测试技术基础实验说明书

测试技术基础实验说明书北京航空航天大学机械学院机械制造实验室实验一光栅传感器测位移实验１）.实验目的１.了解光栅传感器的基本结构、特点、工作原理。

２.掌握光栅传感器测量位移的原理及方法。

２）．实验原理光栅位移传感器由光源、聚光灯、标尺光栅、指示光栅和光电元件组成。

光源发出的光线经过透镜照射在光栅上，再通过光栅照射在光电元件上，把光信号转换成电信号。

光栅测量位移的工作原理是基于莫尔条纹现象。

两块栅距w相同，黑白宽度相同的长光栅，当它们的刻线面彼此平行互相靠近，且沿刻线方向保持成一个很小的夹角θ时，由于遮光效应或光的衍射作用，在a-a线上，两块光栅的黑色刻线相交，透光缝隙相重，因此形成一条亮带。

在b-b线上，一块光栅上的黑色刻线正好将另一块光栅的透光部分挡住，形成一条暗带。

这些明暗相间的条纹就是所谓的莫尔条纹。

当光栅透过的光线越多，光电元件的输出越大，当光栅透过的光线越少，输出信号与位移间的关系可近似的用正弦函数表示。

即： V=Vo+VmSin(2πx/w)式中：V --光电元件输出的电压信号；Vo--输出信号中的平均直流分量；Vm--输出正弦信号的幅值； W --栅距。

X --两光栅间的瞬时相对位移量。

由上式可见，光电元件的输出电压的大小反映了光栅瞬时位移量的大小，从而实现了位移量向电量的转换。

在实际应用中，被测物体的移动方向是经常改变的，而莫尔条纹的明暗变化只与位移有关，而与位移方向无关，为了辨别位移的方向必须增加一个观测点，然后根据两个观测点输出信号U1、U2间的相位关系来定位移的方向。

当光栅正向运动时，U1超前U2 90度，当光栅反向运动时，U2超前U1 90度，利用这一特点，便可构成简单的辨向电路。

通常采用的是“四倍频辨向电路”。

所谓四倍频电路是一种位置细分法，就是使正弦信号在0度、90度、180度、270度都有脉冲输出，可使测量精度提高四倍。

将辨向电路输出信号（Y 1、Y2）送到加、减计数电路进行记数，再通过译码驱动电路，将位移量显示出来。

本实验所采用的光栅栅距为0.02毫米，即每毫米为50对线，经四倍频后，每移动一毫米则应显示200。

３）.实验内容１＞实验装置２＞实验步骤1. 熟悉四倍频辩向电路图，熟悉74LS04、74LS00、74LS54四件的功能，按照线路图插接线路板。

2 .检查无误后，再通过实验，同时用示波器观察各点的波形，并将辩向、四倍频波形描绘下来。

3. 与光栅传感器联调，测试板首先清零显示为00000，移动动尺前进100mm，观察记数显示结果并记录下来，然后动尺后退到原点，观察记录显示结果并记录下来。

４）.实验报告简述四倍频辨向电路的工作原理并画出其波形图。

实验二：电容式、涡流式传感器的特性及应用实验一、实验目的1. 了解电容式传感器的基本结构，掌握二极管环形电桥的工作原理；2. 了解涡流式传感器的基本结构及特性，掌握涡流式传感器的工作原理及应用方法。

二、实验装置HY-811C型传感器与检测技术实验平台，如图1所示。

该平台主要由台体、主面板、各传感器组件、各传感器实验单元等组成。

各实验中都要用到主面板（直流稳压电源、数字电压表、差动放大器板）、位移台架及导线。

除此之外，各实验还要使用一些单独的实验模块：1. 电容式传感器实验还使用电容式传感器、电容式传感器转换电路板。

2. 电涡流式传感器还使用转速与频率表（在主面板上）、涡流式传感器、涡流式传感器转换电路板、铁片、铜片和铝片、转速传感器、电机调速装备（光电传感器转换电路中）等。

图1 HY-811C型传感器与检测技术实验平台三、电容式传感器特性实验（一）变面积式电容传感器特性实验1.实验原理及电路实验电路框图如图2所示。

电容的变化通过电容转换电路转换成电压信号，经过差动放大器后，用数字电压表显示出来。

图2 电容式传感器实验电路框图图3 电容转换电路原理图图4 二极管环形电桥原理图图2的电容转换电路图如图3所示。

图中的信号发生器用于产生方波信号。

电容转换由二极管环形电桥完成，二极管电桥工作原理如图4所示。

固定频率的方波脉冲由A点输入，在方波的上升沿，C0被充电，充电途径是VD3→C0；与此同时，CX1也被充电，其充电途径是C9→VD5→C X1。

在方波的下降沿，C0和C X1都放电，C0的放电途径是C0→VD4→C9；C X1的放电途径是C X1→VD6。

由于C9在一个周期内的充电和放电平均电流分别为I U=fV p C X1和I D=fV p C0，式中f是脉冲频率，V P为方波峰值电压，因此AB间的平均电流I=I D-I U=fV p（C0-C X1)。

从该式中可以看出电容的变化与AB之间电流成正比。

在图3中，增加了L1、L2、C10和R6。

L1和L2对高频方波的阻抗很大，而直流电阻很小，与R6一起形成了A、B间的直流通路，使充放电流的直流分量得以通过。

C10用作滤波。

这样R6两端输出的直流电压就与电容的变化量成正比。

2.实验步骤1）固定好位移台架，将电容式传感器置于位移台架上，调节测微器使其指示15mm左右。

将测微器装入位移台架上部的开口处，再将测微器测杆与电容式传感器的动极旋紧。

然后调节两个滚花螺母，使电容式传感器的动极上表面与静极上表面基本平齐，且动极能上下轻松滑动，这时将两个滚花螺母旋紧。

2）差动放大器调零。

将主面板上的+15V、-15V和地端，用导线连接到差动放大器上，将放大器放大倍数电位器RP1旋钮（对应主面板上增益旋钮）顺时针旋到终端位置；用导线将差动放大器的正负输入端短接，再将其输出端接到数字电压表的输入端；电压量程切换开关拨至20V挡；接通电源开关，旋动放大器的调零电位器RP2旋钮，使电压表指示向零趋近，然后切换到2V量程挡，旋动调零电位器RP2旋钮使电压指示为零；此后调零电位器RP2旋钮不再调节，根据实验适当调节增益电位器RP1。

3）按图3连线，将可变电容CX1与固定电容C0接到实验板上，位移台架上的接地孔与转换电路的地线相连接。

4）接通电源，调节测微器使输出电压Uo接近零，然后上移或下移测微仪1mm，调节差动放大器增益，使输出电压的值为200 400mV左右，再回调测微器，使输出电压为0mV，并以此为系统的零位，分别上旋和下旋测微器，每次0.5mm，上下各2.5mm，将位移量X与对应的输出电压Uo记入表1中。

表1 变面积电容传感器实测数据记录表X（mm) -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5Uo （mV）0 0 0平均值0（二）差动式电容传感器特性实验1. 实验原理及电路实验电路图如图5所示。

与变面积式电容实验不同之处在于，该实验接入电容转换电路的两个电容为可变电容，当电容传感器的动极上下移动时，两个电容器的电容量都发生变化，但方向相反，这样就构成了差动式的电容传感器。

图5 差动电容式传感器实验电路框图2.实验步骤按照变面积式电容传感器的实验步骤进行实验，注意接入电路板的两个电容为CX1和CX2，将实验结果记录在表2中。

表2 差动电容传感器实测数据记录表X（mm) -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5Uo （mV）0 0 0平均值0四、电涡流式传感器特性及应用实验（一）电涡流式传感器特性实验1. 实验原理及电路通过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，引起线圈的电感发生变化。

而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。

实验电路如图6所示。

采用电容式三点式振荡器，用于产生高频电流，电流的大小与电感L2（及涡流传感器线圈）的大小有关，滤波后输出直流信号。

2.实验步骤1）将涡流式传感器装在位移台架上，并与涡流式传感器转换电路板连接。

2）将涡流传感器的输出与电压表连接。

3）将测微器测杆与铁片通过螺纹连接在一起。

图6 涡流式传感器实验电路原理图4）接通电源，适当调整测微器的高度，使铁片与涡流感应头刚刚接触，记下此时测微器读数和输出电压，并从此点开始向上移动铁片，将位移量X与输出电压Uo记入表3中。

要求每隔0.2mm读一次数值，共读取20组数据。

表3 涡流式传感器被测体为铁片时的实测数据记录X（mm)Uo（V）X（mm)Uo（V）5）将步骤3）中的铁片分别更换为铝片和铜片，重复步骤4），并将所测数据填入表4和表5中。

表4 涡流式传感器被测体为铝片时的实测数据记录X（mm)Uo（V）X（mm)Uo（V）表5 涡流式传感器被测体为铜片时的实测数据记录X（mm)Uo（V）X（mm)Uo（V）（二）涡流式传感器测量转速实验1. 实验原理及电路利用涡流式传感器探头对旋转体材质的明显变化产生脉冲信号，经电路处理即可测量转速。

2. 实验步骤1）固定好位移台架，将电机放入位移台架的圆孔中。

2）将涡流传感器探头的两根输出信号线接至差动放大器的输入端，差动放大器的输出端接至频率与转速表的输入端。

3）将频率与转速表切换开关拨到频率档。

4）用手持涡流传感器，并将探头线圈对准电机转盘上的磁极，使探头端面至磁极端面约2mm，注意接近时不要碰触旋转的磁极。

5) 调节电机转速旋钮，使电机转动，观察频率表的读数。

五、实验报告1.根据表1实测数据，画出输入/输出特性曲线Uo=f（X)，并且计算灵敏度和非线性误差。

2.根据表2实测数据，画出输入/输出特性曲线Uo=f（X)，并且计算灵敏度和非线性误差。

3.根据表3、表4和表5数据，分别画出涡流式传感器的输入/输出特性曲线Uo=f（X)，并求出拟合曲线的方程。

六、思考题1. 比较差动式和变面积式电容传感器的优劣。

2. 涡流式传感器的量程与那些因素有关？3. 转速测试中，输出频率与转速的对应关系，如何提高测试精度？实验三.切削力测量实验1）.实验目的1．通过实验验证应力测量原理与具体实施方法。

2．通过实验初步掌握力的应变测试技术。

2)实验原理本测力系统由测力传感器（即SDC系列测力仪）、应变仪（即应变信号放大器；如：YD-21四通道应变仪）、模数转换板（即A/D卡）、带电缆和插头的连接器等组成。

见图1-1：测力仪（Dynamometer）上有三或四个插座，三个插座的测力仪用于测量Fx、Fy、Fz三个切削或磨削分力，四个插座的测力仪用于测量三个分力外还可测量钻削扭矩，通常只测三个分力的测力仪上也常带有第四个插座，但这个插座是不用的。

把随测力仪提供的电缆插头与测力仪插座连接，需要拧紧插头不能松动；在把电缆另一端的四个连接钩与应变仪电桥盒相接，红色的两个连接钩与电桥盒1、3号连接柱相连；黑色的两个钩与电桥盒2、4号连接柱相连（两者可互换）。

钩与柱的连接也需要拧紧，不允许松动。

图1-1所示连接器2即为随A/D 卡提供的接口。