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、截面积为、电阻率为的金属丝，在未受力时，原始电阻为： （11）当金属电阻丝受到轴向拉力F作用时，将伸长，横截面积相应减小，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。对式（11）全微分，并用相对

2、变化量来表示，则有： （12）式中的为电阻丝的轴向应变，用表示，常用单位（）。若径向应变为，电阻丝的纵向伸长和横向收缩的关系用泊松比表示为：，因为，则（12）式可以写成： （13）式（13）为“应变效应”的表达式。称金属电阻的灵敏系数，从式（13）可见，受两个因素影响，一个是，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，对半导体，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数左右。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

3、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（13），可以得到被测对象的应变值，而根据引力应变关系： （14）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、

4、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实验二：电

5、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。图21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

6、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（ ）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R1、R2、R3、R4。输出电压的相应变化为：UDB+UDB = E( )在小应变 1的条件下，可以证明桥路输出电压为：UDB =（+）如果R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：UDB = Ks（1234）如果供桥电压E不变，那么构件变形引起的电压输出UDB 与4个桥臂的应变

7、值1、2、3、4成线性关系。式中各是代数值，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（1、3或 2、4）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（ 1 、2或 3、4）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UDB的大小，是按应变直接标定来显示的。因此与UDB对应的应变值仪可由应变仪直接读出来。2组桥方式一般贴

8、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：UDB =（）=Ks（1）单臂测量的结果UDB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：UDB =（ ）=Ks（12） 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。

9、这时：UDB =（+）=Ks（13）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 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：UDB=（）工作片串联后R1 = 2R，同样R1= 2R ，因此UDB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 UDB桥臂系数 B温度补偿单臂测量Ks(1)1BC臂需接一枚补偿片R半桥测量Ks(1-2)1=-2时B=2不需接补偿片温度影响自

10、动消除对臂测量Ks(1+3)1=3时B=2非工作对臂接补偿片全桥测量Ks(1-3+1-3)1=-2=3=-4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

11、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。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实验三：

12、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。

13、 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。 y=sx x y y=s1x+s2x2 +s4x4 + x y y=s1x+s3x3 +s5x5 + y=s1x+s2x2+s3x3+s4x4 + x y x y 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，定度曲线与拟合直线的

14、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。 q 灵敏度：输出量的变化Dy与引起该变化的输入量的变化Dx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。q 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。 q 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、

15、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。0Axy y20 y0 y10 。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

16、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Lab Windows/CVI提供的信号产生函数及信号分析函数的使用。二、实验仪器1.计算机1台 2.Lab Windows/CVI虚拟仪器软件1套三、实验原理虚拟仪器通过软件在通用的计算机平台上定义和设计仪器的

17、功能，用户操作计算机的同时就是在使用一台专门的电子仪器。虚拟仪器以计算机为核心，充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力，通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。软件直接面对操作用户，提供直观、友好的操作界面，通过使用相关函数来实现丰富的数据分析与处理功能。用傅立叶变换将信号变换到频率域：x(t)=a0/2 + a1*sin(2f0t)+b1*cos(2f0t) + a2*sin(2f0t)+b2*cos(2f0t) +. 通过调用函数库中提供的傅立叶变换函数来实现将信号变换到频率域，并在Lab Windows/CVI前面板上显示出信号的幅值谱曲线，从信号幅值谱判断信号特征。四、实验内容

18、正弦波、方波、三角波和白噪声信号是实际工程测试中常见的典型信号，这些信号时域、频域之间的关系很明确，并且都具有一定的特性，通过对这些典型信号的频谱进行分析，对掌握信号的特性，熟悉信号的分析方法大有益处，并且这些典型信号也可以作为实际工程信号分析时的参照资料。本次实验利用Lab Windows/CVI快速可重组虚拟仪器平台可以很方便的对上述典型信号作频谱分析。分析结果用图形在计算机上显示出来，也可通过打印机打印出来。 利用面向虚拟仪器的软件开发平台Lab Windows/CVI设计基于虚拟仪器的典型信号处理系统。源程序代码如下：其中黑体为所要添加的代码#include #include #inc

19、lude #include #include 相关分析.hstatic int panelHandle; static double *wave; static double *wave2; static int samples; static int samples2; int main (int argc, char *argv)if (InitCVIRTE (0, argv, 0) = 0)return -1;/* out of memory */if (panelHandle = LoadPanel (0, 相关分析.uir, PANEL) 0)return -1;DisplayPan

20、el (panelHandle);RunUserInterface ();DiscardPanel (panelHandle);return 0;int CVICALLBACK GenerWave (int panel, int control, int event,void *callbackData, int eventData1, int eventData2)double phase;double cycnum;int sampcyc;double amp;double f; double phase2;double cycnum2;int sampcyc2;double amp2;d

21、ouble f2;switch (event)case EVENT_COMMIT: GetCtrlVal (panelHandle, PANEL_AMP, &); GetCtrlVal (panelHandle, PANEL_NUMPCYC, &sampcyc); f=1.0/sampcyc; GetCtrlVal (panelHandle, PANEL_CYCNUM, &cycnum); GetCtrlVal (panelHandle, PANEL_PHASE, &phase); samples=cycnum*sampcyc; wave=malloc (samples*sizeof(d

22、ouble); SineWave (samples, amp, f, &phase, wave); GetCtrlVal (panelHandle, PANEL_AMP_2, &2); GetCtrlVal (panelHandle, PANEL_NUMPCYC_2, &sampcyc2); f2=1.0/sampcyc2; GetCtrlVal (panelHandle, PANEL_CYCNUM_2, &cycnum2); GetCtrlVal (panelHandle, PANEL_PHASE_2, &phase2); samples2=cycnum2*sampcyc2; wave

23、2=malloc (samples2*sizeof(double) ; SineWave (samples2, amp2, f2, &phase2, wave2); DeleteGraphPlot(panelHandle,PANEL_GRAPH,-1, VAL_IMMEDIATE_DRAW); PlotY (panelHandle, PANEL_GRAPH, wave, samples, VAL_DOUBLE, VAL_THIN_LINE, VAL_EMPTY_SQUARE,VAL_SOLID, 1, VAL_RED); PlotY (panelHandle, PANEL_GRAPH, wav

24、e2, samples2, VAL_DOUBLE, VAL_THIN_LINE,VAL_EMPTY_SQUARE, VAL_SOLID, 1, VAL_YELLOW);break;return 0;int CVICALLBACK Shut (int panel, int control, int event,void *callbackData, int eventData1, int eventData2)switch (event)case EVENT_COMMIT: free(wave); free (wave2);QuitUserInterface (0);break;return 0

25、;int CVICALLBACK Corr (int panel, int control, int event,void *callbackData, int eventData1, int eventData2)double *Rxy;double number;switch (event)case EVENT_COMMIT: number=samples+samples2; Rxy = malloc (number*sizeof(double); Correlate (wave, samples, wave2, samples2, Rxy); DeleteGraphPlot (panel

26、Handle, PANEL_CORRGRAPH, -1, VAL_IMMEDIATE_DRAW); PlotY (panelHandle, PANEL_CORRGRAPH, Rxy, number, VAL_DOUBLE, VAL_THIN_LINE,VAL_EMPTY_SQUARE, VAL_SOLID, 1, VAL_YELLOW); free (Rxy);break;return 0;五、实验步骤1.启动Lab Windows/CVI；2.新建工程窗口；3.在所建工程窗口，新建用户界面；4.在所建用户界面上，建立各个控件：GRAPH控件一个、COMMAND控件3个（显示波形、退出、相关分

27、析）；NUMERICK控件8个，STRING控件2个。5.修改各控件的属性，并保存用户界面；6.创建源代码；7.添加程序代码，保存程序代码文件；8.向工程窗口添加用户界面文件及程序代码文件，保存工程文件；9.运行工程文件。六、实验报告要求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实验五 基于虚拟仪器的计算机测试系统一、实验目的1.熟悉计算机的自动监测系统2.了解虚拟仪器技术的基本思想二、实验仪器1.计算机1台2. Lab Wind

28、ows/CVI虚拟仪器软件1套3.PCI6024E数据采集板及接线端子1套4.温度传感器1个5.电源 1个三、实验原理DAQ板卡DAQ盒信号调理测控对象GPIB接口卡GPIB仪器VXI仪器串行仪器PLC现场总线（Fieldbus）设备其它计算机外围设备虚拟仪器软件开发平台PC图51 虚拟仪器工作原理1.虚拟仪器通常由个人计算机、模块化功能硬件和控制软件组成，即通过模块化功能硬件将要测量的信号或数据采集并传给计算机，然后由控制软件进行分析处理，传给用户；同时虚拟平台通过人机界面获取用户指令，再通过模块化功能硬件传给被控对象。虚拟仪器工作原理如图1所示。2.用软件编程来实现实际的控制系统的功能3.

29、基于虚拟仪器的测控系统组线图数字模拟温度传感器：采集器 A/D PC机 显示信号信号四、实验内容通过温度传感器采集到信号，经A/D转换后，信号由PCI-6024E传给计算机的虚拟仪器工作环境，就可以进行下一步的处理。PCI-6024E板可实现多路开关、放大、采样/保持、A/D转换等功能。Lab Windows/CVI将功能强大、使用灵活的C语言平台与用于数据采集分析和显示的测控专业工具有机地结合起来，利用它的集成化开发环境、交互式编程方法、函数面板和丰富的库函数大大增强了C语言的功能，能用来创建数据采集和仪器控制的应用程序，实现数据采集、分析和显示。利用Lab Windows/CVI编程设计基

30、于虚拟仪器的测试系统。源程序代码如下：其中黑体为所要添加的代码#include #include #include /* Needed if linking in external compiler; harmless otherwise */#include #include #include #include #include tempsys.h#define ON 1#define OFF 0#define NUM_SCANS 100#define UPPER_LIMIT 12.0#define LOWER_LIMIT -12.0#define SCAN_RATE 500.0#defin

31、e MAX_CHANNELS 3int hist_array10, y_array10;double datapoints3 = 22.0, 20.0, 12.0;double temp_history10, x_array10;double upper_limit=22.0, lower_limit =12.0;double rate = 0.5;int handle;static short device=1;static unsigned long numChannels;static double waveformsNUM_SCANS;int main (int argc, char

32、*argv) if (InitCVIRTE (0, argv, 0) = 0) /* Needed if linking in external compiler; harmless otherwise */ return -1; /* out of memory */ handle = LoadPanel (0, tempsys.uir, PANEL); DisplayPanel (handle); RunUserInterface(); return 0;int CVICALLBACK ProcessLoop (int panel, int control, int event, void

33、 *callbackData, int eventData1, int eventData2) double mean, std_dev, voltage; int i; int j;/采集点数 static int count; double tempNUM_SCANS; if (event = EVENT_TIMER_TICK) /* simulate temperature reading */ / temp = (double) rand()/RAND_MAX * 5 + 75;/程序仿真调试时使用 AIAcquireWaveforms (device, 0, NUM_SCANS, S

34、CAN_RATE,UPPER_LIMIT, LOWER_LIMIT, &rate,GROUP_BY_SCAN, waveforms);/测试程序运行时使用 for(j=0;j= upper_limit) SetCtrlVal (handle, PANEL_ALARM_HIGH, ON); else SetCtrlVal (handle, PANEL_ALARM_HIGH, OFF); if (tempj = lower_limit) SetCtrlVal (handle, PANEL_ALARM_LOW, ON); else SetCtrlVal (handle, PANEL_ALARM_LO

35、W, OFF); /* Every 10 readings, perform analysis */ if (count = 10) count = 0; StdDev (temp_history, 10, &mean, &std_dev); SetCtrlVal (handle, PANEL_MEAN, mean); SetCtrlVal (handle, PANEL_STD_DEV, std_dev); Histogram (temp_history, 10, 15, 45, hist_array, x_array, 10); for (i=0;i10;i+) y_arrayi = y_a

36、rrayi + hist_arrayi; PlotXY (handle, PANEL_TEMP_HIST, x_array, y_array, 10, VAL_DOUBLE,VAL_INTEGER,VAL_VERTICAL_BAR,VAL_EMPTY_SQUARE, VAL_SOLID, 1, VAL_YELLOW); return 0;int CVICALLBACK UpdateRate(int panel, int control, int event, void *callbackData, int eventData1, int eventData2) double readings;

37、 switch (event) case EVENT_COMMIT : GetCtrlVal (handle, PANEL_RATE, &readings); rate = 1.0 / readings;SetCtrlAttribute(handle,PANEL_PROCESSTIMER,ATTR_INTERVAL, rate); break; return 0;int CVICALLBACK Reset(int panel, int control, int event, void *callbackData, int eventData1, int eventData2) int i; s

38、witch (event) case EVENT_COMMIT : DeleteGraphPlot (handle, PANEL_TEMP_HIST, -1, 1); for (i=0;i10;i+) y_arrayi = 0; break; return 0;int CVICALLBACK SetAlarms(int panel, int control, int event, void *callbackData, int eventData1, int eventData2) if (event = EVENT_VAL_CHANGED) switch (control) case PANEL_UPPER_LIMIT : GetCtrlVal (handle, PANEL_UPPE