测试技术实验指导书.docx
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测试技术实验指导书
测试技术实验
指导书
赵爱琼编
付俊庆审
长沙理工大学测控教研室
07年3月
前言
测试技术是一门实践非常强的技术基础课,通过实验,了解测试系统中各环节(包括传感器、信号变换与放大、仪表显示与记录装置、实验数据的计算机分析与处理)的作用与特点,加深同学们对测试技术基本内容和基本概念的理解。
本实验指导书适用于交通运输、机电、机制、测控、自控、车辆工程,汽车服务工程、电子信息等专业的测试技术课、检测与传感器技术课、传感器与自动检测课、传感器原理及应用等课的实验。
各专业可根据课时的需要适当取舍,要求同学们在实验中要动脑动手,以达到提高实验动手能力的目的。
本实验指导书由赵爱琼老师编写,付俊庆教授审稿,并经测控教研室全体老师讨论定稿
由于编写仓促,水平有限,书中缺点错误在所难免,恳请读者批评指正
测控教研室
07年3月
目录
实验一霍尔传感器特性实验
实验二电涡流传感器特性实验
实验三电容传感器特性实验
实验四压电式传感器特性实验与振动实验
实验五电阻应变片及电桥性能实验
实验六动应力测量
实验七振动测量
实验八应变式传感器测量系统的设计
附一:
CSY——2000系列传感器与检测技术实验台组成
附二:
实验报告格式与要求
霍尔传感器特性实验
一、实验目的:
1、掌握霍尔传感器的工作原理及特性
2、掌握霍尔传感器的静态标定方法
3、了解霍尔传感器在振幅测量中的应用
二、实验器材:
1、CSY-2000传感器与检测技术实验台,其中所取单元:
霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、直流源±4v、±15v、测微头、数显单元、低频振荡器
2、电子示波器、工控机数据采集系统
三、实验原理:
根据霍尔效应,霍尔电势U=KIBsinα。
若保持霍尔元件的激励电流I不变,而使其在一均匀梯度磁场中移动时,则输出霍尔电势值U只决定于它在磁场B中的位移量。
本实验即通过对U大小的测量来得其位移。
四、实验内容及步骤:
1、将霍尔传感器按图1安装。
霍尔传感器与实验模板的连接见图2进行。
1、3为电源±4v,2、4为输出
图1
图2
2、开启电源,调节测微头使霍尔片在磁钢中间位置再调节Rw1使数显表指示为零。
3、旋转测微头向轴向的一个方向推进,每转动0.2mm记下一个读数,直到读数近似不变,然后返回原来的位置,沿轴向的另一个方向推进,每转动0.2mm记下一个读数,直到读数近似不变,将读数填入下表中
+X
+V
-X
-V
4、实验模板的输出端V01接示波器或工控机数据采集系统。
将霍尔传感器安装在台面三源板的振动源单元上。
如图3所示,调节传感器连接支架高度,使V01输出在零点附近。
5、将主控箱低频振荡器输出端与振动源低频输入相接,调节低频振荡器
的频率与幅度旋钮使振动台振动幅度适中,注意观察显示的波形
图3
五、注意事项:
1、激励电压不能任意打得过大,以免损坏霍尔片,本实验为±4v。
2、模块上的±15v电源与主控箱上的±15v电源连线要一一对应,不要接错,否则将烧坏仪器。
六、思考题:
1、作出V—X曲线,指出线性范围,求出灵敏度
电涡流传感器特性实验
一、实验目的:
1、掌握电涡流传感器的原理及工作性能;
2、掌握电涡流传感器的静态标定法;
3、了解电涡流传感器在振幅测量中的应用。
二、实验器材:
1、CSY-2000传感器与检测技术实验台,其中所取单元:
电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、测微头、数显单元、铁圆片、低频振荡器、直流稳压电源
2、电子示波器、工控机数据采集系统
三、实验原理:
通以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,因此可用来测量传感器与被测体的距离。
四、实验步骤:
1、根据图1安装电涡流传感器。
图1
图2
2、观察传感器结构,这是一个扁平线圈。
3、电涡流传感器与实验模板的连接见图2进行:
4、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(传感器屏蔽层接地);在测微头端部装铝质金属圆片,作为电涡流传感器的被测体;将实验模板输出端V0与数显单元输入端Vi相接。
数显表量程切换开关选择电压20V档
5、用连接导线从主控台接入+15V直流电源接到模板上标有+15V的插孔中
6、使测微头与传感器线圈端部接触,开启主控箱电源开关,记下数显表读数,然后每隔0.2mm读一个数,直到输出几乎不变为止。
将数据记入下表中
X(mm)
V(v)
7、将实验模板的输出端V0接示波器或工控机数据采集系统,将电涡流传感器按图2,安装在台面三源板的振动源单元上,调整好支架的高
图3
度。
使传感器端面与被测体振动台面之间的安装距离在线性区域内。
8、振荡器的输出引入振动源的低频输入。
调节低频振荡器的频率与幅度旋钮使振动台振动幅度适中,注意观察显示的波形。
五、思考题:
作出V—X曲线,指出线性范围,求出灵敏度。
电容传感器特性实验
一、实验目的:
1、掌握电容式传感器的原理及工作性能。
2、掌握电容式传感器的静态标定方法
3、了解电容式传感器在振幅测量中的运用
二、实验器材:
(部分实验设备实物图片见附二和附三)
1、CSY-2000传感器与检测技术实验台,其中所取单元:
电容传感器实验模板、电容传感器、相敏检波、滤波模板、测微头、数显单元、低频振荡器、直流稳压电源
2、电子示波器、工控机数据采集系统
三、实验原理:
电容式传感器是将被测物理量转换为电容量变化的装置,它由静片和动片组成。
利用电容C=εA/d,保持ε、d两个参数不变,当改变A时,电容也随之变化。
通过相应的结构和测量电路,测量电压就可得到传感器与被测体的距离
四、实验步骤:
1、按图1将电容传感器装于电容传感器实验模板上,判别Cx1和Cx2时注意动极板接地,接法正确则动极板左右移动时,有正负输出。
不然需调换接线。
一般接线:
动极板为3号引线、二个静片分别是1号和2号引线,可作参考。
图1
图2
2、将电容传感器电容Cx1和Cx2的静片连线分别插入电容传感器实验模板Cx1、Cx2插孔上,动极板(连)线接地插孔。
见图2
3、将电容传感器实验模板的输出端Vo1数显表单元Vi相接(插入主控箱Vi孔),Rw调节到中间位置。
4、接入±15V电源,旋转测微头推进电容传感器动极板位置,使输
出为零,分别左右移动测微头,步进0.2mm记下位移X与输出电压值。
将读数记入下表
X(mm)
V(mm)
5、将电容传感器按图3,安装在台面三源板的振动源单元上。
接线仍按图1,实验模板输出端Vo1接滤波器输入端,滤波器输出端V0接示波器或工控机数据采集系统。
调节传感器连接支架高度,使Vo1输出在零点附近。
图3
6、主控箱低频振荡器输出端与振动源低频输入相接,振动频率选6~12HZ之间,幅度旋钮初始置0。
7、输入±15V电源到实验模板,调节低频振荡器的频率与幅度旋振动台振动幅度适中,注意观察显示的波形。
五、注意事项
模块上的±15v电源与主控箱上的±15v电源连线要一一对应,不要接错,否则将烧坏仪器。
六、思考题
作出V—X曲线,指出线性范围,求出灵敏度。
压电式传感器特性实验与振动实验
一、实验目的:
1、掌握压电传感器的工作原理
2、掌握压电传感器动态标定方法
3、掌握压电传感器的测量振动的原理和方法。
二、基本原理:
1、压电式传感器由惯性质量块和受压的压电片等组成。
(观察实验用压电加速度计结构)工作时传感器感受与试件相同频率的振动,质量块便有正比于加速度的交变力作用在晶片上,由于压电效应,压电晶片上产生正比于运动加速度的表面电荷。
2、压电式传感器的标定(绝对标定法)
图1
三、需用器件与单元:
振动台、压电传感器、检波、移相、低通滤波器模板、 压电式传感器实验模板、存储示波器、加速度校准仪、电荷放大器
四、实验步骤:
1、按图1组织振动测量系统,并对其进行标定。
(演示)
2、将压电传感器已装在振动台面上。
(已装好)
3、将低频振荡器信号接入到台面三源板振动源的激励源插孔。
图2压电式传感器性能实验接线图
4、将压电传感器输出两端插入到压电传感器实验模板两输入端,见图2,与传感器外壳相连的接线端接地,另一端接R1。
将压电传感器实验模板电路输出端Vo1,接R6。
将压电传感器实验模板电路输出端V02,接入低通滤波器输入端Vi,低通滤波器输出V0与示波器相连。
5、合上主控箱电源开关,调节低频振荡器的频率和幅度旋钮使振动台振动,观察示波器波形。
6、改变低频振荡器的频率,观察输出波形变化。
7、用存储示波器的两个通道同时观察低通滤波器输入端和输出端波形。
并用存储示波器记录输入输出的幅值、波形频率。
(10个数据)。
五、思考题
1、压电式传感器为什么不能进行静态标定?
2、对压电式传感器进行动态标定的方法有哪些?
并分别画出标定系统结构框图.
3、应用所记录的幅值和频率数据作出其幅频特性图
电阻应变片及电桥性能实验
一、实验目的:
1了解金属箔式应变片的应变效应,全桥、半桥、单臂电桥工作原理和性能。
2比较全桥、半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。
实验内容一金属箔式应变片――单臂电桥性能实验
一基本原理:
电阻丝在外力作用下发生机械变形时,其电阻值发生变化,这就是电阻应变效应,描述电阻应变效应的关系式为:
ΔR/R=Kε式中ΔR/R为电阻丝电阻相对变化,K为应变灵敏系数,ε=Δl/l为电阻丝长度相对变化,金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件,通过它转换被测部位受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化,电桥的输出电压反映了相应的受力状态。
,对单臂电桥输出电压Uo1=EKε/4。
二、需用器件与单元:
应变式传感器实验模板、应变式传感器-电子秤、砝码、数显表、±15V电源、±4V电源、万用表(自备)。
三实验步骤:
1、根据图(1-1)应变式传感器(电子秤)已装于应变传感器模板上。
传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。
加热丝也接于模板上,可用万用表进行测量判别,R1=R2=R3=R4=350Ω,加热丝阻值为50Ω左右
图1-1应变式传感器安装示意图
2、接入模板电源±15V(从主控台引入),检查无误后,合上主控台电源开关,将实验模板调节增益电位器RW3顺时针调节大致到中间位置,再进行差动放大器调零,方法为将差放的正负输入端与地短接,输出端与主控台面板上数显表输入端Vi相连,调节实验模板上调零电位器RW4,使数显表显示为零(数显表的切换开关打到2V档)。
关闭主控箱电源(注意:
当Rw3、Rw4的位置一旦确定,就不能改变。
一直到做完实验内容三为止)。
3、将应变式传感器的其中一个电阻应变片R1(即模板左上方的R1)接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥(R5、R6、R7模块内已接好),接好电桥调零电位器RW1,接上桥路电源±4V(从主控台引入)如图1-2所示。
检查接线无误后,合上主控台电源开关。
调节RW1,使数显表显示为零。
图1-2应变式传感器单臂电桥实验接线图
4、在电子称上放置一只砝码,读取数显表数值,依次增加砝码和读取相应的数显表值,直到200g(或500g)砝码加完。
记下实验结果填入表1-1,关闭电源。
重量(g)
电压(mv)
5、根据表1-1计算系统灵敏度S=ΔU/ΔW(ΔU输出电压变化量,ΔW重量变化量)和非线性误差δf1=Δm/yF..S×100%式中Δm为输出值(多次测量时为平均值)与拟合直线的最大偏差:
yF·S满量程输出平均值,此处为200g(或500g)。
实验内容二金属箔式应变片――半桥性能实验
一、基本原理:
不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边,电桥输出灵敏度提高,非线性得到改善。
当应变片阻值和应变量相同时,其桥路输出电压UO2=EKε/2。
二、用器件与单元:
同实验内容一。
三、实验步骤:
1、传感器安装同实验内容一。
仔细阅读实验内容一的步骤2,
2、根据图1-3接线。
R1、R2为实验模板左上方的应变片,注意R2应和R1受力状态相反,即将传感器中两片受力相反(一片受拉、一片受压)的电阻应变片作为电桥的相邻边。
接入桥路电源±4V,调节电桥调零电位器RW1进行桥路调零,实验步骤3、4同实验内容一中4、5的步骤,将实验数据记入表1-2,计算灵敏度S2=U/W,非线性误差δf2。
若实验时无数值显示说明R2与R1为相同受力状态应变片,应更换另一个应变片。
图1-3应变式传感器半桥实验接线图
表1-2半桥测量时,输出电压与加负载重量值
重量
电压
3;进行灵敏度和非线性误差计算
实验内容三金属箔式应变片――全桥性能实验
一、基本原理:
全桥测量电路中,将受力性质相同的两应变片接入电桥对边,当应变片初始阻值:
R1=R2=R3=R4,其变化值ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4时,其桥路输出电压U03=KEε。
其输出灵敏度比半桥又提高了一倍,非线性误差和温度误差均得到改善。
二、需用器件和单元:
同实验内容一
三、实验步骤:
1、传感器安装同实验内容一。
2、根据图1-4接线,实验方法与实验内容二相同。
将实验结果填入
表1-3;进行灵敏度和非线性误差计算。
1-4全桥性能实验接线图
表1-3全桥输出电压与加负载重量值
重量
电压
思考题:
根据实验内容一、二、三所得的单臂、半桥和全桥输出时的灵敏度和非线性度,从理论上进行分析比较。
阐述理由(注意:
实验内容一、二、三中的放大器增益必须相同)。
动应力测量
一、实验目的:
1、了解动应力的测量方法;
2、掌握静态标定的原理和技巧。
二、实验器材:
(部分实验设备实物图片见附三)
1、动应力发生器及测量桥、调压器;
2、动态应变仪、工控机数据采集系统(包括工控机、USD接口采集仪、CDSP采集分析系统软件)、示波器;
3、等强度梁及标定桥、砝码、挂盘;
三、实验原理
1、
动应力测量:
图1
在电桥盒内有两个120欧姆的精密无感线绕电阻作为半桥测量时的内半桥,电桥电源对角线由振荡器供给稳定的10KHZ载波电桥电压。
当应变片感受一个动态应变时,电桥输出一个微弱的调幅波,调幅波包络线与动态应变相似,经放大,解调。
滤波滤去剩余载波及其高次谐波而得到与所测动态应变相似的放大信号(正弦波)。
2、用等强度梁标定:
标定是对测量系统输入一己知的机械量,相应地输出通过采集系统记录下来,把记录下来的这个数据作为测量系统在此状态下的一标准尺度来度量记录的动应力波形。
应力测量的标定方法常用两种:
(1)用等强度梁标定;
(2)、用动态应变仪的电标定电路标定
3、本实验要求必做方法
(1)
标定前,将标定桥代替测量桥接入测量系统,如下图所示
图2
标定时,一边逐步加大等强度梁的应力(即加大砝码),一边进行数据采集,相应的数据记入下表中。
Pi(kg)
Vi(v)
与pi所对应的应力值σi=6PL/bh(kg.力/cm2
其中:
b,L,h为等强度度梁上几何尺寸:
b=4cm,L=24cm,h=0.6cm
根据实验数据σi,vi即可计算测量系统的灵敏度K。
四、实验步骤:
1、按图1组织测量系统。
分析测量系统是否满足不失真测量条件;
2、打开动态应变仪电源的开关,观察面板上的电压表指针应稳定在24伏上;
3、用标准电阻代替测量应变片接在电桥盒上;
4、将“衰减”开关依次转到“100”、“10”、“3”、“1”档,同时转换“预”、“静”开关位置,分别调节“R”、“C”,使输出指示表在“静”和“预”位置都指零;
5、取下标准电阻,接好测量桥,重复步骤4
6、调节调压器的输出电压,使电机转动,在梁上各断面上产生一定幅值和频率的应力;相应的输出通过数据采集系统采集下来。
7、取下测量桥,装上标定桥。
保持动态应变仪“衰减”开关在测量应变时的位置,转换“预”、“静”开关位置,分别调节“R”、“C”,使输出指示表在“静”和“预”位置都指零;
8、加载,记录相应数据。
五、思考题:
1、计算系统的灵敏度。
2、计算所测应力的峰值
2、为什么等强度梁的材料及标定电桥要分别和被测试件的材料及测量电桥相同。
振动测量
一、实验目的:
1、掌握振动测量系统的标定方法;
2、掌握振动信号一般测量方法
二、实验器材:
(部分实验设备实物图片见附三)
1、压电式加速度传感器、电荷放大器、工控机数据采集系统(包括工控机、USD接口采集仪、CDSP采集分析系统软件);
2、振动台、加速度校准仪、晶体管毫伏表、示波器
三、实验原理
1、振动测量系统的标定。
(1)、用加速度校准仪进行标定:
原理如图如下
(2)、背靠背相对标定法:
原理如图如下
2、
振动测量:
原理如图如下:
四、实验步骤
1、按原理图1组织好振动测量系统,使加速度校准仪产生一个标准信号,加速度a=1g,记下输出的电压值V。
求出此系统的灵敏度K。
2、按原理图2组织好振动测量系统,使振动台产生振动,记下两套系统的输出电压值。
根据a=V/K,因同一点上的振动加速度大小相等,则V1/K1=V2/K2,由己知的K1求出未知的K2。
3、将标定好的振动系统按原理图3组织好,使被测体产生振动,采集相应的输出数据,就可求出振动加速度a
五、思考题
1、求振动测量系统的灵敏度
2、求被测体的振动加速度
应变式传感器测量系统的设计
一、实验目的
1、培养学生综合应用所学知识解决工程实际问题的能力
2、培养学生的创新能力与动手能力
3、培养学生的合作精神
一、实验要求
1、本实验以实验小组为单位进行
2、学生自行选定实验方法、实验方案、设计实验报告表格等
3、进行理论计算,并与实验结果进行比较,计算出误差,分析原因作出结论。
4、以科研论文的形式书写实验报告
二、实验方式:
1、时间开放:
实验计划学时6学时(查找资料、提交实验方案、设计并组织测量系统、测试、数据处理、完成实验报告)。
学生可在给定期限内自行安排实验时间;可一次完成,亦可多次进行。
实验时间提前到实验室预约。
2、内容开放:
实验测试内容和测试对象由学生自己选择。
只要是运用所学的测试技术方法(全桥或半桥),其测试内容可选:
应力分布测量;应力集中测量等。
最好能选择工程实际中的课题及内容进行测试。
如果能在LABVIEW环境下完成也行。
3、实验用试件:
由实验室提供,特殊试件提前通知实验室进行加工。
4、指导开放:
实验指导教师只负责把关。
比如,贴片后质量检查与把关;实验结果与实验报告把关;不合格者必须改正重做。
实验方案选择、实验过程、数据处理与分析完全由学生自主完成。
本实验参考资料之一:
电阻应变片的粘贴
安装应变片是应变测量中最重要的环节之一,安装质量的好坏直接决定了应变测量能否正常进行和测量结果的准确性。
常温应变测量中,应变片的安装方法,均用粘贴法。
粘贴法是用粘贴剂将应变片粘贴在被测构件表面上。
测量时构件表面的变形由于固化胶层传给基层,再由基底传给敏感栅。
显然,只有胶层均匀、不产生蠕变、才能保证敏感栅如实地再现构件的变形。
因此,精心粘贴是十分必要的。
一、实验要求
1、了解电阻应变片粘贴工艺的全过程
2、初步掌握常温用电阻应变片的粘贴技术
二、实验器材、工具与仪表(部分实验设备实物图片见附三)
1、应变片、连接片、矩形纲板、导线
2、502胶水、洒精、丙酮、刮刀、砂纸、玻璃纸、脱脂棉等
3、电烙铁、剪刀、镊子、钢板尺、划针、剥线钳,红外线灯等
4、单臂电桥、万用表、兆欧表、静态应变仪
三、实验步骤:
应变片的粘贴工艺:
应变片粘贴工艺内容很多,包括贴片器材的准备;应变片的准备;粘贴的表面的处理;应变片粘贴操作,粘贴质量的检查,测量导线的连接与固定等。
1、贴片器材的准备
为了保证贴片工作的顺利进行,应将需用的器材、工具和仪表事先准备齐全。
2、应变片的准备
(1)、应变片的外观检查,检查应变片敏感栅是否排列整齐、丝栅上是否有锈斑、裂痕;基底和盖层有否损坏,中间是否夹着气泡;引出线是否牢固。
(2)、应变片电阻值测量,用单臂电桥测量应变片的电阻值,弃除其中的断路、短路和阻值超出允许值的应变片,并将选用的应变片按阻值分装。
要求组桥的工作片之间的电阻值不超0.3欧姆。
3、粘贴表面的准备
(1)、构件表面贴片处首先应用有关工具丙酮除去油污、锈斑、涂料、氧化膜等。
(2)、当构件表面比较平整时,可用砂布打磨至光洁度为▽6。
(3)、当构件表面比较粗糙时,可用铣刀,刮刀或手提砂轮等工具,将其加工平整,然后要按
(2)的要求进行,其后再用0#砂布打出与应变片轴线成45°的纹路,以加强粘贴剂的附着力。
(4)、贴片表面的打磨面积约为应变片面积的3~5倍。
4、贴片
(1)、贴片前用划针和钢尺,在贴片处划出十字线,以保证粘贴方位的准确性,并需对表面进行最后清洗。
常用浸透丙酮的医用脱脂棉,在贴片位置擦洗,除去油污,尘土,直到脱脂棉上不见任何黑迹为止。
然后用洒精清洗表面,晾干。
(2)、用502胶水均匀涂在贴片处,找准方向贴上应变片,用玻璃纸盖上,采用滚压法挤出应变片与构件之间的多余胶水。
用手指压住玻璃纸约30分针;使应变片和构件表面完全贴合后,轻而慢地揭掉玻璃纸。
(3)、在应变片引出线
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