机械工程测试实验报告----白云静..

机械工程测试技术

实验指导书

学院：机械与动力工程学院

专业：车辆工程

班级： 11010141 学号： 1101014125 姓名：赵艳峰

实验一 用应变仪测量电阻应变片的灵敏度

一 实验目的

1、掌握在静载荷下使用电阻应变仪测量方法；

2、掌握桥路连接和电阻应变仪工作原理；

3、了解影响测量误差产生的因素。 二、实验仪器及设备

等强度梁 编号；天平秤；砝码；yd-15型动态电阻应变仪； 游标卡尺；千分尺（0～25㎜）；DY-15型直流24伏电源； 三、实验原理

电测法的基本原理是：将电阻应变片粘贴在被测构件的表面，当构件发生变形时，应变片随着构件一起变形（ΔL/L ），应变片的电阻值将发生相应的变化，通过电阻应变仪，可测量出应变片中电阻值的变化（ΔR/R ），并换算成应变值，或输出与应变成正比的模拟电信号（电压或电流），用记录仪记录下来，也可用计算机按预定的要求进行数据处理，得到所需要的应变或应力值。电阻应变片的灵敏度是构件单位应变所引起应变片电阻值的变化量，用K 来表示，

K=

L/L R/R ??=ε

R/R

? yd-15动态电阻应变仪主要技术参数

1、测量点数：4点 8点

2、测量范围： 10000微应变

3、标定应变： 50， 100， 300， 1000， 3000微应变，标定误差不超过 1%，最小 1微应变

4、灵敏系数：k=2.00

5、灵敏度：0.25mA/με(12Ω及2Ω负载) 0.093 5mA/με(16Ω负载) 0.025mA/με(20Ω负载) 0.01mA/με(50Ω负载) 0.01伏/με(1k 负载)

6、电阻应变片：按120Ω设计，100～600Ω可用。

7、线性输出范围：0 30mA(12Ω及2Ω负载)

01伏(1k负载)

8、振幅特性误差：低阻输出不超过1%

电压输出不超过2%

9、工作频率范围：0～1500hz

10、频率特性误差：低阻输出不超过6%

电压输出不超过10

11、电桥电源：10kc，标称电压3伏

12、电阻平衡范围：不小于0.6Ω（指120Ω应变片）

13、衰减误差：1，3，10，30，100五档，误差不超过2%

14、电容平衡范围：不小于2000pf（包括电桥盒内1000pf）

15、稳定性：预热1小时后，零点漂移：不超过5微应变/2小时，灵敏度变化：不超过1%/半小时

yd-15动态电阻应变仪工作原理框图

影响测量误差产生的因素

电阻应变片的灵敏系数K的变化，主要是由于温度和湿度的变化引起的。对大多数敏感材料的灵敏系数是随着工作温度的升高和湿度的增大而不断减小的，只有康铜等少数合金的灵敏系数会增大。粘结剂和基底材料传递应变的能力随工作温度的升高也逐渐下降。所以工作温度越高，湿度越大，灵敏系数K值的下降就越快，分散性将会越大。另外，电阻丝受力后其电阻率也会发生变化，从而引起K值的变化。所以在测量时应尽可能保持标定灵敏系数K时的工作环境，从而减小由于工作

环境的变化所产生的测量误差。

应变片的绝缘电阻是指已安装的应变片的敏感栅及引线与被测试件之间的电阻值。应变片被安装在试件表面之后，其绝缘电阻的下降将使测量系统的灵敏度降低，使应变仪的指示应变产生误差，另外也使测量系统产生零点漂移。 经计算、实验表明：

工作环境温度越高，湿度越大，灵敏系数下降越快； 电桥非线性对测试结果的影响是很微小的； (3)测量导线所带来的误差与其长度成正比例； (4)绝缘电阻越高，稳定性越好，误差越小。 四、实验方法和步骤

1、将电缆焊接到等强度梁的电阻应变片上，用单臂电桥式接入电桥盒，如下图。 工作中只有一个桥臂电阻随着被测量的变化而变化，设改电阻为R1，产生的电阻变化量为ΔR ，用万用表检查AB 问电阻及BC 问阻值,两阻值之差应小子0.5Ω,用电烙铁将连接导线焊接到对应的A,B,C,焊点。为减小干扰,要求屏蔽层(金属网)必须接B 点,,将此半桥A,B,C 点接入电桥盒对应接线柱上(A, C ,D 三接线柱必须短接)。

则输出电压0U 的值为：

ε

K u u e 41

0=

式中,

u 为输出电压，

ε为应变值，ue 为供桥电压，0u 和ε可从分析仪中直接读出，ue 在应变仪中读出，K 为实验所求。

2、将应变仪预调平衡

（1）准备：正确接桥无误后，打开电源开关；

（2）基零调节：这时衰减开关在“0”位置上，电桥的初始不平衡亦被衰减至

零，即放大器无信号输出；

（3）平衡调节：开始调节平衡时，衰减开关从0拨至100处，电表指针偏转，说明电桥初始不平衡，调节电阻平衡电位器R ，电容平衡电位器C ，使电表指针指到中心位置，然后在衰减至30、10、3、1各档重复上述过程，最后电表指零，表明电桥平衡。

3、将应变仪标定档拨至适当衰减档。

4、在等强度梁上加砝码使应变仪再次平衡。

5、在天平上称出砝码重量，并计算等强度梁的实际应变值。

6、计算电阻应变片的实际灵敏度。

M=PL σ=M/w W=bh 2/6 ε=σ/E

式中：M －弯矩 L －P 力至应变片中心距离 σ－弯曲应力 b －等强度梁贴应变片处的宽度 h －等强度梁贴应变片处的厚度 ε－实际应变值 W －抗弯截面模量 E －弹性模量E=2.1*106kgf/cm2 五.数据处理与分析

v e u 2= εεu mv /5.0= mv u 2560=

e u u K ε04= εK u u e 4

10=∴ 六.实验结果

1、由实验结果可知，悬臂梁因受力而发生形变，并且悬臂的上边要比悬臂的下边发生变形更为明显，因此在此试验中应变片选用正（手拉）应变片较好，试验效果更为明显，相对地减少了误差。

2、在试验中，电压表的示数会有跳动，这会影响实验结果，因此选用一个较为稳定的数或平均值。 提高灵敏度的方法 1.提高桥压。

2.提高应变片的阻值。

3.改用双臂或全桥接法

实验二 测量等强度梁的固有频率和阻尼率

一、实验目的

（1）学会机械系统的固有频率和阻尼率的测定方法 （2）识别悬臂梁的二阶固有频率和阻尼系数 （3）了解并学习东方所振动与噪声测试仪的使用 二、实验仪器

等强度梁 应变仪 动态数据采集仪 三、实验原理

瞬态激励方法给被测系统提供的激励信号是一种瞬态信号，它属于一种宽频带激励，即一次同时给系统提供频带内各个频率成份的能量和使系统产生相应频带内的频率响应。因此，它是一种快速测试方法。同时由于测试设备简单，灵活性大，故常在生产现场使用。目前常用的瞬态激励方法有快速正弦扫描、脉冲锤击和阶跃松弛激励等方法，本实验中采用脉冲锤击产生瞬态信号。

脉冲锤击激励是用脉冲锤对被测系统进行敲击，给系统施加一个脉冲力，使之发生振动。由于锤击力脉冲在一定频率范围内具有平坦的频谱曲线，所以它是一种宽频带的快速激励方法。用脉冲锤敲击试件产生的近似于半正弦的脉冲信号有效频率取决于脉冲持续时间τ，τ越小则频率范围越大。

（1）固有频率，可根据分析仪直接读出固有频率的值。 （2）阻尼比的测定

本实验根据自由衰减法测定阻尼比：即在结构被激起自由振动时，由于存在阻尼，其振幅呈指数衰减波形，可算出阻尼比，下面具体论述。

由振动力学知，二阶系统的特征方程为：2

20n n ξωω++=2S ，

对应的微分方程为：2

20d x dx

c kx dt dt

++=m ，其中2n c ξω=。因为d ωω=ξ很小时，可以认为d n ωω≈。

减幅系数1n d T i i e A ξωη+=A ＝

，而1112........i j j i i i i j i i i j

A A A A η+-+++++=???=A A A A

， 则：ln i n d i j

T A δξω+=A 1

＝j 。

又因为n d ωω≈，所以2n d d d T T ωωπ＝＝，所以2δπξ＝， 可推出阻尼比公式为：δξπ

＝2 求解过程：

（1）根据1A ~7A 7个点的幅值，可求出17

1

6A IN A δ=，根据公式2δξπ=可求出阻尼比ξ。

（2）根据7个点对应的时间1T ~7T ，可用法求出d T

，再根据公式=d T

求出T =N T d T 为有阻尼的信号周期，n T 为无阻尼信号周期。

（3）从时域图中读出有阻尼固有频率ωd

，根据ωω=d ，求得无阻尼固

有频率n ω=

。

四、实验方法 实验原理图：

（1）按要求，把各实验仪器连接好接入电脑中，然后在悬臂梁孔处小心放好加速度传感器。

（2）打开计算机，启动计算机上的“振动测试及频谱分析”。 （3）设置适当的采样频率和采样点数以及硬件增益。 （4）点击“采样”后开始敲击。

加速度传感器

（5）敲击等强度梁。使用小榔头敲击时注意在敲击后里、榔头要迅速离开梁！避免产生不必要的干扰波形。

（6）数据分析，用东方所分析仪器进行数据分析，使用时域分析可以得到峰值点

1A ~7A ，使用频域分析可以直接得到悬臂梁的固有频率f 固。 五、数据处理与分析

将得到的数据输入Matlab 中进行处理。首先计算1A ~7A 和1T ~7T ，然后计算阻尼比ξ，最后计算N T 和ωd 。 六、实验结果

（1）等强度梁的固有频率f 固。

从幅值图中可知，等强度梁的固有频率f 固=14.89hz （图见最后一页，幅值-频率图） （2）阻尼比ξ。

从幅频中可知幅值1A =81.03 7A =46.88 故δ=

61ln 71A A ≈0.09，ξ=π

δ2≈0.014

实验三 振动信号测量与频谱分析

一、实验目的

1.在熟练掌握周期信号幅频特性和相频特性内容的基础上，通过频谱仪对信号的各

组成谐波进行直观的、感性的认识和了解。

2.通过对振动信号的测量及频谱分析，了解相关频谱特性和滤波的概念，由频谱图上特征频率寻找该机械设备的振源。 二、实验条件及使用仪器

计算机及MATLAB 软件；带USB 接口和FFT 的4通道数据采集存储示波器TDS2024B ；振动测试实验台；激振器；信号发生器，加速度、速度、位移传感器、功率放大器及直流电源等。 三、实验原理

使用傅立叶变换，将采集到的时域信号转换成频域信。 对于二维信号，二维Fourier 变换定义为：

二维离散傅立叶变换为：

?

?

??∞∞-∞

∞

-+∞∞-∞

∞

-+-=

=

dudv e v u F y x f dxdy

e y x

f v u F vy ux j vy ux j )

(2)(2),(),(),(),(ππ逆变换：

∑∑∑∑-=-=-=-=-=

=

101

)*(2101

)*(2),(1

),(),(1

),(N m N n N

k n N i m

j N i N k N

k n N i m

j e

n m F N

k i f e

k i f N

n m F ππ逆变换：

四、实验内容

1、将TDS2024B示波器与信号发生器连接，观察典型信号的频谱及合成信号的频谱包括：正弦波、方波、三角波、锯齿波等

2、振动信号的测量与数据采集，包括加速度、速度、位移连接振动测试实验台与数字频谱仪，记录4个通道的数据并存盘，在频谱仪上先观察原始时域信号及其傅立叶变换

3、振动信号分析，包括傅立叶分析和功率谱分析等将数据装载到计算机上，利用MATLAB软件进一步分析振动信号的频率成分，计算各个信号的功率谱、被测机械结构的前三阶特征频率，并计算两个信号之间的相关函数及传递率。

五、实验方法与实验步骤

1、将振动与噪声测试仪与加速度传感器连接，安装连接相应的传感器、、直流电源等，开机、设定参数、采集数据，分析处理数据；

2、观察振动信号产生过程，记录通道2产生的数据并存盘分析。

3、根据一组输入输出数据，利用Matlab软件进行时域信号转换成频域信号分析。

figure(1);

plot(x);%作正弦信号的时域波形

title('时域波形');

grid;

%进行FFT变换并做频谱图

fs=500;

y=fft(x);%进行fft变换

mag=abs(y);%求幅值

f=(0:length(y)-1)'*fs/length(y);%进行对应的频率转换

figure(2);

plot(f,mag);%做频谱图

axis([0,100,0,90]);

xlabel('频率(Hz)');

ylabel('幅值');

title('幅频谱图');

grid;

%求功率谱

sq=abs(y);

power=sq.^2;

figure(3);

plot(f,power);

xlabel('频率(Hz)');

ylabel('功率谱');

title('功率谱');

grid;

六、数据处理与分析