《機械工程測試技術》配套PPT課件

《機械工程測試技術》配套PPT課件,機械工程測試技術,機械工程,測試,技術,配套,PPT,課件 1THSRZ-2 型傳感器系統(tǒng)綜合實驗裝置型傳感器系統(tǒng)綜合實驗裝置 THSRZ-2 型傳感器系統(tǒng)綜合實驗裝置是將傳感器、 檢測技術及計算機控制技術有機結合的一套傳感器系統(tǒng)實驗設備。實驗裝置由主控臺、檢測源模塊、傳感器及調理（模塊） 、數(shù)據(jù)采集卡組成。 1.主控臺 信號發(fā)生器：1k10kHz 音頻信號，VP-P=017V 連續(xù)可調 130Hz 低頻信號，VP-P =017V 連續(xù)可調，有短路保護功能 四組直流穩(wěn)壓電源：+24V,15V、+5V、210V 分五檔輸出、05V 可調，有短路保護功能 恒流源：020mA 連續(xù)可調，最大輸出電壓 12V 數(shù)字式電壓表：量程 020V，分為 200mV、2V、20V 三檔、精度 0.5 級 數(shù)字式毫安表：量程 020mA，三位半數(shù)字顯示、精度 0.5 級，有內側外測功能 頻率/轉速表：頻率測量范圍 19999Hz，轉速測量范圍 19999rpm 計時器：09999s，精確到 0.1s 高精度溫度調節(jié)儀：多種輸入輸出規(guī)格，人工智能調節(jié)以及參數(shù)自整定功能，先進控制算法，溫度控制精度0.5 2.檢測源 加熱源：0220V 交流電源加熱，溫度可控制在室溫120 轉動源：224V 直流電源驅動，轉速可調在 03000rpm 振動源：振動頻率 1Hz30Hz（可調） ，共振頻率 12Hz 左右 3.傳感器 包括應變式傳感器、溫度式傳感器、光電式傳感器、霍爾式傳感器、濕敏氣敏傳感器、電感式傳感器、電渦流式傳感器、電容式傳感器，以及 CCD 圖像傳感器等。 所有傳感器模塊與主機均采用冷軋鋼板機殼與呂合金面板，有效地提高電氣屏蔽性能。 4.處理電路 包括電橋、電壓放大器、差動放大器、電荷放大器、電容放大器、低通濾波器、 2渦流變換器、相敏檢波器、移相器、V/I、I/V、F/V 轉換電路、直流電機驅動等。 高速 USB 數(shù)據(jù)采集卡：含 8 路模擬量輸入，8 路開關量輸入，5 路開關量輸出，12 位 A/D 轉換，采集卡支持最大采樣頻率為 400kHz。 上位機軟件：本軟件配合 USB 數(shù)據(jù)采集卡使用，實時采集實驗數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行動態(tài)或靜態(tài)處理和分析， 帶有傳感器虛擬仿真、 雙通道虛擬示波器、 電機控制、 DIDO等功能。 5.注意事項 實驗時請非常注意實驗指導書中實驗內容后的“注意事項” 。 要在確認接線無誤的情況下開啟電源，盡量避免電源短路情況的發(fā)生。 3實驗一 差動變面積式電容傳感器實驗 一、實驗目的： 掌握電容式傳感器的工作原理和測量方法。 二、實驗儀器： 電容傳感器、電容傳感器模塊、微側頭（千分尺） 、絕緣護套、移相器/相敏檢波/低通濾波模塊、振動源 三、實驗原理 電容式傳感器是只能將被測屋里量的變化轉換為電容量變化的一種傳感器，它實質上是具有一個可變參數(shù)的電容器。利用平板電容器原理： 0rSSCdd= （1-1） 式中，S 為極板面積，d 為極板間距離，0真空介電常數(shù)，r介質相對介電常數(shù)，由此可以看出當被測量物理量使 S、d 或r發(fā)生變化時電容量 C 隨之發(fā)生改變，如果保持其中兩個參數(shù)不變而僅改變另一個參數(shù)，就可以將該參數(shù)的變化單值地轉化為電容量的變化。所以電容傳感器可以分為三種類型，改變極板間距離的變間隙式，改變極板面積的變面積式和改變介質電常數(shù)的變介電常數(shù)式。 這里采用變面積式， 如圖 1-1兩只平板電容器共享一個下極板，當下極板隨被測物體移動時，兩只電容器上下極板的有效面積一只增大，一只減小，將三個極板用導線引出，形成差動電容輸出。 圖 1-1 電容傳感器內部結構示意圖 四、實驗內容與步驟： 1. 按圖 1-2 將電容傳感器安裝在電容傳感器模塊上，將傳感器引線插入實驗模 4塊插座中。 圖 1-2 電容傳感器安裝示意圖 2. 將電容傳感器模塊的輸出 Uo 接到直流電壓表。 3. 接入15V 電源，合上主控臺電源開關，將 Rw 逆時針調到底，然后順時針調節(jié) 5 圈，調節(jié)測微頭使得直流電壓表顯示為 0（選擇 2V 檔，Rw 確定后不能改動） 。 4. 旋動微側頭推進電容傳感器的共享極板（下極板） ，每隔 0.2mm 記錄下位移量 X 與輸出電壓 V 的變化，填入表 1-1 。 表 1-1 X（mm） 0 V（v） 5. 將電容傳感器安裝到振動源傳感器支架上，傳感器引線接入傳感器模塊，輸出端 Uo 接相敏檢波模塊低通濾波器的輸入 Ui 端，低通濾波器輸出 Uo 接示波器。調節(jié) Rw 到最大位置（順時針）旋到底，通過“緊定旋鈕”使電容傳感器的動極板處于中間位置，使得 Uo 輸出為 0。 6. 主控臺信號源的Us2 輸出接到振動源的 “低頻信號輸入” ， 振動頻率選 “5-15HZ”之間，振動幅度初始調到零。 7. 電容傳感器模塊接入15V 電源，檢查接線無誤后，合上主控臺電源開關，調節(jié)振動源激勵信號的幅度，用示波器觀察輸出波形。 8. 保持信號源的 Us2 輸出的幅度旋鈕不變，改變振動頻率（用主控臺上的頻率計監(jiān)測） ，用示波器測出 Uo 輸出的峰峰值，填入表 1-2。 5表 1-2 F（Hz） 5 6 7 8 9 101112131415182022 24 26 30 Vp-p（V） 五、實驗報告： 1根據(jù)表 1-1 的數(shù)據(jù)計算電容傳感器的系統(tǒng)靈敏度 S 和非線性誤差f。 2分析差動電容傳感器測量振動的波形，作出 F-Vp-p 曲線，找出振動源的固有頻率。 六、注意事項： 1電容動片與兩定片之間的片間距離須相等（同軸） ，位移和振動時均應避免擦片現(xiàn)象，否則會造成輸出信號突變。 2如果差動放大器輸出端用示波器觀察到波形中有雜波，請將電容變換器增益進一步減小。 6實驗二 金屬應變片性能： 單臂電橋、半橋及全橋的比較實驗 一、實驗目的： 1. 了解金屬箔片式應變片、單臂、半橋、全橋電橋的工作原理和工作情況。 2. 比較單臂、半橋、全橋輸出時的靈敏度和非線性度，得出相應的結論。 二、實驗儀器： 應變傳感器實驗模塊、托盤、20g 砝碼（10 個） 三、實驗原理： 電阻絲在外力作用下發(fā)生機械變形時， 其電阻值發(fā)生變化， 這就是電阻應變效應，應變效應的關系式為 RkR= （2-1） 式中RR為電阻絲電阻相對變化； k為應變靈敏度； ll=為電阻絲長度相對變化。 金屬箔式應變片就是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應變電阻組件。如圖2-1所示，將四個金屬箔式應變片分別貼在雙孔懸臂梁式彈性體的上下兩側，彈性體受到壓力發(fā)生形變， 應變片將隨著彈性體的形變被拉伸或被壓縮， 應變片的敏感柵隨同變形，其電阻值也隨之發(fā)生相應的變化。通過測量電路，轉換成電信號輸出顯示。 7 圖2-1 雙孔懸臂梁式稱重傳感器結構圖 當電橋平衡時，橋路對臂電阻乘積相等，電橋輸出為零，在橋臂四個電阻 R1、R2、R3、R4中，電阻的相對變化率分別為R1R1、R2R2、R3R3、R4R4，當使用一個應變片時，RRR =；當二個應變片組成差動狀態(tài)工作，則有RRR2=；用四個應變片組成二個差動對工作，且 R1R2R3R4R，RRR4=。由此可知，單臂，半橋，全橋電路的靈敏度依次增大。 四、實驗內容與步驟： 1. 傳感器上的各應變片已分別接到應變傳感器模塊左上方的R1、 R2、 R3、 R4 上，未發(fā)生形變時，R1=R2=R3=R4=350，固定電阻R5=R6=R7=350。 2. 放大器調零。將主控臺的15V 電源接入應變傳感器模塊，檢查無誤后，合上主控臺電源開關，將差動放大器的輸入端Ui 短接并與地短接，輸出端 Uo2 接直流電壓表 （選擇2V 檔） 。 將電位器Rw4 調到增益最大位置 （順時針轉到底） ，調節(jié)電位器 Rw3 使電壓表顯示為 0V。關閉主控臺電源（Rw3 的位置確定后不能改動） 。 3. 參考圖2-2 連線， 將應變式傳感器的其中一個應變電阻 （如 R1 )接入電橋與R5、R6、R7 構成一個單臂直流電橋。 4. 加托盤后電橋調零。電橋輸出接到差動放大器的輸入端Ui，檢查接線無誤后，合上主控臺電源開關，預熱五分鐘，調節(jié)Rw1 使電壓表顯示為零。 5. 在應變傳感器托盤上放置一只砝碼，讀取直流電壓表數(shù)值，依次增加砝碼和讀 8取相應的直流電壓表數(shù)值，直到200g 砝碼加完，記下實驗結果。 圖2-2 單臂電橋接線原理圖 6. 保持差動放大電路不變，分別將應變電阻連接成半橋和全橋電路，作半橋和全橋性能實驗，并將實驗數(shù)據(jù)記錄在表2-1 中。 表2-1 重量（g） 電壓 （mV） 單臂 半橋 全橋 7. 實驗結束后，關閉電源，整理好實驗設備。 五、實驗報告： 1根據(jù)記錄的實驗數(shù)據(jù)，計算并比較三種電橋的靈敏度和非線性誤差，單臂電橋系統(tǒng)靈敏度1S和非線性誤差1f，半橋電橋2S和2f，全橋電橋3S和3f。得到的結論與理論計算進行比較。 2思考題：全橋測量中，當兩組對邊（R1、R3 為對邊）電阻值 R 相同時，即R1=R3，R2=R4，而 R1R2 時，是否可以組成全橋？ 2V R5 2V R6 R7 WD V R1 9六、注意事項： 1實驗所采用的彈性體為雙孔懸臂梁式稱重傳感器，量程為 1kg，最大超程量為120%。因此，加在傳感器上的壓力不應過大，以免造成應變傳感器的損壞。 2電橋上端虛線所示電阻為虛設，僅為組橋提供插座。表示在使用時應外接電阻。 3實驗前應檢查實驗接插線是否完好，連接電路時應盡量使用較短的接插線，以避免引入干擾。接插線插入插孔，以保證接觸良好，切忌用力拉扯接插線尾部，以免造成線內導線斷裂。 4穩(wěn)壓電源不要長時間對地短路。 5接半橋、全橋時請注意區(qū)別應變片的工作狀態(tài)與方向，不能接錯。 11實驗三 電渦流式傳感器性能、特性及應用實驗 一、實驗目的： 1了解電渦流傳感器的結構、原理、工作特性。 2進行電渦流傳感器的靜態(tài)標定。 3通過實驗掌握用電渦流傳感器測量振幅的原理和方法。 二、實驗儀器： 電渦流傳感器、電渦流傳感器模塊、鐵圓盤、測微頭（千分尺） 、振動源 三、實驗原理： 電渦流式傳感器由平面線圈和金屬渦流片組成，當線圈中通以高頻交變電流后，與其平行的金屬片上感應產(chǎn)生電渦流，電渦流的大小影響線圈的阻抗 Z，而渦流的大小與金屬渦流片的電阻率、導磁率、厚度、溫度以及與線圈的距離 X 有關。當平面線圈、被測體（渦流片） 、激勵源已確定，并保持環(huán)境溫度不變，阻抗 Z 只與 X 距離有關。將阻抗變化經(jīng)渦流變換器變換成電壓 V 輸出，則輸出電壓是距離 X 的單值函數(shù)。 四、實驗內容與步驟： 1. 按下圖3-1 安裝電渦流傳感器 圖3-1 電渦流傳感器安裝示意圖 2. 在測微頭端部裝上鐵圓盤，作為電渦流傳感器的被測體，調節(jié)測微頭，使鐵圓盤的平面貼到電渦流傳感器的探測端，固定測微頭。 3. 將電渦流傳感器連接線接到模塊上標有“”的兩端，實驗模塊輸出端Uo 與直流電壓表輸入端 Ui 相接。直流電壓表量程切換開關選擇電壓 2V 12檔，模塊電源用連接導線從主控臺接入+15V 電源。 4. 打開主控臺電源，記下直流電壓表讀數(shù)，然后每隔 0.2mm 讀一個數(shù)，直到輸出幾乎不變?yōu)橹?。將結果列入表 3-1。 表 3-1 X（mm） Uo（V） 5. 根據(jù)表 3-1 數(shù)據(jù)，畫出 Uo- X 曲線，根據(jù)曲線找出線性區(qū)域及進行正、負位移測量時的最佳工作點，并計算量程為 1mm，3mm，5mm 時的靈敏度和線性度（可以用端點法或其它擬合直線） 。 6. 將鐵圓盤平放到振動梁最左端的位置，根據(jù)圖 3-1 安裝電渦流傳感器，注意傳感器端面與被測物體 （鐵圓盤） 之間的安裝距離即為線形區(qū)域。 （來自實驗31 中的特性曲線） 7. 將電渦流傳感器連接線接到模塊上標有“”的兩端，模塊電源用連接導線從主控臺接入+15V 電源。實驗模板輸出端接示波器。將信號源的“低頻輸出 Us2”接到振動源的“低頻輸入”端， “低頻調頻”調到最小位置， “Us2幅度調節(jié)”調到中間位置，打開主控臺電源。 8. 調節(jié)“低頻調頻”旋鈕，使振動梁有微小振動。從示波器觀察電渦流實驗模塊的輸出波形，記下 Vp-p 值，同時利用前面的結果求出該微小振動的變化范圍Xp-p 值和振幅。 9. 變化振動源的頻率和幅值， 提高振動振幅， 用示波器觀察輸出波形有失真現(xiàn)象，這說明電渦流式傳感器的振幅測量范圍是很小的。 五、實驗報告： 根據(jù)步驟 4、步驟 5 和步驟 8 的實驗要求，撰寫實驗報告。 六、思考題： 有一個振動頻率為 19kHz 的被測體需要測其振動參數(shù)， 你是選用壓電式傳感器還是電渦流傳感器或認為兩者均可？ 13實驗四 壓電加速度式傳感器 一、實驗目的： 了解壓電加速度計的結構、原理和應用。 二、實驗儀器： 振動源、壓電傳感器模塊、壓電傳感器、移相器/相敏檢波/低通濾波模塊 三、實驗原理： 壓電式傳感器是一種典型的有源傳感器（發(fā)電型傳感器） 。壓電傳感元件是力敏感元件，在壓力、應力、加速度等外力作用下，在電介質表面產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)非電量的電測。 四、實驗內容與步驟： 1. 觀察壓電式加速度傳感器的結構：壓電陶瓷片、慣性質量塊等組成。 2. 將壓電傳感器安裝在振動梁的圓盤上，如圖4-1 所示。 圖 4-1 振動源安裝示意圖 3. 將信號源的低頻輸出 Us2 接到振動源的低頻信號輸入，并按下圖 4-2 接線，合上主控臺電源開關，調節(jié)低頻調幅到最大、低頻調頻到合適位置，使振動梁的振幅逐漸增大。 4. 將壓電傳感器的輸出端接到壓電傳感器模塊的輸入端 Ui1，Uo1 接 Ui2，Uo2接低通濾波器輸入端Ui，輸出Uo 接示波器，觀察壓電傳感器的輸出波形Uo。 14 圖 4-2 壓電傳感器振動實驗接線圖 五、實驗報告 改變低頻輸出信號的頻率，記錄振動源不同振動幅度下壓電傳感器輸出波形的頻率和幅值。并由此得出振動系統(tǒng)的共振頻率。 振動頻率（Hz） 56 7 8 9 101112131415182022 24 26 30Vp-p（V） 15實驗五 電子秤設計實驗 一、實驗目的： 綜合運用課程所學知識以及對傳感器實驗裝置上的各種傳感器及其測試電路的了解和掌握，完成要求的設計性實驗。 二、實驗儀器： 自選 三、實驗內容： 1利用實驗室傳感器綜合實驗裝置上的傳感器及其測試電路設計一個用于稱重的電子秤。 2獲取所設計的電子秤的輸入輸出關系曲線。 3線性化處理，并計算電子稱的靈敏度和非線性誤差。 四、實驗報告 包括電子稱設計原理、實驗儀器清單、電子秤的輸入輸出關系曲線、靈敏度和非線性誤差等。