机械工程测试技术实验.docx
- 文档编号:10070318
- 上传时间:2023-05-23
- 格式:DOCX
- 页数:17
- 大小:137.31KB
机械工程测试技术实验.docx
《机械工程测试技术实验.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《机械工程测试技术实验.docx(17页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
机械工程测试技术实验
机械工程测试技术实验说明书
2009.10
实验一谐波分析实验
一、实验目的
1、了解分解、合成非正弦周期信号的物理过程。
2、观察合成某一确定的周期信号时,所必须保持的合理的频率结构,正确的幅值比例和初始相位关系。
二、实验设备
TKSS-B型信号与系统实验箱、双踪示波器
三、实验原理
对某一个非正弦周期信号X(t),若其周期为T、频率为f,则可以分解为无穷项谐波之和。
即
(1-1)
上式表明,各次谐波的频率分别是基波频率
的整数倍。
如果f(t)是一个锯齿波,其波形如图所示,则其数学表达式为:
对f(t)进行谐波分析可知
所以
即锯齿波可以分解成为基波的一次、二次…n次…无数项谐波之和,其幅值分别为基波幅值的
,且各次谐波之间初始相角差为零(基波幅值为
)。
反过来,用上述这些谐波可以合成为一个锯齿波。
同理,只要选择符合要求的不同频率成份和相应的幅值比例及相位关系的谐波,便可近似地合成相应的方波、三角波等非正弦周期波形。
1、一个非正弦周期信号可以用一系列频率成整数倍的正弦函数来表示,其中与非正弦具有相同频率的成分称为基波或一次谐波,其它成分则根据其频率为基波频率的2、3、4、…、n、…等倍数分别称二次、三次、四次、…、n次谐波,其幅度将随谐波次数的增加而减小,直至无穷小。
2、不同频率的谐波可以合成一个非正弦周期信号,反过来,一个非正弦周期信号也可以分解为无限多个不同频率的谐波成分。
3、一个非正弦周期信号可用傅里叶级数来表示,级数各项系数之间的关系可用频谱来表示,不同的非正弦周期信号具有不同的频谱图,方波的频谱图如图1-1所示。
图1-1方波的幅度谱
4、信号分解与合成电路框图如图1-2所示
图1-2信号分解与合成电路框图
其中,LPF为低通滤波器,可分解出非正弦周期函数的直流分量。
BPF1~BPF6为调谐在基波和各次谐波上的带通滤波器,加法器用于信号的合成。
四、实验内容及步骤
1、调节函数信号发生器,使其输出50Hz的方波信号,并将其接至信号分解与合成实验模块的BPF输入端,然后细调函数信号发生器的输出频率,使模块中50Hz基波分量的BPF输出幅度为最大。
2、将各带通滤波器的输出分别接至示波器,观测各次谐波的频率和幅值,并记录。
3、将方波分解所得的基波和三次谐波分量接至加法器的相应输入端,观测并记录加法器的输出波形。
4、在步骤3的基础上,再将五次谐波分量加到加法器的输入端,观测并记录相加后的波形。
五、思考题
1、什么样的周期函数没有直流分量和余弦项?
2、分析理论合成的波形与实验观测到的合成波形之间误差产生的原因。
六、实验报告
1、根椐实验测量所得的数据,在同一坐标纸上绘制出方波及其分解后所得的基波和各次谐波的波形,并画出其频谱图。
2、将实验步骤3中观察所得的基波和三次谐波及其合成波形一同绘制在同一坐标纸上。
3、将实验步骤4所得的基波、三次谐波、五次谐波及三者合成的波形一同绘画在同一坐标纸上。
七、预习要求
认真阅读实验指示书及其讲课有关内容。
对将要合成的几种典型的非正弦周期信号(如锯齿波、方波、三角波)进行傅氏级数展开,确定出所含谐波分量及各高次谐波与基波之间的初始相位差和幅值比例关系(要求此项工作在课前完成)。
实验二滤波器实验
一、实验目的
1、了解RC低通和高通滤波器的种类、基本结构及其特性;
2、分析和对比无源和有源滤波器的滤波特性。
二、仪器设备
TKSS-B型信号与系统实验箱、双踪示波器
三、实验原理
1、滤波器是对输入信号的频率具有选择性的一个二端口网络,它允许某些频率(通常是某个频带范围)的信号通过,而其它频率的信号受到衰减或抑制,这些网络可以是由R、L、C元件或R、C元件构成的无源滤波器,也可以是由R、C元件和有源器件构成的有源滤波器。
2、根据幅频特性,滤波器可以分为低通滤波器(LPF)、高通滤波器(HPF)、带通滤波器(BPF)和带阻滤波器(BEF)等。
通常,把能够通过的信号频率范围定义为滤波器的“通带”,把阻止通过或衰减的信号频率范围定义为滤波器的“阻带”,通带与阻带的分界点频率ωc称为截止频率或转折频率。
3、滤波器的实验线路如图2-1所示。
(a)无源低通滤波器(b)有源低通滤波器
(c)无源高通滤波器(d)有源高通滤波器
图2-1滤波器的实验线路图
四、实验内容及步骤
1、将滤波器实验模块的输入端接入正弦信号,输出端接示波器或交流数字毫伏表;
2、测试低通滤波器和高通滤波器的幅频特性。
五、思考题
1、试比较有源滤波器和无源滤波器的优缺点。
2、各类滤波器参数的改变,对滤波器特性有何影响?
六、注意事项
1、在实验测量过程中,必须始终保持滤波器的输入(即正弦波信号源的输出)电压U1幅值不变,且输入信号幅度不宜过大。
2、在进行有源滤波器实验时,输出端不可短路,以免损坏运算放大器。
七、实验报告
1、根据实验测量所得的数据,绘制各类滤波器的幅频特性。
对于同类型的无源和有源滤波器幅频特性,要求绘制在同一坐标纸上,以便比较。
2、比较分析各类无源和有源滤器的滤波特性。
3、写出本实验的心得体会及意见。
1.频谱分析
clc;
clearall;
closeall;
ft=sym('Heaviside(t+10)-Heaviside(t-10)');
Fw=fourier(ft);
subplot(211);
ezplot(ft,[-15,15]);gridon
axis([-15,15,-1,2]);
subplot(212);
ezplot(Fw);gridon
axis([-4,4,-20,40]);
2.频谱分析
clc
clearall
closeall
ft1=sym('heaviside(2*t+1/2)-Heaviside(2*t-1/2)');
subplot(321);
ezplot(ft1,[-1.5,1.5]),gridon
Fw1=simplify(fourier(ft1));
subplot(322)
ezplot(Fw1,[-10*pi,10*pi]),gridon
axis([-10*pi10*pi-11.5])
ft2=sym('heaviside(t+1/2)-Heaviside(t-1/2)');
subplot(323);
ezplot(ft2,[-1.5,1.5]),gridon
Fw2=simplify(fourier(ft2));
subplot(324)
ezplot(abs(Fw2),[-10*pi,10*pi]),gridon
axis([-10*pi10*pi-11.5])
ft3=sym('heaviside(t/2+1/2)-Heaviside(t/2-1/2)');
subplot(325);
ezplot(ft3,[-1.5,1.5]),gridon
Fw3=simplify(fourier(ft3));
subplot(326)
ezplot(abs(Fw3),[-10*pi,10*pi]),gridon
axis([-10*pi10*pi-0.22.2])
3.RC低通滤波
%RC低通滤波器,在输入端加入矩形脉冲信号x(t),求输出端电压
%低通滤波器频率响应函数H(w)=a/(a+jw),其中a=1/(RC)
%输入信号为门信号,其傅里叶变换为:
X(w)=(1-exp(-j*w))/(jw)
clearall;
closeall
clc
w=-10*pi:
0.01:
10*pi;
b=[5];
a=[1,5];
H1=freqs(b,a,w);
plot(w,abs(H1)),gridon
axis([-404001.5])
xlabel('\omega(rad/s)'),ylabel('|H(\omega)|')
title('RC低通滤波器电路的幅频特性')
xt=sym('Heaviside(t)-Heaviside(t-1)');
Xw=simplify(fourier(xt));
figure
subplot(221),ezplot(xt,[-0.2,2]),gridon
title('矩形脉冲信号')
xlabel('Time(sec)'),ylabel('x(t)')
subplot(222),ezplot(abs(Xw),[-6*pi6*pi]),gridon
title('矩形脉冲频谱')
xlabel('\omega(rad/s)'),ylabel('X(\omega)')
Yw=sym('5*(1-exp(-i*w))/(5*i*w-w^2)');
yt=simplify(ifourier(Yw));
subplot(223),ezplot(yt,[-0.22]),gridon
title('响应的时域波形')
xlabel('Time(sec)'),ylabel('y(t)')
subplot(224),ezplot(abs(Yw),[-6*pi6*pi]),gridon
title('响应的频谱')
xlabel('\omega(rad/s)'),ylabel('Y(\omega)')
实验三电阻应变片性能测试
一、实验目的:
1.单臂桥实验,观察了解箔式应变片的结构及粘贴方式,测试应变梁变形的应变输出。
2.三种桥路的性能比较,半桥和全桥电路的ΣR分别为ΔR/R,2ΔR/R,4ΔR/R。
根据戴维南定理可以得出测试电桥的输出电压近似等于1/4·Ε·ΣR,电桥灵敏度ΚU=V/ΔR/R,于是对应于单臂,半臂和全桥的电压灵敏度分别为1/4E,1/2E和E。
由此可知,当E和电阻相对变化一定时,电桥及电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。
二、实验原理:
本实验说明箔式应变片及单臂直流电桥的原理和工作情况。
应变片是最常用的测力传感元件。
当用应变片测试时,应变片要牢固地粘贴在测试表面,当测件受力发生形变,应变片的敏感栅随同变形,其电阻值也随之发生相应的变化。
通过测量电路,转换成电信号输出显示。
电桥电路是最常用的非电量电测电路中的一种,当电桥平衡时,桥路对臂电阻乘积相等,电桥输出为零,在桥臂四个电阻R1,R2,R3,R4中,电阻的相对变化率分别为ΔR1/R1,ΔR2/R2,ΔR3/R3,ΔR/R4,当使用一个应变片时,ΣR=Δ/R;当二个应变片组成差动状态工作,则有
;用四个应变片组成两个差动对工作,且R2=R2=R3=R4=R,
由此可知,单臂,半桥,全桥电路的灵敏度依次增大。
三、实验所需部件:
直流稳压电源(±4V档),电桥,差动放大器,箔式应变片,测微头,电压表。
四、实验步骤:
1.调零。
开启仪器电源,差动放大器增益100倍(顺时针方向旋到底),“+,
-”输入端用实验线对地短路。
输出端接数字电压表,用“调零”电位器调整差动放大器输出电压为零,然后拔掉实验线。
调零后电位器位置不要变化。
如需使用毫伏表,则将毫伏表输入端对地短路,调整“调零”电位器,使指针居“零”位。
拔掉短路线,指针有偏转是有源指针式电压表输入端悬空时的正常情况。
调零后关闭仪器电源。
2.按图(3-1)将实验部件用实验线连接成测试桥路。
桥路中R1,R2,R3和WD为电桥中的固定电阻和直流平衡电位器,R为应变片(可任选上,下梁中的一片工作片)。
直流激励电源为±4V。
图(3-1)
测微头装于悬臂梁前端的永久磁钢上,并调节使应变梁处于基本水平状态。
3.确认接线无误后开启仪器电源,并预热数分钟。
调整电桥WD电位器,使测试系统输出为零。
4.旋动测微头,带动悬臂梁分别作向上和向下的运动,以水平状态下输出电压为零向上和向下移动各5mm,测微头每移动0.5mm记录一个差动放大器输出电压值,并列表。
单臂桥数据
位移mm
电压V
根据表中所测数据计算灵敏度S,S=ΔX/ΔV,并在坐标图上做出V-X关系曲线。
5.在完成上述实验的基础上,不变动差动放大器增益和调零电位器,依次将图
(1)中电桥固电阻R1,R2,R3换成箔式应变片,分别接成半桥和全桥测试系统。
6.重复实验中3-4步骤,测出半桥和全桥输出电压并列表,计算灵敏度。
半桥数据:
位移mm
电压V
全桥数据
位移mm
电压V
7.在同一坐标上描出V-X曲线。
比较三种桥路的灵敏度,并做出定性的结论。
注意:
(由于进行位移测量时测微头要从零-→正的最大值,又回复到零,
再-→负的最大值,因此容易造成零点偏移,因此计算灵敏度时可将正ΔX的灵敏度与负的ΔX的灵敏度分开计算。
再求平均值,以后实验中凡需过零的实验均可采用此种方法。
)
注意事项:
1.电桥面板上四个标虚线的电阻并不存在,仅仅为搭接电桥方便。
2.实验前应检查实验接插线是否完好,连接电路适应尽量使用较短的接插线,以避免引入干扰。
3.接插线插入插孔时轻轻的做一小角度的转动,以保证接触良好,拔出时也轻轻的转动一下,切忌用力拉扯接插,以免造成导线断裂。
4.稳压电源不要对地短路。
5.差放增益不宜太大,以减小运放的零点漂移。
实验四热电偶测温实验
一、实验目的:
观察了解热电偶的结构,熟悉热电偶的工作特性,学会查阅热电偶分度表。
二、实验原理:
热电偶的基本工作原理是热电效应,当其热端和冷端的温度不同时,即产生热电动势。
通过测量此电动势即可知道两端温差。
如固定某一端温度(一般固定冷端为室温或00C),则另一端的温度就可知,从而实现温度的测量。
本仪器中热电偶为铜—康铜热电偶。
三、实验所需部件:
热电偶、加热器、差动放大器、电压表、温度计(自备)。
四、实验步骤:
1.差动放大器首先调零,然后将其双端输入接入热电偶,打开电源,差动放大器增益放大100倍,调节调零电位器,使差放输出为零。
2.打开加热器,差动放大器输出如有微小变化,马上调节调零电位器再度调零。
随加热器温度上升,观察差动放大器的输出电压变化,待加热温度不在上升时,记录电压表读数。
3.本仪器上热电偶是由两只铜—康铜热电偶串接而成,热电偶的冷端温度为室温,放大器的增益为100倍,计算热电势均应考虑进去,用温度计读出热电偶参考端所处的室温t1
E(t,t0)=E(t,t1)+E(t1,t0)
实际的电动势测量所得的电势温度修正电动势
式中E为热电偶的电动势,t为热电偶热端温度,t0为热电偶参考端温度为0℃,t1为热电偶参考端所处的温度。
查阅铜—康铜热电偶分度表,求出热电端温度t。
五、注意事项
1.因仪器中差动放大器倍数约等于100倍,所以用差动放大器放大后的热电势并非十分准确,因此查表所得到的热电偶温度也为近似值。
2.表中电压为mV。
工作端温度0C
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
de/dt
(vu)
0
0.0000
0.039
0.078
0.116
0.155
0.194
0.234
0.273
0.312
0.352
38.600
10
0.391
0.413
0.471
0.510
0.550
0.590
0.630
0.671
0.711
0.751
39.500
20
0.792
0.832
0.873
0.914
0.954
0.995
1.036
1.077
1.118
1.159
40.400
30
1.201
1.242
1.284
1.325
1.367
1.408
1.450
1.492
1.534
1.576
41.300
40
1.618
1.661
1.703
1.745
1.788
1.830
1.873
1.916
1.958
2.001
42.400
50
2.044
2.087
2.130
2.174
2.217
2.260
2.304
2.347
2.391
2.435
43.000
60
2.478
2.522
2.566
2.610
2.654
2.698
2.743
2.787
2.831
2.876
49.800
70
3.920
2.965
3.010
3.054
3.099
3.144
3.189
3.234
3.279
3.325
44.500
80
3.370
3.415
3.491
3.506
3.552
3.597
3.643
3.689
3.735
3.781
45.300
90
3.827
3.873
3.919
3.965
4.012
4.058
4.105
4.151
4.198
4.244
46.000
100
4.291
4.338
4.385
4.432
4.479
4.529
4.573
4.621
4.668
4.750
46.800
实验五电涡流传感器和光电传感器的电机测速实验
一、实验目的:
了解光电传感器、电涡流式传感器的结构、原理、工作特性和实际应用。
二、电涡流传感器实验原理:
1.电涡流传感器由平面线圈和金属涡流片组成,当线圈中通有高频交变电流后,与其平行的金属片上产生电涡流,电涡流的大小影响线圈的阻抗Z,而涡流的大小与金属涡流片的电阻率、导磁率、厚度、温度以及与线圈的距离X有关。
当平面线圈、被测体(涡流片)、激励源已确定,并保持环境温度不变,阻抗Z只与X距离有关。
将阻抗变化经涡流变换器变换成电压V输出,则输出电压是距离的单值函数。
此实验是利用平面线圈与金属被测体的相对位置发生周期性变化时,涡流量及线圈阻抗的变化经涡流变换器转换为周期性的电压信号变化。
2.当平面线圈与金属被测体的相对位置发生周期性变化时,涡流量及线圈阻抗的变化经涡流变换器转换为周期性的电压信号变化。
三、实验所需部件:
电涡流传感器、电涡流变换器、测速电机及转盘、电压/频率表、示波器。
四、实验步骤
1.电涡流线圈支架转一角度,安装于电机转盘上方,线圈与转盘面平行,在不碰擦的情况下相距越近越好。
2.电涡流线圈与涡流变换器相接,涡流变换器输出端接示波器,开启电机开关,调节转速,调整平面线圈在转盘上的位置,用示波器观察,使变换器的输出脉动波较为对称。
3.仔细观察示波器中两相邻波形的峰值是否一样,如有差异则说明线圈与转盘面或是不平行,或是电机有振动现象,利用铁涡流片的特性曲线大致判断转盘面与线圈的不平行度。
4.将电压/频率表2KHZ档接入涡流变换器输出端读取得脉动波形值,并与示波器读取的频率作比较。
转盘的转速=脉动波形数÷2。
五、光电传感器实验原理:
光点开关由红外发射、接收及整形电路组成,为遮断式工作方式。
六、实验所需部件:
光电传感器、光电变换器、测速电机及转盘、电压/频率表2KHZ档、示波器。
七、实验步骤:
光电传感器“光电”端接光电变换器的发光二极管端,Vf端接示波器和电压/频率表2KHZ。
安装好光电传感器位置,勿与转盘盘面相擦。
开启电源,打开电机开关,调节电机转速。
用示波器观察光电转换器Vf端,并读出波形频率,与频率表所示频率比较。
电机转速=方波频率/2。
将一较强光源照射仪器转盘上方,观察测试方波是否正常。
由此可以得出结论,光电开关受外界影响较小,工作可靠性较高。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 机械工程 测试 技术 实验