机械工程测试技术基础

机械⼯程测试技术基础
第⼀章：概述
本系列实验课程是组成课程的重要环节，是理论课程的补充和完善。

能够引导学⽣在科学实验的实践中，掌握⼀些基本的实验技能与实践⽅法，在安排实验时重点突出了学⽣动⼿能⼒、分析判断问题的能⼒以及解决问题的能⼒的培养。

在实验过程中，学⽣可以通过更直观的⽅法，了解理论课程中的⼀些知识点，不但加深对理论知识的理解和认识，同时，培养了学⽣求真务实的思想作风，以及理论联系实际的科学态度，提⾼了学⽣的综合素质，为学⽣的就业，创业奠定了⼀定的基础。

本系列实验是根据理论教学的顺序⽽设⽴的，且实验的安排也是根据理论教学的顺序和要求安排的。

既注重了理论知识点的实验，⼜注重了这些知识点的联系，本系列实验所使⽤的测试仪器设备的选择⽐较典型。

通过实验让学⽣掌握了机械⼯程测试⽅法和⼿段，对学习和掌握其它专业课程知识具有积极的作⽤。

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第⼆章：实验要求及注意事项
1．实验前要认真复习有关理论知识、详细阅读实验指导书。

预习有关测量⽅法；步骤以及有关测试实验设备的使⽤⽅法。

针对不同的实验列出实验的实验⼤纲，并结合理论知识分析判断实验过程中出现的问题。

2．严格按照实验室管理规定执⾏。

3．严格按照仪器设备的操作规程操作。

4．按照实验指导完成接线后经⽼师检查同意⽅可进⾏实验。

5．实验过程中遇到问题不要擅⾃处理，请指导⽼师解决。

6．实验完毕，整理实验设备、设施，搞好实验室卫⽣。

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第三章：实验项⽬
实验⼀：信号的合成与分解实验
⼀、实验⽬的：
1．掌握利⽤傅⽒级数谐波分析的⽅法
2．学习和掌握不同频率的正弦波相位差是否为零的鉴别和测试⽅法。

3．掌握带通滤波器的有关特性测试。

4．全⾯了解波形分析与合成的原理。

⼆、实验属性：
本实验为验证性实验。

三、实验仪器：
1．XPF-4型谐波分析实验仪。

2．晶体管毫伏表
3．双踪⽰波器
四、实验要求：
1．实验前认真收集资料，复习有关电⼦测量的⽅法，仪器使⽤⽅法，复习锯齿波、⽅波和频谱分量。

2．实验中应精⼼操作仪器，结合实验指导书完成每⼀实验步骤，对实验中出现的问题要认真分析。

3．实验完成后认真分析实验数据，按规定格式完成实验报告。

五、实验原理：
XPF-4型谐波分析实验仪由信号源（锯齿波、⽅波）、带通滤波器（七个）、相位调节器（七个）、正反向选择器（七个）、幅度调节（七个）、加法器等部分组成，如图⼀所⽰。

信号源产⽣两种信号，锯齿波和⽅波，在⼏种典型⾮正弦周期信号中，谐波分量较丰富的是锯齿波。

本系统采⽤七个同类型带通滤波器将锯齿波信号按傅⽒级数分解为⼀系列正弦波，适当选择调整各带通滤器的参数，得到中⼼频率为100HZ、200HZ、300HZ、……700HZ的带通滤器。

从⽽实现了波形分解，分解为基波f0的整数倍，即：f n=nf0（对应⼆次谐波、三次谐波……七次谐波），被分解的谐波成分还可进⾏相位和幅值调节，并可按⼀定条件合成为⽅波、锯齿波等⾮正弦周期信号。

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图1-1 实验仪器原理图
六、实验步骤
⼀）锯齿波信号的分解与合成步骤：
1．⽤⽰波器观察锯齿波即连接
2
．将锯齿波送⼊分析仪
3．⽤⽰波器⼀个通道连接基波即
GND 红线接f 0。

4
．⽤⽰波器另⼀个通道连接分析仪输出红线接输出。

5．调⽰波器使两通道位置居中，（两通道共同显⽰） 6．调相位ф1使两通道波形（均为正弦波）相位相同调ф2使⼆次谐波与基波相位相同，ф3……ф7
7．调正反向、根据锯齿波2、4、6……为负值将k 2、k 4、k 6反相。

8．调幅值11:A k '接通，调1A 为某⼀个数（1V 或0.6等）17
k k '' 从接地逐个调整为接通，幅值调好后再调⾄接地1k '接地，2
k '接通，调A2为12
A ， (7)
17
A 。

9．合成：①17
k k '' 逐个接通可看到锯齿波叠加波形
5
②1k '、3k '、5k '逐个接通可看到⽅波叠加
⼆）实验报告要求：
1．详细总结波形分解与合成的原理；
2．总结波形分解与合成调节过程；
3．详细整理实验数据，并画出波形合成的图形。

实验⼆：电阻式传感器电桥和差特性实验
⼀、实验⽬的
1．了解YD28A 型动态电阻应变仪的基本原理和组成：
2．了解YD28A 型动态应变仪的操作⽅法。

3．通过在测⼒环上加载试验，测得作⽤⼒P 与应变ε的关系。

4．观察各组成环的输⼊波形，分析各级波形的变化。

⼆、实验属性
本实验为综合性实验、实验涉及本课程第⼆章⾄第五章的知识内容，即电阻式传感器，测试系统的特性，中间转换电路以及记录仪的原理与应⽤等。

三、实验仪器及器械材1．YD28A 型动态电阻应变仪 2．SC-16光线⽰波器 3．刚环测⼒架四、实验要求
1．实验前认真收集资料，复习有关电⼦测量的⽅法，仪器使⽤⽅法。

2．实验中应精⼼操作仪器，结合实验指导书完成每⼀实验步骤，对实验中出现的问题要认真分析。

3．实验完成后认真分析实验数据，按规定格式完成实验报告。

五、实验原理
1．测量系统⽅框图
测量系统⽅框图如图2—1所⽰
图2—1
2．钢环测⼒架
如图2—2所⽰，钢环测⼒架上的钢环上贴有4⽚电阻应变⽚，内环上为R1R4，外环上为R2R3。

⼿柄加⼒，千分表显⽰钢环变形的⼤⼩，当千分表显⽰变形量为0.10mm 丝时相当于⼿柄对钢环加24公⽄的⼒。

这时，应变⽚要发⽣变形。

图2-2 钢环测⼒架
3．实验内容
3.1半桥单臂：
组成电桥的四个电阻有⼀个是可变电阻，即有⼀个是测⼒环上的电阻。

如图2—3所⽰。

图2-3 半桥单臂电桥盒接线
3.2半桥双臂
组成电桥的四个电阻有⼆个是可变电阻，即有测⼒环上的⼀个内环电阻和⼀个外环电阻。

如图2—4所⽰。

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图2-4 半桥双臂电桥盒接线
3.3全桥：
组成电桥的四个电阻均为可变电阻，即四个电阻全为钢环上的电阻。

如图2—5所⽰。

R1、R2——测⼒环内环电阻（或外环电阻）
R2、R4——测⼒环内环电阻（或内环电阻）
图2-5 全桥电桥盒接线图
六、实验步骤：
1．⾸先对照附录A图4、5，YD-28A型动态应变仪的开关、旋钮，并检查各档开关、
旋钮是否恢复到测试前的初始位置。

2．按照图2—1原理⽅框图接线
3．打开电源箱开关，预热仪器10分钟。

4．以半桥单臂的⼯作状态接⼊电桥盒，如图2—3所⽰。

5．将电桥接⼊的相应通道调零。

7
6．将衰减旋扭调⾄合适的位置。

7．对被测量进⾏标定使光线⽰波器感光纸上的记录位置适当。

8．在测⼒环上加载，读取和记录各种载荷下相应的应变。

9．以半桥双臂⼯作状态下接⼊电桥盒，如图2—4所⽰。

重复第5、6、7、8步骤。

10．以全桥⼯作状态接⼊电桥盒，如图2—5所⽰。

重复第5、6、7、8步骤。

七、实验报告要求
1．简述电阻应变⽚的基本原理，以及桥臂变换对测量的影响。

2．整理数据，画出载荷——应变曲线，并求出各种电桥的灵敏度。

实验三：光线⽰波器振⼦的幅频特性实验
⼀、实验⽬的：
1．了解光线⽰波器的使⽤⽅法。

2．掌握振⼦的幅频特性的测量⽅法。

3．熟悉振⼦的幅频特性的规律。

⼆、实验属性：
本实验为验证性实验
三、实验仪器
1．SC-16光线⽰波器
2．信号发⽣器
四、实验要求
1．实验前认真收集资料，复习有关电⼦测量的⽅法，仪器使⽤⽅法。

2．实验中应精⼼操作仪器，结合实验指导书完成每⼀实验步骤，对实验中出现的问题要认真分析。

3．实验完成后认真分析实验数据，按规定格式完成实验报告。

五、实验原理
1．振⼦的特性参数
振⼦的特性参数如表⼀：
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表⼀：
测定FC6-1200 FC6-400振⼦的幅频特性： 1．FC-1200振⼦的幅频特性测量
1）按图3-1接线图接线 2）调整信号发⽣器使光线⽰波器输⼊频率分别为：600、800、1000、1050、1100、1150、1200、1250。

3）分别⾛动光线⽰波器感光纸，量出不同频率下振⼦的幅值⼤⼩。

2．FC6-400振⼦的幅频特性测量： 1）按图3-1接线图接线
2）调整信号发⽣器使光线⽰波器输⼊频率分别为：50
100150200250300330350
370390
400420450500550600
3）分别⾛动光线⽰波器感光纸，量出不同频率下振⼦的幅值⼤⼩。

4）实验数据
（2）测定FC6-1200振⼦的幅频特性
六、实验报告要求
1．简述光线⽰波器振⼦的⼯作原理。

2．画出振⼦的幅频特性曲线。

3．整理实验数据，并分析不同振⼦的幅频特性。

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第四章：实验项⽬涉及的主要仪器设备简介
附录A：XPF型谐波分析仪主要性能简介
XPF-4型谐波分析实验仪由信号源（锯齿波、⽅波）、带通滤波器（七个）、相位调节器（七个）、正反向选择器（七个）、幅度调节（七个）、加法器等部分组成，如图⼀所⽰。

信号源产⽣两种信号，锯齿波和⽅波，在⼏种典型⾮正弦周期信号中，谐波分量较丰富的是锯齿波。

本系统采⽤七个同类型带通滤波器将锯齿波信号按傅⽒级数分解为⼀系列正弦波，适当选择调整各带通滤器的参数，得到中⼼频率为100HZ、200HZ、300HZ、……700HZ的带通滤器。

从⽽实现了波形分解，分解为基波f0的整数倍，即：f n=nf0（对应⼆次谐波、三次谐波……七次谐波），被分解的谐波成分还可进⾏相位和幅值调节，并可按⼀定条件合成为⽅波、锯齿波等⾮正弦周期信号。

图1 实验仪器原理图
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附录B ：YD 型动态电阻应变仪主要性能简介
YD-28A 结构与⼯作原理
电阻应变仪是利⽤⾦属材料的特性，把机械量转换成电量的测量仪器，应变测量的转换元件应变计，它是⽤极细的⾦属电阻丝烧成或⽤⾦属箔⽚印刷腐蚀⽽成，⽤粘贴剂将应变计牢固地贴在试件上，当被测试件受外⼒作⽤下，长度发⽣相对变化AI ．ZL ，粘贴在试件上的电阻应变计也相应变化，应变计的电阻值也发⽣了变化A1VR ，这样就把机械量——变形转换电量——电阻值的变化⽤灵敏的电阻测量仪器——电桥，测出电阻值的变化AR ／R ，就可以换算出相应的应变，如果这电桥⽤应变来刻度，就可以直接读出应变，完成了⾮电量的电测，应变仪就是按照该原理进⾏定标的，电阻应变计的“应变效应”是指上述机械量转换成电量的关系，⽤电阻应变计的“灵敏系数”K 来表征：
//R L R K R L R ε=
=
仪器⼯作原理框图如图1所⽰：
电桥按120fl 设计的，图2中的凡和n2为半桥测量时的外接应变计，在电桥盒内有两个120t2精密⽆感线绕电阻作为半桥测量时的内半桥，全桥测量时则将该两个电阻断开，电桥图2的A 、C 端是由直流稳定桥压为对称联接。

在⽆信号时，按⾃动调零使输出为零，当试件受⼒产⽣变形时，由“应变效应”⽽引起桥臂应变计阻值变化,~R ／R ，破坏了电桥的平衡，B 、D 端有⼀个AU 的电压输出，见图2。

1144R U E K E R ε??≈
≈
仪器的频率特性见图3。

13图1
图2
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图3
（⼆）前⾯板各部分名称和作⽤
前⾯板的布置图见图4。

(1)衰减开关，当增益细调电位器逆时针⽅向旋⾜，衰减与仪器增益之间关系列⼊表1中。

(2)增益电位器：将该电位器逆(或顺)时针⽅向旋⾜时，仪器增益为衰减开关位置决定的增益乘1倍(或2.5倍)。

(3)电阻平衡电位器：顺时针旋转该电位器，输出向正偏，逆时针旋转该电位器，则输出向负偏，调节范围为±50µε。

(4)滤波器开关：根据需要可选择不同档的截⽌频率。

(5)输出电位器：该电位器逆(或顺)时针⽅向旋⾜时，仪器的输出电流从1~1/5连续可调。

(6)标定极性开关：当该开关置于右边时，标定值为正；置于左边时，标定值为负，⽽当开关置于“OPP ”时，不管标定开关在何位置，仪器处于不标定状态，⽬⼝仪器⽆标定信号输出。

(7)标定开关：应变标定，标定值⼤⼩为⾯板指⽰值乘以100µε。

(8)调零按钮开关：作⾃动平衡⽤，当初始不平衡时按此按钮开关使绿⾊发光⼆极管亮，平衡时间约0.1秒。

(9)平衡指⽰灯：该发光⼆极管⽤于仪器输出信号平衡指⽰⽤，当输出信号在±20mv 之内，绿⾊发光⼆极管亮。

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图4
表1
（三）后⾯板各部分名称和作⽤。

后⾯板布置见图5。

（10）输⼊插座：⽤于连接电桥盒，传感器或电压测量，⽰意图见图6。

（11）电压输出插座
图5 Array 1——“_”信号输⼊端；
2——桥压负端
3——“+”信号输⼊端；
4——公共地；
5——桥压负端反馈端；
6——桥压正端反馈端；
7——桥压正端。

图6
（12）电流输出插座
（13）直流电压输⼊插座
主要技术性能
（⼀）基本参数
1 测量通道：4通道或6通道组合式。

2 输⼊特性范围：仪器的最⼤输⼊信号为⼟100mv、应变为±100000 (衰减：1／20，增益：X1，桥压：2V，灵敏系数：2.00）；输⼊阻抗⾼于100MΩ。

3 输出特性范围：
a．电压输出：0～±10V（负载5KΩ）；
b．电流输出：0～⼟50mA（负载200Ω）
c．输出阻抗：0.5n，容性负载：0.1µf时可获得稳定⼯作；
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d．YD—28A数字显⽰灵敏度：10000字／5000µε。

4 电压灵敏度：05V／100µε（桥压：2V，灵敏系数：2.00）。

5 灵敏系数：K=2.00。

6 适⽤电阻应变计的范围：60Ω—1000Ω。

7 供电桥电压：仪器供电桥电压为直流电压：2VDC（机内有长导线补偿功能）。

8 滤波特性：仪器带有⼆阶Butterworth型有源低通滤波器，截⽌频率分为10Hz、30Hz、100Hz、300Hz和W/B共五档。

9 供电电源：频率50Hz，电压220V正弦交流电。

10 功耗：四通道约26V A，六通道约35V A。

11 外形尺⼨和重量：四通道，深335mm，宽360mm，⾼190mm，重约10kg；六通道：深335mm，宽470mm，⾼190mm，重约12.5kg。

12 保险丝容量：0.5A。

（⼆）主要技术指标：
1 线性误差：不⼤于±0.1％F·S。

2 标定误差：仪器带有内部标定器，标定分⼟200µε、⼟500µε、⼟1000µε、±2000µε、±5000µε五档，标定误差不⼤于标定值的±0.5％(最⼩⼟2µε)。

3 衰减误差：仪器具有量程衰减，衰减分为：1、1/2、1/5、1/10、1/20五档，衰减误差不⼤于±0.5％F·S。

4 频率响应范围：DC-2KHz（误差不⼤于±0.5dB）。

5 信噪⽐：仪器的信噪⽐在滤波器开关为W／B档时，不⼩于50dB。

6 稳定性：仪器的稳定性分为：
a．温度变化对零点影响不⼤于±0.1％P·S/℃，对灵敏度影响不⼤于⼟0.05％P·S／℃；
b．在2⼩时内，零点漂移不⼤于±0.5％P·S，灵敏度变化不⼤于⼟0.5％P·S；
c．电源电压变化⼟10％时，零点影响不⼤于±0.5％F·S，灵敏度变化不⼤于±0.1％P·S。

7 电桥平衡⽅式和范围：仪器采⽤⾃动平衡⽅式，平衡范围不⼩于±1％(约5000µε)⾃动平衡精度，折合到输⼊端为±10µε。

(衰减X1，增益电位器逆时针调节到零，桥压2V，桥路电阻为120Ω，灵敏系数2.00)。

四、⼯作条件：
1 正常⼯作条件：
（1）环境温度：20±5℃，温度变化速度不超过⼟1℃/⼩时；
（2）环境湿度：30～85%；
（3）环境⽆外界强磁场⼲扰；
（4）环境⽆腐蚀性⽓体；
（5）电源电压交流200V，允许电压波动范围-10%～+10%，频率50HZ。

2 允许使⽤环境温度：0～+40℃。

3 仪器预热时间为30分钟。

4 仪器连续⼯作时间：8⼩时。

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附录C：光线⽰波器SC-16主要操作部分简介
1．起辉按钮2．标记
3．拍摄按钮4．电源指⽰灯5．拍摄指⽰灯6．纸量
7．加热按钮8．电机启动按钮9．标牌
10．起辉指⽰灯11．⾛纸速度12．光点
13．⾛纸时间14．光栅
15．格线光栅16．散热⽚17．保险管18．输⼊插孔19．电压调节开关20．电源插座21．电源开关
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第五章：参考⽂献
1．⽯来德，袁礼平．机械参数电测技术，上海科学技术出版社，1981 2．华东电⼦仪器⼚，动态电阻应变仪使⽤说明19。