机械测试技术实验

1机械测试技术实验指导书测控技术与仪器教研室2003年9月2实验一：应变片的粘贴一、实验目的：1．熟悉应变片的工作原理2．掌握应变片的粘贴工艺3．加深对传感器结构的认识二、实验仪器：锯条、导线、电阻应变片、丙酮、药棉、502胶水、铁砂布、绝缘胶布、电烙铁、万用表等。三、实验原理：1．金属的电阻应变效应当金属丝在外力作用下方式机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为属的电阻应变效应。设有一根长度为l、截面积为S、电阻率为的金属丝，在未受力时，原始电阻为：lRS（1－1）当金属电阻丝受到轴向拉力F作用时，将伸长l，横截面积相应减小S，电阻率因晶格变化等因素的影响而改变，故引起电阻值的变化R。对式（1－1）全微分，并用相对变化量来表示，则有：RlSRlS（1－2）式中的ll为电阻丝的轴向应变，用表示，常用单位（61110/mmmm）。若径向应变为rr，电阻丝的纵向伸长和横向收缩的关系用泊松比表示为：()rlrl，因为2SrSr，则（1－2）式可以写成：0(12)(12)RllllkRllll（1－3）式（1－3）为“应变效应”的表达式。0k称金属电阻的灵敏系数，从式（1－3）可见，0k受两个因素影响，一个是(12)，它是材料的几何尺寸变化引起的，另一个是，是材料的电阻率随应变引起的（称“压阻效应”）。对于金属材料而言，以前者为主，则012k，对半导体，0k值主要是由电阻率相对变化所决定。实验也表明，在金属电阻丝拉伸比例极限内，电阻相对变化欲轴向应变成正比。通常金属丝的灵敏系3数02k左右。2．应变片的测量原理用应变片测量受力应变时，将应变片粘贴于被测对象表面上。在外力作用下，被测对象表明产生微小机械变形时，应变片也随同变形，其电阻值发生相应变化。通过转换电路转换为相应的电压或电流的变化，根据式（1－3），可以得到被测对象的应变值，而根据引力应变关系：E（1－4）式中——测试的应力；E——材料弹性模量。可以测得应力值。通过弹性敏感元件，将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，因此可以用应变片测量上述各量，从而做成各种应变式传感器。四、实验内容：把电阻应变片粘贴到锯条上，并焊接上引线。完成之后用万用表分别测量锯条不弯曲时从电阻应变片两端引出的两引线间的电阻值、锯条分别往两边弯曲使得应变片发生形变时从电阻应变片两端引出的两引线间的两个电阻值。五、实验步骤：1．将锯条上粘贴的应变片拆除；2．用铁砂布把锯条打磨干净；3．用药棉粘上丙酮，将锯条打磨光滑；4．用502胶水将电阻应变片平整的粘贴到打磨光滑的锯条上；5．用电烙铁把两根导线分别焊接到电阻应变片的两条引线上；6．绝缘：将两根导线之间用绝缘胶布绝缘、将导线与锯条之间也用绝缘胶布绝缘。7．用万用表分别测量应变片未发生形变及发生正形变和负形变时的电阻值变化情况。六、实验报告：要求如下格式详细记录整个实验的过程，并要求有实验结论和对实验进行分析和总结，达到别人根据你的实验报告能把实验重复做出来的要求。一、实验目的二、实验仪器三、实验原理四、实验步骤五、实验结论六、实验分析及误差分析4实验二：电桥特性一、实验目的：1．掌握半桥、全桥组桥方法2．熟悉电阻应变片的原理、使用方法3．掌握半桥、全桥组桥原理及其应用二、实验仪器：电桥盒、应变片、砝码、BZ2206静态电阻应变仪等。三、实验原理：1．电桥原理电桥是将电阻、电感、电容等参量的变化变成电压或电流输出的一种测量电路，其输出既可用指示仪表直接测量，也可以送入放大器进行放大。桥式测量电路简单，并具有较高精确度盒灵敏度，因此在测量装置中广泛应用。电桥电路如下图所示。测量电路有多种，最常用的是桥式测量电路。R1、R2、R3、R4四个电阻依次接在A、B、C、D（或1、2、3、4）之间，构成电桥的四桥臂。电桥的对角AC接电源，电源电压为E；对角BD为电桥的输出端，其输出电压用UDB表示。可以证明UDB与桥臂电阻有如下关系：UDB=E（）图2－15若4个桥臂电阻由贴在构件上的4枚电阻片组成，而且初始电阻R1=R2=R3=R4，当输出电压UDB=0时，电桥处于平衡状态。构件变形时，各电阻的变化量分别为ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4。输出电压的相应变化为：UDB+ΔUDB=E()在小应变1的条件下，可以证明桥路输出电压为：ΔUDB=（－+－）如果ΔR仅由机械变形引起、与温度影响无关，而且4枚电阻片的灵敏系数Ks相等时，根据，可以写成：ΔUDB=Ks（ε1－ε2＋ε3－ε4）如果供桥电压E不变，那么构件变形引起的电压输出ΔUDB与4个桥臂的应变值ε1、ε2、ε3、ε4成线性关系。式中各ε是代数值，其符号由变形方向决定。一般拉应变为正、压应变为负。根据这一特性：相邻两桥臂的ε（ε1、ε3或ε2、ε4）符号一致时，两应变相抵消；如符号相反，则两应变的绝对值相加。相对两桥臂的ε（ε1、ε2或ε3、ε4）符号一致时，两应变的绝对值相加；如符号相反，则两应变相抵消。实验如果能很好地利用电桥的这一特性，合理布片、灵活组桥，将直接影响电桥输出电压的大小，从而有效地提高测量灵敏度、并减少测量误差。这种作用称做桥路的加减特性。电阻应变仪是测量应变的专用仪器，桥路输出电压ΔUDB的大小，是按应变直接标定来显示的。因此与ΔUDB对应的应变值ε仪可由应变仪直接读出来。62．组桥方式一般贴在构件上参与机械变形的电阻片称做工作片，在不考虑温度影响的前提下，应变片接入各桥臂的组桥方式不同、与工作片相应的输出电压也不同。几种典型的组桥方式如下：单臂测量只有一枚工作片R1接在AB桥臂上。其它3个桥臂的电阻片都不参与变形应变e为零。这时电桥的输出电压为：ΔUDB=（）=Ks（ε1）单臂测量的结果ΔUDB代表被测点的真实工作应变。半桥测量两枚工作片R1、R2分别接在相邻两个桥臂AB、BC上。其它两个桥臂是应变仪的内接电阻。这时电桥的输出电压为：ΔUDB=（－）=Ks（ε1－ε2）对臂测量两枚工作片R1、R3分别接在对臂AB、CD上。温度补偿片R2、R4分别接在其它两对臂BC、AD上。这时：ΔUDB=（+）=Ks（ε1＋ε3）一般贴在构件上参与机械变形的电阻片称做工作片，在不考虑温度影响的前提下，应变片接入各桥臂的组桥方式不同、与工作片相应的输出电压也不同。几种典型的组桥方式如下：单臂串联测量7两枚串联的工作片2R接AB臂。而两枚串联的温度补偿片2R接BC臂。其他两个桥臂接仪器的内接电阻这时：ΔUDB=（）工作片串联后R1=2R，同样ΔR1=2ΔR，因此ΔUDB的测量结果不变，与两枚阻片电阻变化率的平均值成正比。图表1典型的组桥方式组桥方式输出电压ΔUDB桥臂系数B温度补偿单臂测量Ks(ε1)1BC臂需接一枚补偿片R半桥测量Ks(ε1-ε2)ε1=-ε2时B=2不需接补偿片温度影响自动消除对臂测量Ks(ε1+ε3)ε1=ε3时B=2非工作对臂接补偿片全桥测量Ks(ε1-ε3+ε1-ε3)ε1=-ε2=ε3=-ε4时B=4不接补偿片,温度影响可自动消除串联测量()B=1阻值与工作片相会地补偿片串联后接BC臂四、实验内容：从实验一中所做的电阻应变片中取两个，加上电桥盒里的两个固定电阻组成半桥，并通过电桥盒把相应的应变输入到BZ2206静态电阻应变仪，并逐步的增加砝码使其发生应变，记录下每加一次的砝码重量和BZ2206静态电阻应变仪中显示的应变；同样，取四个实验一中所做的电阻应变片组成全桥，并通过电桥盒把相应的应变输入到BZ2206静态电阻应变仪，并逐步的增加砝码使其发生应变，记录下每加一次的砝码重量和BZ2206静态电阻应变仪中显示的应变。最后以增加的砝码重量为横轴，应变为纵轴，做图。8五、实验步骤：1．在电桥盒上组建半桥；2．把BZ2206静态电阻应变仪调零；3．逐步增减砝码，并记录砝码重量和BZ2206静态电阻应变仪显示的应变；4．在电桥盒上组建全桥；5．把BZ2206静态电阻应变仪调零；6．逐步增减砝码，并记录砝码重量和BZ2206静态电阻应变仪显示的应变；六、实验报告：要求如下格式详细记录整个实验的过程，并要求有实验结论和对实验进行分析和总结，达到别人根据你的实验报告能把实验重复做出来的要求。一、实验目的二、实验仪器三、实验原理四、实验步骤五、实验结论六、实验分析及误差分析9实验三：测试系统静态特性分析一、实验目的：1．熟悉灵敏度、回程误差、线性误差等的定义2．掌握灵敏度、回程误差、线性误差等的测量方法3．加深对电桥电路的认识二、实验仪器：电桥盒、应变片、砝码、BZ2206静态电阻应变仪等。三、实验原理：静态测量时，测试装置表现出的响应特性称为静态响应特性。静态方程与定度曲线静态方程测试装置处于静态测量时，输入量x和输出量y不随时间而变化，它们的各阶微分等于0。系统微分方程变为：该方程称为装置的静态（传递）特性方程，简称静态方程。实际测量装置并非理想的定常线性系统，在静态测量中，上式实际变为：静特性就是在静态测量情况下描述实际测试装置与理想定常线性系统的接近程度。定度曲线表示静态（或动态）方程的图形称为测试装置的定度曲线（特性曲线、校准曲线、标定曲线）。习惯上，定度曲线是以输入x作为自变量，对应输出y作为因变量，在直角坐标系中绘出的图形。测试装置的主要静特性参数非线性度：通常定度曲线并非直线。工程上，用一条反映定度数据的一般趋势而误差绝对值为最小的拟合直线作为参考理想直线。线性度即是定度曲线接近拟合直线的程度，用线性误差表示，即用装置标称输出范围（全量程）A内，y=sxxyy=s1x+s2x2+s4x4+xyy=s1x+s3x3+s5x5+y=s1x+s2x2+s3x3+s4x4+xyxy0000,bbyxsxsaa232123123()ysxsxsxssxsxx10定度曲线与拟合直线的最大偏差B表示。或表示成相对误差形式：灵敏度、鉴别力阈、分辨力用来描述测量装置对被测量变化的反应能力。灵敏度：输出量的变化y与引起该变化的输入量的变化x之比。即：理想情况下：实际总是用定度曲线的拟合直线的斜率作为该装置的灵敏度。灵敏度的单位取决于输入、输出量的单位，当输入输出量纲相同时，灵敏度就是该测量系统的放大倍数。注意：灵敏度越高，测量系统的稳定性也往往越差。鉴别力阈：引起测量装置输出值产生一个可察觉变化的最小被测量变化值，也称为灵敏阈或灵敏限。用来描述装置对输入微小变化的响应能力。分辨力：测试装置有效地辨别紧密相邻量值的能力。回程误差（滞后、迟滞、滞差、变差输入量由小到大与由大到小变化时，测试装置对同一输入量所得输出量不一致的程度。回程误差用全量程范围内，同一输入量下所得输出的最大差值hmax与量程A之比的百分数表示。。max100%hA回程误差0Axyy20y0y10%100AB非线性度（误差）ySx00constantbyySxxa11四、实验内容：由实验二所得实验数据，进行相应灵敏度、回程误差、线性误差等的计算，并画出相应曲线。五、实验步骤：1．由实验二所得半桥数据进行相应静态特性分析；2．由实验二所得全桥数据进行相应静态特性分析；3．分别画出半桥、全桥各静态特性相应的曲线图；六、实验报告：要求如下格式详细记录整个实验的过程，并要求有实验结论和对实验进行分析和总结，达到别人根据你的实验报告能把实验重复做出来的要求。一、实验目的二、实验仪器三、实验原理四、实验步骤五、实验结论六、实验分析及误差分析12实验四虚拟仪器信号处理系统一、实验目的1.在理论学习的基础上，通过本实验熟悉典型信号的波形特征，加深对相关分析概念、性质、作用的理解。2.熟悉典型信号的频谱特征，能够从信号频谱中读取所需的信息，也就是具备读谱图的能力。3.通过对虚拟仪器信号处理系统的设计，使学生了解利用虚拟仪器建立信号处理系统的设计方法，同时了解LabWindows/CVI提供的信