《机械工程测试技术》实验指导书要点

《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

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—————————————50

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。

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。

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0

1. 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。

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

3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

表1-2 非周期确定性信号的频谱数据

表1-3 “拍振”数据及波形

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？

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。

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V i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。

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。

五、实验数据记录及处理：

1、数据记录见下表：

表2-1

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：

V铁（铝）

0 1 2 3 4 5 X(mm)

图2-4 V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；

（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/mm

S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 = mm

δ铝0 = mm

δ铝小0 = mm

3、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：

（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。

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：

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。

7、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=

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=

表格3-1：低通滤波器

理论截至频率