测试技术实验指导书(2017年04)

《机械工程测试技术基础》

实验指导书

戴新编

广州大学

2017.4

前言

测试技术顾名思义是测量和试验的技术。测试技术学习的最终目的是要解决实际问题，所以和理论课程相比，测试技术的实践环节显得更为关键。《机械工程测试技术实验》旨在提高学生综合应用从各门课程中学到的单元技术知识，独立构建、调试测试系统的能力，强化学生对测试系统工程实际的感性认识。它综合体现了各种单元技术在测试工程实际中的应用，是测试专业的学生接触工程实际的开始。

测试技术覆盖了很多知识领域，从测试信号的基本概念到现代测试信号分析方法，从传感器的基本原理到一个复杂大型的测试系统的建立，但在实际中，无法在一门课程里囊括所有这些知识和经验。本指导书根据目前实验室现有的实验条件及教学计划中的学时数，紧密结合理论教学，选择了一些重要的基本内容，实验主要为验证性实验，采用传统的实验模式，由实验教师指导学生完成实验。

通过实验，希望能够使学生牢固、熟练地掌握各种测试仪器的使用，学会调试测试系统的基本方法，包括传感器的使用，信号调理电路、数字化电路及显示单元的调试，在此基础上初步学会自行组建测试系统，并能够独立调试。

具体内容应包括：a.常用测试仪器的使用：在传感器使用及系统组建、调试的过程掌握示波器、数字万用表、信号发生器、稳压电源等的使用。b.传感器的使用：熟悉热电偶传感器、加速度传感器、液位传感器、转速传感器等原理及使用。c.常见物理量测试实验：温度测试实验、转速测试实验、液位测试实验、振动测试实验。由于条件限制，以上的实验内容还只能部分涉及。

实验完成后按要求应提交实验报告。实验报告是一种工程技术文件，是实验研究的产物。学生完成教学实验写出的报告，会为将来进行工程实验、科学研究书写实验报告打下基础，乃至于养成一种习惯，因此应按工程实际要求学生：内容如实，数据可靠；语言明确、简洁；书写工整、规范。实验报告的基本内容应包括实验题目、实验目的、实验仪器和设备（必要时画出连接图）、实验方法、实验结果（包括图表、数字、文字、表达式等）、对实验方法或结

果的讨论、结论、参考资料、附录（实验中的图表等）。

目录

实验一传感器静态、动态性能标定 (1)

实验二用“李萨如图形法”测量简谐振动的频率 (8)

实验三用富利叶“频谱法”测量简谐振动的频率 (12)

实验四简谐振动幅值测量 (15)

实验五机械振动系统固有频率的测量 (18)

实验六光纤传感器的位移特性实验 (23)

实验七压阻式压力传感器的特性实验 (25)

实验八超声波传感器的位移特性实验 (27)

实验九电阻应变片测量梁应力 (29)

附录一 BZ2101单通道电荷放大器使用说明 (33)

附录二 ZK型虚拟测试振动与控制实验装置的组成与使用方法 (38)

附录三 BZ2205C静态电阻应变仪使用说明 (48)

实验一 传感器静态、动态性能标定

一、实验目的

1、了解电涡流位移传感器和压电加速度传感器的结构、工作原理及其应用。

2、熟悉电涡流位移传感器和压电加速度传感器灵敏度标定所用仪器。

3、掌握电涡流位移传感器和压电加速度传感器灵敏度标定的校准台法，了解

其他的标定方法。

二、实验原理

（一）压电加速度传感器灵敏度标定

1、灵敏度

压电加速度传感器的灵敏度有两种表述方法：当它与电荷放大器配合使用时，用电荷灵敏度Sq 表示。即：

)/(2-=

ms PC a

Q S q 与电压放大器配合使用时用电压灵敏度Sv 表示。即： )/(2-=

ms mV a

U S a v 式中 Q ——压电传感器输出电荷（PC ）； Ua ——压电传感器的开路电压（mV ）；

a ——被测加速度（ms -2）。

2、压电加速度传感器灵敏度的标定方法

实验室常用的标定方法一般有校准台法、比较法和互易法三种。

（1）校准台法 加速度传感器校准台是一个能产生一定频率好一定加速度峰值的振动台。例如本实验中所使用的“JB-3B 型振动传感器校准台”，其内部可产生频率为10Hz~1280 Hz 、加速度峰值为2.5m/s 2~100 m/s 2的标准正弦加速度信号。将被标定的加速度传感器直接安装在振动系统的台面上，使其承受峰值为10 m/s 2加速度的振动，根据前置放大器的输出电压值便可确定加速度传感器的灵敏度值。这种标定方法的精度为62%。注意电荷放大器是先将加速度传感器输出的电荷量转化为电压量，然后再经放大输出。确定传感器的电荷灵敏度时，要考虑放大器的增益。

（2）比较法 此方法是取一个经过计量部门标定过的加速度传感器和前置放大器作为基准，与需求校准的加速度传感器作对比试验，确定被标定传感器的灵敏度。标定时，将被标定传感器与基准传感器按背靠背的方法装在同一轴

线上，承受同样的振动。分别测量出被标定传感器与基准传感器的输出振动量，然后折算出被标定传感器的灵敏度。

（3）互易法 此法不是通过直接测量振动量来确定灵敏度，而是应用互易原理，采用测量其他电量的方法求得灵敏度。一般情况下可以用两个同类型的加速度传感器进行互易，也可以用加速度传感器与振动台内部的速度线圈进行互易。这种方法的标定精度可达0.5%。

（二）电涡流位移传感器灵敏度标定

电涡流位移传感器实质上是一个扁平状线圈，它与电容组成并联谐振回路，其谐振频率为

C L 101

=ω

在测量前，传感器远离被测物体，线圈中通以一定频率的交变电流I ，此时回路阻抗最大。当线圈与导体距离x 变化时，由线圈与电容组成的并联谐振回路的阻抗会改变，回路输出电压随之变化，电压V 0与距离x 存在一定关系，如图1所示。由输出电压的大小可测得距离x 的量值。

图1 并联谐振回路输出电压与距离之间的关系

电涡流位移传感器的灵敏度值Sv 可由下式求得：

)/(0m mV x

V S v μ=

（三）传感器和测量系统的动态特性标定 传感器和测量系统的动态特性标定的目的是确定传感器和测量系统的频率使用范围、误差和相位特性。通过幅频特性可确定测量系统的频响和幅值误差，通过相频特性看确定测量系统的输入和输出之间的相位差。本实验主要是测量幅频特性。

当振动台的振幅恒定，改变其振动频率，测量出被标定传感器相应于各频率下的输出量。以频率比f/f n （振动台的激励频率与传感器的固有频率之比）为横坐标，以幅值比A i /A o

（被标定传感器的输出值与振动台输入信号幅值之比）

V 0