【正文】 機(jī)械工程測試技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書前 言現(xiàn)代科技的發(fā)展，使得改革傳統(tǒng)教學(xué)方式迫在眉睫！通過增加實(shí)驗(yàn)和培訓(xùn)課程，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力和實(shí)際操作能力是教學(xué)改革的主要內(nèi)容之一。針對(duì)教育部提出的進(jìn)一步提高高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和管理水平，推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，保證教學(xué)質(zhì)量的思想，組建一個(gè)高水平實(shí)驗(yàn)室是提升學(xué)科的建設(shè)水平必經(jīng)之路。特別是機(jī)械工程測試技術(shù)這門課是一門實(shí)驗(yàn)性基礎(chǔ)科學(xué)，主要研究各種物理量的測量原理和測量信號(hào)的分析處理方法。它是進(jìn)行各種科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究和生產(chǎn)過程參數(shù)檢測等必不可少的手段，它起著類似人的感覺器官的作用。通過測試可以揭示事物的內(nèi)在聯(lián)系和發(fā)展規(guī)律，從而去利用它和改造它，推動(dòng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展歷史表明，科學(xué)上很多新 的發(fā)現(xiàn)和突破都是以測試為基礎(chǔ)的。同時(shí)，其它領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步又為測試提供了新的方法和裝備，促進(jìn)了測試技術(shù)的發(fā)展。 　　在工程技術(shù)領(lǐng)域中，工程研究、產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)監(jiān)督、質(zhì)量控制和性能實(shí)驗(yàn)等，都離不測試技術(shù)。在工程技術(shù)中廣泛應(yīng)用的自動(dòng)控制技術(shù)也和測試技術(shù)有著密切的關(guān)系，測試裝置是自動(dòng)控制系統(tǒng)中的感覺器官和信息來源，對(duì)確保自動(dòng)化系統(tǒng)的正常運(yùn)行起著重要作用。測試技術(shù)幾乎涉及任何一項(xiàng)工程領(lǐng)域，簡單的測試系統(tǒng)可以只有一個(gè)模塊，為提高測量精度、增加信號(hào)傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示的靈活性和提高測試系統(tǒng)的自動(dòng)化程 度，以利于和其它控制環(huán)節(jié)一起構(gòu)成自動(dòng)化測控系統(tǒng)，在測試中通常先將被測對(duì)象輸出的物理量轉(zhuǎn)換為電量，然后再根據(jù)需要對(duì)變換后的電信號(hào)進(jìn)行處理，最后以適 當(dāng)?shù)男问斤@示、輸出，或者提供給其它自動(dòng)控制裝置。如下圖所示。 測量系統(tǒng)組成圖　　 同時(shí)我們深知：培養(yǎng)一流的學(xué)生離不開一流的師資和一流的教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。我們追求：使學(xué)生能真正掌握所學(xué)知識(shí)，并將它們更好更快地運(yùn)用到社會(huì)生產(chǎn)實(shí)踐中去。 由于實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)尚在探索中，本實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書必有許多不足之處，請(qǐng)各位老師、同學(xué)、同行不吝指教，以便達(dá)到更好的效果。一、課程教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃學(xué)時(shí)比40/8二、適用專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)、機(jī)械電子工程專業(yè)三、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c基本要求實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^實(shí)踐環(huán)節(jié)使學(xué)生進(jìn)一步理解和掌握課堂上學(xué)到的相關(guān)原理、定理和方法。掌握常用傳感器的使用方法，掌握常用測試儀器的使用方法，掌握信號(hào)分析和處理的方法，提高學(xué)生的動(dòng)手能力，從感性認(rèn)識(shí)入手提高學(xué)生對(duì)測試的理性認(rèn)識(shí)。基本要求：實(shí)驗(yàn)前仔細(xì)閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中的相關(guān)內(nèi)容；認(rèn)真填寫該實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告；分好小組，安排好實(shí)驗(yàn)時(shí)間。實(shí)驗(yàn)過程中，遵守實(shí)驗(yàn)室規(guī)則，不經(jīng)老師允許不能隨意連線、開關(guān)電源；發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)向老師匯報(bào)；要詳實(shí)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，認(rèn)真填寫經(jīng)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)一 認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)及典型信號(hào)頻譜分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求（一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 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(hào)的波形和頻譜特征，并能夠從信號(hào)頻譜中讀取所需的信息。2. 了解信號(hào)時(shí)域和頻譜分析的基本方法以及實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的使用方法。（二）實(shí)驗(yàn)要求1. 簡述實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮驮怼?. 按實(shí)驗(yàn)步驟整理出正弦波信號(hào)幅值譜、 方波信號(hào)幅值譜、 三角波信號(hào)幅值譜，說明各信號(hào)頻譜的特點(diǎn)。3. 將分析結(jié)果與理論分析進(jìn)行對(duì)照，說明實(shí)際分析結(jié)果與理論分析之間的差異，并簡要分析產(chǎn)生誤差的原因。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備 1. 信號(hào)發(fā)生器 １臺(tái) 2. 數(shù)字示波器 １臺(tái)3. 頻譜分析儀 1臺(tái)4. 萬用表 1塊 三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟（一）實(shí)驗(yàn)原理1. 典型信號(hào)及其頻譜分析的作用　頻譜分析可用于識(shí)別信號(hào)中的周期分量，是信號(hào)分析中最常用的一種手段。如圖11，在機(jī)床齒輪箱故障診斷中，可以通過測量齒輪箱上的振動(dòng)信號(hào)，進(jìn)行頻譜分析，確定最大頻率分量，然后根據(jù)機(jī)床轉(zhuǎn)速和傳動(dòng)鏈，找出故障齒輪。正弦波、方波、三角波是實(shí)際工程測試中常見的典型信號(hào)，這些信號(hào)時(shí)域、頻域之間的關(guān)系很明確，并且都具有一定的特性，通過對(duì)這些典型信號(hào)的頻譜進(jìn)行分析，對(duì)掌握信號(hào)的特性，熟悉信號(hào)的分析方法大有益處，并且這些典型信號(hào)也可以作為實(shí)際工程信號(hào)分析時(shí)的參照資料。11機(jī)床齒輪箱故障診斷圖2. 頻譜分析的方法及設(shè)備信號(hào)的頻譜可分為幅值譜、相位譜、功率譜、對(duì)數(shù)譜等等。對(duì)信號(hào)作頻譜分析的設(shè)備主要是頻譜分析儀，它把信號(hào)按數(shù)學(xué)關(guān)系作為頻率的函數(shù)顯示出來，其工作方式有模擬式和數(shù)字式二種。模擬式頻譜分析儀以模擬濾波器為基礎(chǔ)，從信號(hào)中選出各個(gè)頻率成分的量值；數(shù)字式頻譜分析儀以數(shù)字濾波器或快速傅立葉變換為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的時(shí)頻關(guān)系轉(zhuǎn)換分析。傅立葉變換是信號(hào)頻譜分析中常用的一個(gè)工具，它把一些復(fù)雜的信號(hào)分解為無窮多個(gè)相互之間具有一定關(guān)系的正弦信號(hào)之和，并通過對(duì)各個(gè)正弦信號(hào)的研究來了解復(fù)雜信號(hào)的頻率成分和幅值。信號(hào)頻譜分析是采用傅立葉變換將時(shí)域信號(hào)x(t)變換為頻域信號(hào)X(f)，從而幫助人們從另一個(gè)角度來了解信號(hào)的特征。時(shí)域信號(hào)x(t)的傅氏變換為：式中X(f)為信號(hào)的頻域表示，x(t)為信號(hào)的時(shí)域表示，f為頻率。3. 周期信號(hào)的頻譜分析周期信號(hào)是經(jīng)過一定時(shí)間可以重復(fù)出現(xiàn)的信號(hào)，滿足條件： x ( t ) = x ( t + nT )從數(shù)學(xué)分析已知，任何周期函數(shù)在滿足狄利克利（Dirichlet）條件下，可以展開成正交函數(shù)線性組合的無窮級(jí)數(shù)，如正交函數(shù)集是三角函數(shù)集（sinnω0t,cosnω0t）或復(fù)指數(shù)函數(shù)集（ ），則可展開成為傅里葉級(jí)數(shù)，通常有實(shí)數(shù)形式表達(dá)式：直流分量幅值為： 各余弦分量幅值為： 各正弦分量幅值為： 利用三角函數(shù)的和差化積公式，周期信號(hào)的三角函數(shù)展開式還可寫如下形式： 直流分量幅值為： A0 = a0各頻率分量幅值為：各頻率分量的相位為：式中，T周期，T=2π/ω0；ω0基波圓頻率；f0基波頻率；n=0,177。1, ……。為信號(hào)的傅立葉系數(shù)，表示信號(hào)在頻率fn處的成分大小。工程上習(xí)慣將計(jì)算結(jié)果用圖形方式表示，以fn為橫坐標(biāo)， 為縱坐標(biāo)畫圖，則稱為實(shí)頻－虛頻譜圖；以fn為橫坐標(biāo)， 為縱坐標(biāo)畫圖，則稱為幅值－相位譜；以fn為橫坐標(biāo)，An2為縱坐標(biāo)畫圖，則稱為功率譜，如圖12所示。圖12 周期信號(hào)的頻譜表示方法頻譜是構(gòu)成信號(hào)的各頻率分量的集合，它完整地表示了信號(hào)的頻率結(jié)構(gòu)，即信號(hào)由哪些諧波組成，各諧波分量的幅值大小及初始相位，從而揭示了信號(hào)的頻率信息。 4. 非周期信號(hào)的頻譜分析非周期信號(hào)是在時(shí)間上不會(huì)重復(fù)出現(xiàn)的信號(hào)，一般為時(shí)域有限信號(hào)，具有收斂可積條件，其能量為有限值。這種信號(hào)的頻域分析手段是傅立葉變換。其表達(dá)式為： 與周期信號(hào)相似，非周期信號(hào)也可以分解為許多不同頻率分量的諧波和，所不同的是，由于非周期信號(hào)的周期 ，基頻 ，它包含了從零到無窮大的所有頻率分量，各頻率分量的幅值為，這是無窮小量，所以頻譜不能再用幅值表示，而必須用幅值密度函數(shù)描述。非周期信號(hào)x(t)的傅立葉變換X(f)是復(fù)數(shù)，所以有： 式中|X(f)|為信號(hào)在頻率f處的幅值譜密度，為信號(hào)在頻率f處的相位差。圖13 非周期信號(hào)的頻譜表示方法工程上習(xí)慣將計(jì)算結(jié)果用圖形方式表示，以f為橫坐標(biāo)，Re[X(f)]、Im[X(f)]為縱坐標(biāo)畫圖，則稱為時(shí)頻－虛頻密度譜圖；以f為橫坐標(biāo)，|X(f)|、為縱坐標(biāo)畫圖，則稱為幅值－相位密度譜；以f為橫坐標(biāo)，|X(f)|2為縱坐標(biāo)畫圖，則稱為功率密度譜，如圖13所示。與周期信號(hào)不同的是，非周期信號(hào)的譜線出現(xiàn)在0,fmax的各連續(xù)頻率值上，這種頻譜稱為連續(xù)譜。（二）實(shí)驗(yàn)步驟1. 連接好儀器，把信號(hào)發(fā)生器的輸出端通過信號(hào)電纜連接到示波器的信號(hào)輸入口，選定幅值改變信號(hào)的類型和頻率觀察并記錄時(shí)域波形。數(shù)據(jù)記錄表如下：（記錄信號(hào)發(fā)生器設(shè)定的信號(hào)參數(shù)，并繪制出所測信號(hào)的時(shí)域波形）表1 數(shù)據(jù)記錄表（每種波形2種頻率，每個(gè)頻率下調(diào)試2種幅值）頻率、幅值 類型正弦波方波三角波 2. 連接好儀器，把信號(hào)發(fā)生器的輸出端通過信號(hào)電纜連接到頻譜分析儀的信號(hào)輸入口，選定幅值改變信號(hào)的類型和頻率觀察并記錄頻域特征。數(shù)據(jù)記錄表如下：（實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求給出時(shí)域到頻域的轉(zhuǎn)化推導(dǎo)，并畫出所測信號(hào)的幅頻譜）3. 實(shí)驗(yàn)的心得體會(huì)。（結(jié)合實(shí)驗(yàn)感受和所做實(shí)驗(yàn)在日常生活中所能發(fā)揮的作用）實(shí)驗(yàn)二 橋式測量電路性能實(shí)驗(yàn)一、 驗(yàn)?zāi)康囊螅ㄒ唬?shí)驗(yàn)?zāi)康?在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，通過本實(shí)驗(yàn)了解信號(hào)放大的方法。 掌握橋式測量電路的使用方法。（二）實(shí)驗(yàn)要求 簡述實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮驮怼?按實(shí)驗(yàn)步驟整理出信號(hào)放大前后的波形 將分析結(jié)果與理論分析進(jìn)行對(duì)照，說明實(shí)際分析結(jié)果與理論分析之間的差異，并簡要分析產(chǎn)生誤差的原因?？紤]在全橋測量中，當(dāng)兩組對(duì)邊（Rl、R3為對(duì)邊）電阻值R相同時(shí)，即R1=R3，R2=R4，而R1≠R2時(shí)，是否可以組成全橋二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、?yīng)變式傳感器、砝碼、數(shù)顯表、177。15V電源、177。4V電源、萬用表，示波器。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟（一）測量原理全橋測量電路中，將受力性質(zhì)相同的兩應(yīng)變片接入電橋?qū)?，不同的接入鄰邊，?dāng)應(yīng)變片初始阻值：R1=R2=R3=R4，其變化值ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4時(shí)，其橋路輸出電壓。其輸出靈敏度比半橋又提高了一倍，非線性誤差和溫度誤差均得到改善。(二) 實(shí)驗(yàn)步驟根據(jù)圖21，應(yīng)變式傳感器已裝于應(yīng)變傳感器模板上。傳感器中各應(yīng)變片已接入模板的左上方的RRRR4。加熱絲也接于模板上，可用萬用表進(jìn)行測量判別，Rl=R2=R3=R4=350Ω，加熱絲阻值為50Ω左右。圖21 應(yīng)變式傳感器安裝示意圖接入模板電源177。15V（從主控臺(tái)引入），檢查無誤后，合上主控箱電源開關(guān)，將實(shí)驗(yàn)?zāi)０逭{(diào)節(jié)增益電位器Rw3順時(shí)針調(diào)節(jié)大致到中間位置，再進(jìn)行差動(dòng)放大器調(diào)零，方法為將差放的正、負(fù)輸入端與地短接，輸出端與主控箱面板上數(shù)顯表電壓輸入端Vi相連，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳险{(diào)零電位器Rw4，使數(shù)顯表顯示為零（數(shù)顯表的切換開關(guān)打到2V檔）。關(guān)閉主控箱電源。（注意：當(dāng)RwRw4的位置一旦確定，就不能改變，一直到做完實(shí)驗(yàn)為止）將應(yīng)變式傳感器的其中一個(gè)應(yīng)變片R1（即模板左上方的R1）接入電橋作為一個(gè)橋臂與RRR7接成直流電橋（RRR7模塊內(nèi)已連接好），接好電橋調(diào)零電位器Rwl，接上橋路電源177。4V，此時(shí)應(yīng)將177。4V地與177。15V地短接（因?yàn)椴还驳兀?。檢查接線無誤后，合上主控箱電源開關(guān)。調(diào)節(jié)Rw1，使數(shù)顯表顯示為零。根據(jù)圖22接線，在電子秤上放置一只砝碼，讀取數(shù)顯表數(shù)值，依次增加砝碼和讀取相應(yīng)的數(shù)顯表值，直到200g（或500g）砝碼加完。記下實(shí)驗(yàn)結(jié)果填入表21，關(guān)閉電源。進(jìn)行靈敏度和非線性誤差計(jì)算。表22 全橋性能實(shí)驗(yàn)接線圖表21 全橋輸出電壓與加負(fù)載重量值重量(g)放大器輸入端電壓(mv)放大器輸出端電壓(mv)根據(jù)表21計(jì)算系統(tǒng)靈敏度：S=ΔU/ΔW（ΔU輸出電壓變化量，ΔW重量變化量）；計(jì)算非線性誤差：式中Δm為輸出值（多次測量時(shí)平均值）與擬合直線的最大偏差；為滿量程輸出平均值，此處為200g（或500g）。6. 實(shí)驗(yàn)的心得體會(huì)。（結(jié)合實(shí)驗(yàn)感受和所做實(shí)驗(yàn)在日常生活中所能發(fā)揮的作用）實(shí)驗(yàn)三 信號(hào)調(diào)制與解調(diào)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊螅ㄒ唬?shí)驗(yàn)?zāi)康?在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，通過本實(shí)驗(yàn)掌握信號(hào)調(diào)制、解調(diào)和濾波的方法。掌握利用交流電橋測量動(dòng)態(tài)應(yīng)變參數(shù)的原理與方法。（二）實(shí)驗(yàn)要求 簡述實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮驮?。思考在交流電橋測量中，對(duì)載波頻率和調(diào)制波頻率之間有什么要求?按實(shí)驗(yàn)步驟整理出信號(hào)調(diào)制和濾波放大前后的時(shí)域波形和頻域特征。 將分析結(jié)果與理論分析進(jìn)行對(duì)照，說明實(shí)際分析結(jié)果與理論分析之間的差異，并簡要分析產(chǎn)生誤差的原因。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備音頻振蕩器、低頻振蕩器、萬用表、應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、相敏檢波器模板、雙線示波器、振動(dòng)源、三源板上的應(yīng)變輸出、應(yīng)變輸出專用連接線、頻譜分析儀。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟（一）基本原理對(duì)于交流應(yīng)變信號(hào)用交流電橋測量時(shí)，橋路輸出的波形為一調(diào)制波，不能直接顯示其應(yīng)變值，只有通過移相檢波和濾波電路后才能得到變化的應(yīng)變信號(hào)，此信號(hào)可以從示波器或用交流電壓表讀得。（二）實(shí)驗(yàn)步驟模塊上的傳感器不用，改為三源板板上的應(yīng)變輸出的應(yīng)變片，即臺(tái)面上的應(yīng)變輸出。將臺(tái)面三源板上的應(yīng)變輸出用專用插頭連接線插入應(yīng)變傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳系牟遄小８鶕?jù)圖31，接好交流電橋調(diào)平衡電路及系統(tǒng)，R８、RWC、RW2為交流電橋調(diào)平衡網(wǎng)絡(luò)。檢查接線無誤后，合上主控臺(tái)電源開關(guān)，將音頻振蕩器的頻率調(diào)節(jié)到1KHz左右，幅度調(diào)節(jié)到10Vpp。圖31 應(yīng)變片振動(dòng)測量實(shí)驗(yàn)接線圍將低頻振蕩器輸出接入三源板振動(dòng)源單元中的低頻輸入插孔，調(diào)節(jié)低頻輸出幅度和頻率使振動(dòng)臺(tái)（圓盤）明顯感到振動(dòng)。固定低頻振蕩器幅度鈕旋位置不變，低頻輸出端接入示波器監(jiān)測低頻頻率，調(diào)節(jié)低頻頻率，用示波器讀出頻率改變時(shí)低通濾波器輸出Vo的電壓峰—峰值，填入表41；用頻譜分析儀觀察并記錄放大器Vo、相敏檢波器的Vo及低通濾波器的Vo的頻譜。表41f（Hz）