频谱分析、信号合成、滤波等操作。波形可以通过显示窗口中呈现出来（如图1-1所示）。图1-1波形显示缩放的操作坊法在显示窗口中的工具栏，可以对窗口中的波形现实进行调整。1拖动工具：用来对波形进行拖动；2缩放工具：来实现对波形的多种形式的缩放，此包括图1-2所示的选择项。矩形区域缩放：实现对选定区域放大；X轴缩放：对选区域沿横坐标放大；Y轴缩放：对选区域沿纵坐标放大；图1-2自适应缩放：将波形在XY轴上自动缩放至窗口大小。４三.实验内容1.分析典型信号的幅值谱特性；2.分析合成信号的频谱特点；四.实验仪器和设备1.计算机2.机械工程测试实验软件五、实验步骤：一、打开“机械工程测试实验”程序，选择进入“信号分析”子程序。1.设置一个周期信号的频率、幅值、相位等参数，调整信号显示缩放，分析典型信号的幅值和频率，记录数据并填写表1-1。2．在非周期信号面板中选择不同的信号，设置相关参数，调整信号显示缩放，观察记录不同信号的频谱，记录数据并填写表1-2。3．观察噪声的频域特点。二、打开“信号合成”子程序，设置滤波器为off，设置白噪声幅值为01.设置信号1和信号2为同频、不同相位的正弦波，观察验证合成信号的幅值和相位。2.两个频率接近、振幅不等的正弦信号迭加就会形成“拍振”。设置信号1和信号2为频率相近的正弦波，观察合成信号的特点，并记录数据和波形填写表1-3。3.设置信号1和信号2为不同类型信号，观察合成信号频谱的特点，能够从频谱中看出合成信号的组成。５实验报告姓名班级时间同组者一、实验目的二、实验设备三、预习作业1简述信号分类2写出信号：方波、三角波、锯齿波、Sin(ωt)×e(-at)的傅立叶级数展开式６3推导下列公式(1)积化和差A×sin(ωt)×(3-sin(10πt))(2)和差化积A1×sin(ω1t+φ1)+A2×sin(ω2t+φ2)四、实验结果表1-1典型周期信号频谱数据信号正弦波三角波锯齿波方波频率幅值相位占空比：峰值频率幅值频率幅值频率幅值频率幅值123456７表1-2非周期确定性信号的频谱数据信号A×sin(ωt)×(3-sin(10πt))Sin(ωt)×e(-at)频率幅值峰值频率幅值频率幅值频率幅值1234表1-3“拍振”数据及波形频率幅值信号1信号2合成信号合成信号波形总结周期信号、非周期确定性信号、非周期确定性信号和白噪声的频谱特点？８实验二传感器（电感式）性能测试实验一、实验目的：1、了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。2、了解不同的被测体材料对电涡流传感器性能的影响。3、了解被测体的形状和尺寸对电涡流传感器位移特性的影响。4、掌握电涡流传感器的标定方法。二、实验仪器：CSY-2000传感器与检测技术实验台：涡流传感器，涡流变换器，直流电源，测微头，铁测片，铝测片，电压表。三、实验原理：如图（1）：涡流传感器测量原理图。通过高频电流的线圈产生磁场，当有导电体接近时，因导电体涡流效应产生涡流损耗，而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。涡流效应与金属导体本身的电阻率和磁导率有关，因此不同的材料就会有不同的性能。９电涡流传感器在实际应用中，由于被测体的形状、大小不同，会导致被测体上涡流效应的不充分，会减弱甚至不产生涡流效应，因此影响电涡流传感器的静态特性，所以在实际测量中，往往必须针对具体的被测体进行静态特性标定。四、实验步骤：1、观察涡流传感器的结构，根据图2－2所示，安装电涡流传感器和测微头。2、在测微头端部装上铁质金属圆片，作为电涡流传感器的被测体。图2-2电涡流传感器安装示意图3、根据图2－3所示，将电涡流传感器输出线接入实验模板上标有L的两端插孔中，作为振荡器的一个元件。4、将实验模板输出端Vo与数显单元输入端Vi相接。数显表量程切换开关选择电压20V档。5、用连结导线从主控台接入15V直流电源接到模板上标有＋15V的插孔中。１０图2－3电涡流传感器位移实验接线图6、开启主控箱电源开关，调节测微头使铁测片与传感器线圈端部接触，此时电压表读数为0，记下数显表读数，然后每隔0.25mm读一个数，直到输出几乎不变为止（或线性严重破坏为止）。将结果记入表2－1。7、关断电源，将测微头复原，在测微头端部装上面积大铝测片，接通电源，调节传感器使之与铝测片接触，此时电压表读数为0。旋转测微头，改变传感器与被测体的距离，每隔0.25mm读电压表读数，记入数据表格2-1，直到线性严重破坏为止。8、关断电源，将测微头复原，在测微头端部装上面积小铝测片，接通电源，调节传感器使之与铝测片接触，此时电压表读数为0。旋转测微头，改变传感器与被测体的距离，每隔0.25mm读电压表读数，记入数据表格2-1，直到线性严重破坏为止。9、关闭电源，拆下连接导线、涡流传感器、测微头，将实验模块放入实验台内。１１五、实验数据记录及处理：1、数据记录见下表：表2-1位移X(mm)00.250.500.751.001.251.501.752.00V铁（V）V铝（V）V铝小位移X(mm)2.252.502.753.003.253.503.754.004.25V铁（V）V铝（V）V铝小位移X(mm)4.504.755.005.255.505.756.006.256.50V铁（V）V铝（V）V铝小2、数据处理：以位移为横坐标，V铁（V铝）为纵坐标，在同一坐标系上作出V铁-X曲线，V铝-X曲线，V铝小-X曲线。如图2-4：１２V铁（铝）（v）16151413121110987654321012345X(mm)图2-4V铁（铝）---X曲线（1）从曲线上找出涡流传感器的线性工作范围。线性工作范围为：X铁=至mm；X铝=至mm；X铝小=至mm；１３（2）求线性范围的灵敏度S铁，S铝。线性范围的灵敏度为：S铁=V/mm；S铝=V/mmS铝小=V/mm（3）用端点法作出拟和曲线，求出线性度δL（仅限铁测片）。线性度δL(铁)=（4）确定涡流传感器的最佳工作点（即用涡流传感器测振动时，涡流传感器离被测体的最佳距离为多少涡流传感器的最佳工作点为：δ铁0=mmδ铝0=mmδ铝小0=mm3、分析讨论（1）被测体材料对涡流传感器工作特性有何影响？答：（2）被测体材面积对涡流传感器工作特性有何影响？答：１４（3）、电涡流传感器的量程与哪些因素有关，如果需要测量±5mm的量程应如何设计传感器？（4）、用电涡流传感器进行非接触位移测量时，如何根据量程使用选用传感器。（5）、当被测体为非金属材料如何利用电涡流传感器进行测试？（6）、目前现有一个直径为10mm的电涡流传感器，需对一个轴直径为8mm的振动进行测量？试说明具体的测试方法与操作步骤。１５实验三滤波器特性实验一、实验目的：1、掌握动态特性的含义及其测量方法。2、以RC滤波器为例掌握滤波器特性的测试方法。3、明确RC滤波器各有关参数的含义及确定方法。二、实验仪器：EGC-3230型数字信号发生器额，YE3790型高、低通组合滤波器，TD1914C交流毫伏表，导线若干。三、实验原理：如图：１６图3-4、测试系统原理图图3-1、图3-2、图3-3分别为低通、高通、带通滤波器的原理图。如图3-4，信号发生器的输出接到滤波器的输入端，滤波器的输出端接交流毫伏表，当直通/滤波开关接通时，用毫伏表测量滤波器的输入电压，当直通/滤波开关断开时，用毫伏表测量滤波器的输出电压；确定输出电压和输入电压的比值与输入信号频率的函数关系，即为滤波器的频率特性，从频率特性曲线上可以确定滤波器的各个参数。四、实验步骤：1、选择低通滤波器，将理论截至频率旋钮转到合适位置，并记下截至频率值。2、将毫伏表量程选择开关打在1V档。4、将信号发生器的频率调到20Hz，输出电压调到0V，信号发生器的输出端接到低通滤波器的输入端，低通滤波器的输出端接到毫伏表上。5、接通电源，调节信号发生器的输出电压，用毫伏表测滤波器的输入电压，使毫伏表的读数为0.8V左右。6、逐级改变信号发生器的频率，在毫伏表上逐次读取各频率下滤波器的输入和输出电压。将数据填入表格3-1。１７7、将信号发生器的频率调回20HZ，输出电压调到0V，关闭电源。8、选择高通滤波器，将理论截至频率旋钮转到合适位置，并记下截至频率值。信号发生器的输出端接到高通滤波器的输入端，高通滤波器的输出端接到毫伏表上。9、重复步骤4、5、6。将数据填入表格3-2。10、将低通滤波器的输出接至高通滤波器的输入端，保持原低通滤波器、高通滤波器的截至频率不变，并记下截至频率值。信号发生器的输出端接到低通滤波器的输入端，高通滤波器的输出端接到毫伏表上。11、重复步骤4、5、6。将数据填入表格3-3。五、实验数据记录及处理：1、数据记录见表格3-1、3-2、3-3：2、数据处理：以输入频率为横坐标，以输出/输入幅值比为纵坐标，分别作出三种滤波器的幅频特性曲线。见下图3-5、3-6、3-7：3、分析讨论：（1）从低、高通滤波器特性曲线上找出其相应的截止频率（在曲线上标出），并与理论值比较。低通滤波器的上截止频率：测试值fc2=理论值fc’2=误差δ2=１８高通滤波器的上截止频率：测试值fc1=理论值fc’1=误差δ1=（2）带通滤波器特性曲线上找出带通滤波器的上、下截止频率（在曲线上标出），确定带通滤波器的带宽、中心频率及倍频程选择性。带通滤波器的下截止频率测试值fc1=上截止频率测试值fc2=带通滤波器的带宽B=中心频率f0=倍频程选择性=１９表格3-1：低通滤波器理论截至频率输入频率(Hz)输入幅值(V)输出幅值(V)输出、输入幅值比203040608010020030040050060070080010002000300060008000２０表格3-2：高通滤波器理论截至频率输入频率(Hz)输入幅值(V)输出幅值(V)输出、输入幅值比203040608010020030