【正文】 1 測試技術(shù)基礎(chǔ) 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 機(jī)械與汽車工程學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)教研室 丁曙光、趙小勇 二 OO七年十一月 2 實(shí)驗(yàn)一 電阻應(yīng)變片的靈敏的測定 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 掌握電阻應(yīng)變片靈敏系數(shù)的一種測定方法。 練習(xí)使用 YJD1 靜動態(tài)電阻應(yīng)變儀。 二、實(shí)驗(yàn)原理 電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)測定原理：當(dāng)電阻應(yīng)變片粘貼在試件上受應(yīng)變 ? 時(shí)，其電阻產(chǎn)生的相對變化 ?KRR?? （ 1— 1） 比值 K 即為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。只要應(yīng)變量不過分大時(shí)， K 為常數(shù)。 當(dāng) RR? 及 ? 值分別測得后， K 值即可算出。 等強(qiáng)度梁表面軸向應(yīng)變 ? ，可從撓度計(jì)上百分表的讀數(shù)算出： 24lhf?? （ 1— 2） 式中 f—— 百分表讀出的撓度計(jì)中點(diǎn)的撓度值。 h—— 等強(qiáng)度梁厚度。 l—— 撓度計(jì)跨度。 電阻應(yīng)變片的相對 電阻變化 RR? 是根據(jù)電阻應(yīng)變儀測出的指示應(yīng)變 儀? 和應(yīng)變儀所設(shè)定的靈敏系數(shù)值 K 儀 （通常用 K 儀 =）算得： 儀儀 ???? KRR ∴ 應(yīng)變片的靈敏系數(shù) K=24hf/lKRR 儀儀 ????? （ 1— 3） 實(shí)驗(yàn)時(shí)可采用分級加載的方式，分別測量在不同應(yīng)變值時(shí)應(yīng)變片的相對電阻變化，以而驗(yàn)證它們兩者之間的線性關(guān)系。 YJD1 型靜動態(tài)應(yīng)變儀的使用方法： YJD1 型應(yīng)變儀可用于靜動態(tài)應(yīng)變測量。其主要技術(shù)參數(shù)為：靜態(tài)時(shí)量程 0～ 177。16000?? ，基本誤差 2%，動態(tài)測量時(shí)量程 ① 0～ 177。 2020?? ， ② 0177。 400?? ，工作頻率 0～ 200HZ，采用應(yīng)變片的靈敏系數(shù)在 ～ 范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。配套使用的P20R1 預(yù)調(diào)平衡箱共 20 點(diǎn)，預(yù)調(diào)范圍為 177。 2020?? ，重復(fù)誤差 177。 5?? 。 3 靜態(tài)應(yīng)變測量時(shí)操作步驟： ①將應(yīng)變片出線與應(yīng)變儀連接，半橋接法時(shí)（參見圖 2— 1），將應(yīng)變片 R R2分別接到 AB 和 BC 接線柱，此時(shí)應(yīng)變儀面板上 A’DC’ 三點(diǎn)用連接銅片接好，應(yīng)變儀內(nèi)AA’ 和 CC’ 一對 120Ω精密電阻構(gòu)成另外半橋；全橋接法時(shí)，將 A’D C’ 三點(diǎn)連接銅片拆除，應(yīng)變片 R1， R2， R3， R4分別接到 ABCD 接線柱上并擰緊。 ②按應(yīng)變片盒上標(biāo)明的靈敏系數(shù) K 值，調(diào)整應(yīng)變儀靈敏系數(shù)盤 儀K 與之符合。（當(dāng)K 值需通過實(shí)驗(yàn)測定時(shí)，可先設(shè)定 儀K ，為計(jì)算方便，通常取 儀K =）。 ③使微調(diào)、中調(diào)、粗調(diào)三個(gè)調(diào)節(jié)旋鈕置于零位。檢流計(jì)指針應(yīng)準(zhǔn)確指零，否則需校正到零位。 ④轉(zhuǎn)動選擇開關(guān)，先后轉(zhuǎn)到 A 和 B 兩處，指針應(yīng)偏在紅格以內(nèi)，否則說明 A、 B電池電壓過低，應(yīng)該換新。使用交流電源時(shí)可不作此項(xiàng)檢查。 ⑤選擇開關(guān)轉(zhuǎn)到“靜”位。進(jìn)行電阻、電容預(yù)調(diào)平衡，先調(diào)應(yīng)變儀右方的電阻平衡、轉(zhuǎn)動螺絲，使電表指針指零；然后開關(guān)轉(zhuǎn)到“預(yù)”位置，轉(zhuǎn)動電容平衡螺絲，再調(diào)電表零位，這樣在“預(yù)”、“靜”之間反復(fù)調(diào)整數(shù)次，此時(shí)電橋已 預(yù)調(diào)平衡，以后在測量過程中電阻、電容平衡螺絲不可再動。 ⑥如因應(yīng)變片電阻值相差較大而不能預(yù)調(diào)平衡時(shí)，可將微調(diào)或中調(diào)盤旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)檔數(shù)，并記錄初始應(yīng)變值，再調(diào)整電阻平衡使檢流計(jì)指針在零位。然后仔細(xì)觀察三分鐘，儀表不應(yīng)有漂移現(xiàn)象。 ⑦進(jìn)行加載，指針偏轉(zhuǎn)，估計(jì)應(yīng)變量大小，與指針反向轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)旋鈕，使指針回零，將三個(gè)應(yīng)變調(diào)節(jié)盤讀數(shù)相加即為應(yīng)變讀數(shù)?！?+”表示伸長應(yīng)變，“ ”表示壓縮應(yīng)變。如有初始應(yīng)變值應(yīng)從最后讀數(shù)中減去初始應(yīng)變值。 三、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備 已貼片的等強(qiáng)度梁和加靜裝置，溫度補(bǔ)償快。） 帶有千分表（或百分 表）的撓度計(jì)；游標(biāo)卡尺。 YJD1 靜動態(tài)電阻應(yīng)變儀。 四、實(shí)驗(yàn)步驟 電阻應(yīng)變片靈敏系數(shù)測定： 分別用千分尺和游標(biāo)卡尺，測得等強(qiáng)度梁的厚度 h 和撓度計(jì)的跨度 l。 按圖 2— 1 所示安裝等強(qiáng)度梁和撓度計(jì)，將等強(qiáng)度梁上縱向應(yīng)變片 R R2與溫度補(bǔ)償梁上的應(yīng)變片 R5，接入應(yīng)變儀。將兩種情況下讀數(shù)預(yù)調(diào)到零位。 記錄撓度計(jì)上百分表的初讀數(shù) f0，以后分級加載 5 公斤、 10 公斤、 15 公斤砝碼，測量千分表讀數(shù) fe和 R R2應(yīng)變片指示應(yīng)變讀數(shù)，列表記錄。（表 2— 1）。 4 表 1— 1 靈敏系數(shù)測定結(jié)果 等強(qiáng)度梁號 ，厚度 h= mm，撓度計(jì) l= mm。 應(yīng)變片號 Pkg f0 fe 計(jì)算 ? 儀? RR? K R1 R2 五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求 按表 1— 1 記錄和計(jì)算各應(yīng)變片靈敏系數(shù)，和它的平均值 K ，以及相對標(biāo)準(zhǔn)誤差： %1001)( 21 ????? ?? nKKKIKS ini? 試用材料力學(xué)有關(guān)公式，計(jì)算在加載過程中，等強(qiáng)度梁的上（下）表面的應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)值。并與實(shí)驗(yàn)測定值相比較。 5 圖 2— 1 等強(qiáng)度梁試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu) 6 實(shí)驗(yàn)二 電阻應(yīng)變片在電橋中的接法 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 學(xué)會電阻應(yīng)變片半橋單臂、半橋雙臂、全橋接法。 檢查各種接法時(shí)的對應(yīng)的應(yīng)變讀數(shù)值，從而體會電橋的加減特性和補(bǔ)償原理。 學(xué)會正確的接橋方法。 二、實(shí)驗(yàn)原理 電阻應(yīng)變儀電橋輸出電壓 U與各橋臂的相對電阻變化率RR?或各應(yīng)變片的指示應(yīng)變值 i? 之間有下列關(guān)系： )(4][4432144332211???? ????????????EKRRRRRRRREU （ 2— 1） 式中 1? 、 2? 、 3? 、 4? 分別為各橋臂應(yīng)變片的指示應(yīng)變； K 為應(yīng)變片靈敏系數(shù)； E 為供橋電壓。 從上可知，對同種性質(zhì)的應(yīng)變（同為 +或同為 ），相對橋臂（如 1? 與 3? 、 2? 與 4? ）其應(yīng)變值是迭加的，而相鄰橋臂（如 1? 、 3? 的相鄰橋臂為 2? 和 4? ）應(yīng)變值是相抵消的。 對于不同種應(yīng)變（一橋臂為 +，另一橋臂為 ），情況正好相反，相對橋 臂應(yīng)變彼此消減，而相鄰橋臂則彼此迭加。利用上述特性，選擇合適的接橋方法，可以使輸出電壓增大，同時(shí)可抵消那些對測量值產(chǎn)生干擾因素的影響。例如測量過程中對溫度的補(bǔ)償，對某些非線性誤差的改善及復(fù)雜應(yīng)力情況下需要測定其中一個(gè)應(yīng)力單獨(dú)作用所產(chǎn)生的應(yīng)變??等等，都是電橋加減特性的應(yīng)用。 三、實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備 等強(qiáng)度梁試驗(yàn)裝置，加載砝碼。 靜動態(tài)電阻應(yīng)變儀（ YJD1）。 四、實(shí)驗(yàn)步驟 分別按圖 3— 1a、 b、 c、 d 所示各種接法接成橋路。先在初載荷下將應(yīng)變儀調(diào) 7 零，加載 5kg 和 10 公斤測量指示應(yīng)變 儀? 記錄在表 3— 1 中，加載三次并進(jìn)行數(shù)據(jù)處 理，檢查 儀? 以及它與應(yīng)變值 1? 的倍數(shù)。（稱為對某一應(yīng)變片的“電橋系數(shù)”簡稱“電橋系數(shù)”或“橋臂系數(shù)” A）。 表 2— 1 各種接法測量結(jié)果 儀K =K= 接法 載荷 kg 次數(shù) (a) (b) (c) (d) 3kg 6kg 3kg 6kg 3kg 6kg 3kg 6kg 1 2 3 平均應(yīng)變 ?? 橋臂系數(shù) A 利用加熱體（如紅外線燈泡、電烙鐵等）在各種接法情況下，分別對工作片單獨(dú)加熱和工作片、補(bǔ)償片同時(shí)加熱、觀察其輸出應(yīng)變值的變化。 五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求 討論各種接橋方法時(shí)的特性，比較其優(yōu)缺點(diǎn)。 試用公式推導(dǎo)不同接法時(shí)的橋臂系數(shù) A 的理論值，并與實(shí)測值相比較。 實(shí)驗(yàn)中的心得體會。 8 實(shí)驗(yàn)三 振動測量及信號分析 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 了解激振 器、加速度傳感器、電荷放大器、電阻應(yīng)變片、動態(tài)電阻應(yīng)變儀、信號采集及分析系統(tǒng)的工作原理，掌握上述設(shè)備的使用方法，了解典型測試系統(tǒng)的構(gòu)成，掌握振動測量的基本內(nèi)容和測量方法，掌握信號的幅值譜及功率譜分析的基本方法。 二、實(shí)驗(yàn)儀器及原理 △ 機(jī)械振動綜合實(shí)驗(yàn)裝置（安裝雙簡支梁） 1 套 △ 激振器及功率放大器 1 套 △ 加速度傳感器 2 只 △ 電荷放大器 2 臺 △ 電阻應(yīng)變片 2 片 △ 動態(tài)電阻應(yīng)變儀 4 臺 △ 數(shù)據(jù)采集儀 1 臺 △ 信號分析軟件 1 套 應(yīng)變片 信號發(fā)生器 功率放大器 電荷放大器 動態(tài)電阻應(yīng)變儀 數(shù)據(jù)采集儀 加速度傳感器 激振器 9 三、實(shí)驗(yàn)方法及步驟 將振動器通過頂桿連接到簡支梁上（注意確保頂桿與激振器的中心在一直線上） ，激振點(diǎn)位于雙簡支梁中心偏左 50mm 處（已有安裝螺孔），將信號發(fā)生器輸出端連接到功率放大器的輸入端，并將功率放大器與激振器相連接。 用傳感器磁座將加速度傳感器安裝在雙簡支梁上（中心偏左 50mm）并與電荷放大器連接，將電荷放大器輸出端分別與數(shù)據(jù)采集儀輸入端連接。 將電阻應(yīng)變片通過接橋盒接成兩個(gè)半橋單臂橋和一個(gè)半橋雙臂橋分別接到XHDT— 1 型動態(tài)綜合測試儀的 動態(tài)電阻應(yīng)變儀通道的輸入端。 4）將兩個(gè)壓電式加速度計(jì)分別接到 XHDT— 1 型動態(tài)綜合測試儀的兩個(gè)電荷放大器的輸入端。 5）、 XHDT— 1 型動態(tài)綜合 測試儀的初步調(diào)整， XHDT— 1 型動態(tài)綜合測試儀是集四個(gè)通道的動態(tài)電阻應(yīng)變儀和兩個(gè)通道電荷放大器于一體的綜合測試儀。 1） CS— 1A 動態(tài)電阻應(yīng)變儀的調(diào)整 供橋電壓選為 2V、增益選擇開關(guān)設(shè)為 校準(zhǔn)開關(guān)達(dá)到測量擋，低通濾波器的設(shè)到 100K 檔。 2） CA— 3 型電荷放大器的調(diào)整 把傳感器靈敏度調(diào)節(jié)旋紐數(shù)值調(diào)到與使用的壓電式加速度計(jì)的靈敏度值相同并鎖緊，低通濾波器旋紐調(diào)到 Lin(100K)檔，功能選擇旋紐打倒加速度測量檔，增益選擇開關(guān)打倒 100 擋。 設(shè)置完成后，接通電源。進(jìn)行動態(tài)電阻應(yīng)變儀的平衡調(diào)節(jié)，如果表頭 對應(yīng)通道的數(shù)值不等于 0，按以下相應(yīng)通道的自動平衡按鍵，直到表頭度數(shù)為零，重復(fù)此操作，直到所有三個(gè)通道調(diào)整完畢。 將信號發(fā)生器和功率放大器的幅值旋鈕調(diào)至最小，打開所有儀器電源。設(shè)置信號發(fā)生器在某一頻率（可以為 5Hz），調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的幅值旋鈕使其輸出電壓為 2V。調(diào)節(jié)功率放大器的幅值旋鈕到中間位置，逐漸增大信號發(fā)生器的頻率，觀察簡支梁的振動情況，直到找到其振幅較大時(shí)的頻率，并記下此頻率，同時(shí)電荷放大是否過荷，如過荷適當(dāng)調(diào)小增益倍數(shù)直到不產(chǎn)生過荷為止，停止激振保持信號發(fā)生器的各個(gè)按鈕不動，關(guān)閉所有儀器的電源開 關(guān)。 根據(jù)步驟 6 所記錄的共振頻率，調(diào)整動態(tài)電阻應(yīng)變儀和電荷放大器的低通濾波器的截止頻率到合適的值。 將電阻應(yīng)變儀的輸出和電荷放大器的輸出信號接到數(shù)字信號采集儀。 9）、打開信號發(fā)生器、應(yīng)變儀、電荷放大器及數(shù)字采集系統(tǒng)的開關(guān)，用數(shù)據(jù)采集 10 軟件采集各個(gè)通道的波形并用信號分析軟件對采集到的加速度信號、振動應(yīng)變信號進(jìn)行幅值譜、功率譜分析和加速度信號與應(yīng)變信號的相關(guān)分析，并記錄一些典型信號的波形。 四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理與分析 將測量的固有頻率與信號放生器的頻率讀數(shù)相比較，若誤差較大，找出其原因。 討論各個(gè)信 號的幅值譜與功率譜的關(guān)系以及各個(gè)通道波形之間的關(guān)系。 討論加速度信號與應(yīng)變信號的相關(guān)性？ 用波形說明低通濾波器的作用。 11 實(shí)驗(yàn)四 典型信號頻譜分析 一 . 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1. 在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，通過本實(shí)驗(yàn)熟悉典型信號的波形和頻譜特征，并能夠從信號頻譜中讀取所需的信息。 2. 了解信號頻譜分析的基本方法及儀器設(shè)備。 二 .