《机械工程测试技术》课程实验教学要求

《机械工程测试技术》课程实验教学要求

一、实验教学要求

实验教学分为课外虚拟仪器仿真实验，课内必修验证性实验，课内必修设计性实验，进一步的选修开放实验四部分。通过实验，加深学生对重点教学内容的理解和掌握，培养学生机械量测试的方案设计、试验、分析技能。

（一）课外虚拟仪器仿真实验：数字滤波，自谱与自相关分析仪，互相关分析仪，FFT分析，随机信号分析，双通道动态信号分析仪，在《测试技术学习网》中。学生课外自己做。

（二）课内必修实验（两个）：

1、电阻应变片的粘贴技术及动态应变仪的使用及应变式测力（验证性实验），

2学时

2、机械量测试及分析（设计性实验），4学时

由测试技术学习网站列出的3个机械量测试及分析实验中，选一个实验。 （三）选修实验

可多选机械量测试及分析实验。进一步培养学生机械量测试的试验和分析技能。

二、实验教学方式

基于网上资源的《测试技术》开放性实验教学。 在校园网上有专业的测试技术学习网站：

（http://www.wyu.edu.cn/stations/csjsweb/）。

学生可在教学实验专栏中了解实验教学要求，学习或下载实验课教程。 下载课外虚拟仪器仿真实验，自己做。

下载电阻应变片的粘贴技术及动态应变仪的使用及应变式测力（验证性实验）的实验指导书，预约后来实验室完成实验，

查阅所列出的必修和增选项目及要求，按项目要求查讯实验室现有的全部仪器设备及下载使用说明书等资料，查讯与某实验项目相关的知识要点，学生自主选择并设计实验，在网上与教师或同学讨论，网上申报所选择的实验项目和提交实验设计方案，教师修改、批准后学生来实验室领取仪器设备组成系统完成所选择

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或设计的实验，网上提交实验报告。

三、实验教学内容及要求

（一）虚拟仪器仿真实验（上网下载）（共6项） 1、数字滤波

Bottworth数字滤波器，可选低通、高通、带通、带阻，被滤波信号是一宽带白噪声。可设置滤波器的阶数、信号的采样频率、采样点数、滤波器的低通截止频率、高通截止频率。观察滤波前后波形，滤波器的幅频及相频特性。 2、自谱与自相关分析仪

观察四种典型随机信号的自功率谱图与自相关图。四种随机信号是：正弦加白噪声、冲击响应、随机初相位正弦、某结构随机振动。自谱分析时的平均次数可设置。

3、互相关分析仪

观察正弦加白噪声或阶跃加白噪声的信号，在不同时差下的互相关函数的形态。 4、FFT分析

观察六种典型确定性信号的FFT分析结果。信号样本点数和初相角可设置。六种典型信号是：正弦波、三角波、方波、锯齿波、整流波、负指数函数。 5、随机信号分析

观察五种典型随机信号的时域波形，自相关函数、自功率谱图、概率密度函数。五种随机信号是高斯白噪声、周期宽带白噪声、均匀白噪声、正弦加白噪声、随机初相位正弦。统计分析的平均次数可设置 6、双通道动态信号分析仪

一白噪声（A通道）输入一线性系统，得输出信号（B通道）。观察输入、输出信号的时域波形，幅值谱图，自功率谱图；观察输入、输出的互相关图，互功率谱图，凝聚函数图，观察系统的脉冲响应函数图、频率响应函数图。平均次数，采样频率，子样本长，时域窗等均可设置。

（二）电阻应变片的粘贴技术及动态应变仪的使用及应变式测力 实验指导书（上网下载）。

（三）机械量测试及分析（设计性实验，目前有3个项目）

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电阻应变片的粘贴技术及动态应变仪的使用及应变式测力

（验证性实验） 电阻应变片的粘贴技术

一、实验目的

1.初步掌握常温用电阻应变片的粘贴技术。

2.为后续电阻应变测量的实验做好在试件上粘贴应变片、接线、防潮、检查等准备工作。 二、实验内容

掌握应变片的粘贴方法与技巧。 三、实验方法和步骤 1.选片：

在确定采用那种类型的应变计后，用肉眼或放大镜检查丝栅是否平行，有否霉点、锈点、用数字式万用表测量各应变片电阻值，选择电阻值差在土0．5欧姆内的8~10枚应变片供粘贴用。 2.测点表面的清洁处理：

为使应变计与被测试件贴得牢,对测点表面要进行清洁处理。首先把测点表面用砂轮，锉刀或砂纸打磨；使测点表面平整并使表面光洁度达?6。然后用棉花球蘸丙酮擦洗表面的油污，到棉花球不黑为止。然后用划针在测片位置处划出应变计的座标线。打磨好的表面，如暂时不贴片，可涂以凡士林等防止氧化。

如果测量对象为混凝土构件，则须用喷浆方法把表面垫平。然后同样进行表面打磨清洗等工作。此外，在贴片部位，还得先涂一层隔潮层,可采用环氧树脂胶或用铝箔纸，应变计就贴于隔潮底层上。 3.贴片：

在测点位置和应变计的底基面上，涂上薄薄一层胶水，一手捏住应变片引出线，把应变计轴线对准座标线,上面盖一层聚乙烯塑料膜作为隔层，用手指在应变计的长度方向滚压，挤出片下汽泡和多余的胶水，直到应变计与被测物紧密粘合为止。手指保持不动约1分钟后再放开，注意按住时不要使应变片移动，轻轻掀开薄膜检查有无气泡、翘曲、脱胶等现象，否则需重贴。注意粘结剂不要用得过多或过少，过多则胶层太厚影响应变片性能，过少则粘结不牢不能准确传递应变。

应变计的保护

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4.干燥处理：

应变计粘贴好后应有足够的粘结强度以保证与试件共同变形。此外，应变计和试件间应有一定的绝缘度，以保证应变读数的稳定。为此，在贴好片后就需要进行干燥处理，处理方法可以是自然干燥或人工干燥。如气温在20℃以上，相对湿度在55％左右时用502胶水粘贴，采用自然干燥即可。人工干燥可用红外线灯或电吹风进行加热干燥，烘烤时应适当控制距离，注意应变计的温度不得超过其允许的最高工作温度,以防应变计底基烘焦损坏。 5.接线：

应变计和应变仪之间用导线连接。需根据环境与试验的要求选用导线。通常静应变测定用双蕊多股平行线。在有强电磁干扰及动应变测量时，需用屏蔽线。焊接导线前，先用万用电表检查导线有否断路，然后在每根导线的两端贴上同样的号码标签，避免测点多时造成差错。在应变计引出线下，贴上胶带纸，以免应变计引出线与被测试件(如被测试件是导电体的话)接触造成短路。然后把导线与应变计引线焊接在一起，焊接时注意防止假焊。焊完后用万用电表在导线另一端检查是否接通。

为防止在导线被拉动时应变计引出线被拉坏，可使用接线端子,接线端子相当于接线柱，使用时先用胶水把它粘在应变计引出线前端,然后把应变计引出线及导线分别焊于接线端子的两端，以保护应变计，如图30-1所示。 6.防潮处理：

为避免胶层吸收空气中的水份而降低绝缘电阻值，应在应变计接好线并且绝缘电阻达到要求后，立即对应变计进行防潮处理。防潮处理应根据试验的要求和环境采用不同的防潮材料。常用的简易的防潮剂可用703、704硅胶。

四、实验设备和器材

1.常温用电阻应变片，每小组一包20枚。 2.数字式万用表。

3.502粘结剂（氰基丙烯酸酯粘结剂）。 4.电烙铁、镊子、铁沙纸等工具。 5.悬臂梁，温度补偿块。 6.丙酮、药棉等清洗器材。 7.防潮用硅胶。 8.测量导线若干。

五.实验报告

1.简述贴片、接线、检查等主要实验步骤。 2.画布线图和编号图

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动态应变仪的使用及应变式测力

一、实验目的

1、掌握动态应变仪的工作原理和使用方法。 2、掌握电阻应变片在电桥中的接法。

3、掌握在静载荷下使用应变仪的单点应变测量方法。 4、学会在动载荷下使用应变仪的应变测量分析方法。 二、实验内容

以标准重量进行标定。测试已有力传感器上的重物的重量。要在不同配重下作多次测试和分析。

三、实验原理

LC1004 动态应变仪 为八通道 采用电子自动平衡技术，其主要技术指标处于国际领先水平，配接不同类型的应变片及应变式传感器，除了测量结构和材料的应变外，还可以测量力、压力、扭矩、温度、加速度、速度、位移等多种物理量。桥路零点自动平衡 测试方便快捷；自动修正长电缆测量时引入的误差。

1、测量系统方框图：

2、桥压的选择

LC1004 提供四种桥压 2、4、6、8V；出厂时予置 4V；通常 桥压宜低不宜高 供桥电流应小于60mA在应变片长电阻大应变小时 可适当提高桥压,以提高信噪比。 3、桥盒是连接应变仪与用户的桥梁，熟悉桥盒的使用至关重要桥盒的接线。

桥盒接线图

A为桥压正端，C为桥压负端，B为电桥输出负端，D为电桥输出正端，GND接桥盒外壳。焊盘 GND 与屏蔽电缆屏蔽网相连，屏蔽网是否与桥盒外壳连接由一螺钉决定，螺钉拧到焊盘下面的螺柱上，屏蔽网与桥盒外壳相连，不拧

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螺钉屏蔽网与桥盒外壳断开，屏蔽网是否与桥盒外壳相连，以引进的干扰最小为准，通常，桥盒与带电物体绝缘时，可将螺钉拧上。 4、应变片与桥盒的各种接线方法

图为 一应变片方式2线系统

图为 二应变片方式2线系统

图为 四应变片方式

在连接成三种接线方式时，必须使用 120 的应变测量片，为防止电磁干扰，特别是50Hz干扰，桥盒与应变片之间的连线要用屏蔽线，并且屏蔽网要做好接地处理。 四、实验仪器设备

1.悬臂梁 ，加载砝码。

2.应变片、数字万用电表、502胶水等贴片材料及在补偿块一个。 3. LC1004动态应变仪。 五、实验步骤及内容

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1. 静载荷下使用应变仪的单点应变测量方法 初调：按图所示各种接法接成桥路。

a.接好应变片及桥盒、记录仪器、电源线等，

b.出厂前，通道前面板、测量-校准开关(CAL-MEASURING)置正校( CAL+ )，

校准值开关置 1000με(100)， 灵敏度选择(SENS.SELECTOR)置2， 灵敏度微调(SENS.)置大约 5/6 位置， 高频上限(UPPER Hz)置10 KHz， 电源前面板AC/DC开关置DC ， 2V/20V开关置2V，

开启电源，旋转通道选择(CHANNELSELECTOR )波段开关，1-8通道31/2表均指示 1.000V,表示1με对应 1mV。

c.将校准值拨到预计的测量值，调节灵敏度选择开关(SENS. SELECTOR)和灵敏度微调(SENS.)，使输出幅度满足测量仪器的要求，然后将测量-校准开关(CAL-MEASURING)置测量(MEA)，在试件加载之前，按自动平衡按钮，(BAL-AUTO)，通道选择 (CHANNEL SELECTOR)波段开关选择相应通道，31/2表近似为零。 精调：

予热 30分钟后进行下列调节：

a、调节校准调零(CAL ZERO) 使正校/负校(CAL+ CAL-)输出相等，

调节灵敏度微调(SENS.)使校准输出一满意电平，例如1με对应 1mV。 b、校准-测量开关(CAL-MEASURING)置测量(MEA)，

调节平衡微调电位器(BAL-VERN)，使 3 1/2 表及记录仪器为零。 注意：

如调节平衡微调电位器(BAL-VERN)在某一方向已调到头，仍不能使 31/2 表及记录仪器为零，可反方向调节平衡微调电位器(BAL-VERN)5 圈左右，再重按自动平衡按钮(BAL-AUTO)一次，便可以进行平衡微调调节。

测量：

a、加载：其间不得再按自动复零按钮(BAL-AUTO) b、在3 1/2 表上读数，其值为1000με对应1V。 c、按加载过程逐步进行，加载---读数---记录数据。 使用注意事项：

a、测量过程中不允许按动自动平衡按钮， b、使用不同灵敏系数应变片时的修正，

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本仪器设计使用的应变片灵敏系数 K=2.000,如果使用其他灵敏系数的应变片,测量值要按下式进行修正: εP= 2.000/KP εC

式中：εP为实际的应变值；εC为测得的应变值；KP为使用电阻应变片的灵敏系数

c、测量时的温度补偿片要贴在离测量片最近无应变的相同材料上，且补偿片与测量片要同一材料，同一阻值同一环境温度，避免阳光暴晒，对地绝缘电阻在 500M 以上。

d、尽量缩短应变片与桥盒之间的测试连线，使用同轴电缆做测量导线时，屏蔽层不能作为一条测量导线，而只能做屏蔽保护连到桥盒的接地端，测量导线应远离干扰源，如变压器、电机、大型用电设备及动力线等，测量导线在连接时要尽可能采用对称结构安装，这样既有利于电桥平衡又有利于抗干扰，尤其是在长导线测量时更为必要。

e、在实际测量中，为了提高被测信号的精度，同时实现温度补偿，常将应变片组合成半桥、全桥使用，这时测量值要进行修正，注意应变式传感器不用修正。

结果的修正：

(1) A1和D1两只应变片组成半桥用于应变测量，测量结果要被 2 除。 εP= 1/2εC

(2) 四只应变片同时用做测量片时组成全桥，测量结果要被 4 除。 εP= 1/4εC

2. 动载荷下使用应变仪的应变测量分析方法

以上进行了静态下的应变测量方法，当系统在动载下工作时，通常我们需要知道冲击载荷下的最大冲击值，此时仅靠应变仪无法得到要求的数据，这里我们使用虚拟仪器进行数据的记录及分析。 a、先静态测试，将1 kgf的载荷静止地放在刚架的B点上，读出测点的应变值j。 b、用数据线联接应变仪后部的输出线与USB数据采集卡的输入AI0-AI4差端连接。

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?c、编写labVIEW程序，包括数据采集、实时波形的观察、低通滤波、最大值的提取、数据的保存等。

d、加动载或冲击载荷，采集数据并保存，提取分析值，验证受力。

刚架的冲击测量

六、实验报告要求

1.讨论应变片各种接桥方法，比较其优缺点。

2.按实验步骤完成实验，并整理各种接法的实验数据。 七、思考题：

1、试分析实验中同一载荷下，半桥联接相对于单臂和全桥接法的仪器输出有什么不同? 为什么？

2、单臂测量时如试件温度升高，仪器的输出（指针）如何变化？说明变化的原因。

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设计性实验的工程背景与要求（三项）

实验项目一 回转机构振动测试及谱分析

一、 实验背景

回转机械，由于回转件的不平衡总是伴随着各种振动。

以该回转机械为一振动系统，系统的输入（振源）是回转件不平衡产生的力或力矩，输出则是回转机械上各处的振动。

工程实际中，我们或需实测该机械在不同工作转速下的振动强度，或需通过实测和分析振动来获取输入和机械结构的一些特性。 二、 实验要求

已有一带偏心盘，可调转速的回转机构，选择合适的传感器并组建计算机辅助测试系统，实测该回转机构在不同工作转速下的振动加速度强度，并通过实测和分析振动来识别机构的回转件转速，识别该回转机构可能有的振动固有频率。 三、相关知识要点

回转机械引起振动的原因，振动信号的性态；

振动加速度测量原理，传感器选择，传感器性能指标，振动加速度强度的表述及方法；

采样频率及采样长度的选择及影响，信号的频谱分析原理，频率分辩率； 虚拟仪器及其使用。 四、 可提供的实验设备

振动、转速、噪声测量实验台，加速度传感器及放大器，USB6009数据采集卡，PC机，虚拟仪器程序及说明。 四、可提供的实验设备

振动、转速、噪声测量实验台，加速度传感器及放大器，USB6009数据采集卡，PC机，虚拟仪器程序及说明。 五、实验报告要求 1、实验目的和原理； 2、实验过程；

3、 整理和分析实验中得到的振动信号的数据，并分析其结果；

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4、振动测试及谱分析方面的当前科技发展状况。

实验项目二 回转机构噪声声级测试及谱分析

一、 实验背景

各种机械，运行中总是伴随着各种噪声。

工程实际中，我们需实测该机械在不同工作转速下的噪声强度，并对其进行谱分析。 二、 实验要求

已有一带偏心盘，可调转速的回转机构，选择合适的传感器并组建计算机辅助测试系统，实测该回转机构在不同工作转速下的噪声强度（声压级），并通过谱分析识别其频率成份。也可对人发出的声作同样的测量分析。 三、相关知识要点

回转机械产生噪声的原因，机械噪声或人发声的性态；

噪声测量原理，传感器选择，传感器性能指标，噪声强度（声压）及噪声高低的表述及方法。

经PC机，用虚拟仪器LabVIEW编程，可用两种方法来测量和分析声信号。其一是用传声器采集声信号，经前置放大器放大，经PC机声卡转换成数字信号；其二是由声级计采集声信号，可经声级计的AC / DC 信号输出模拟电量，再经A/D转换成数字信号。PC机再对获得的数字信号作各类分析处理。要求用两种方法完成实验要求。

测试系统的标定，声级校准器。

采样频率及采样长度的选择及影响，信号的频谱分析原理，频率分辩率； 虚拟仪器及其使用。 四 可提供的实验设备

振动、转速、噪声测量实验台，传声器，前置放大器，声级校准器，声级计，USB6009数据采集卡，PC机，虚拟仪器程序及说明。 五、实验报告要求 1、实验目的和原理；

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2、实验过程；

3、 整理和分析实验中得到的噪声信号的数据，并分析其结果；

4、噪声声级测试及谱分析方面的当前科技发展状况。

六、各种可能的方案（3种，教师备课） （一）传声器，前置放大器与PC机声卡组合

（二）传声器，前置放大器与USB6009数据采集卡组合 （三）声级计与USB6009数据采集卡组合

实验项目三 悬臂梁一阶固有频率及阻尼系数测试

一、实验背景

各阶固有频率，阻尼，振型是机械结构的主要动态特性之一。工程上常需要用振动测试和分析的方法来识别这些动态特性。本实验以简单的悬臂梁为例，使同学们对此有一些初步的认识。 二、 实验要求

1.已有一钢质悬臂梁，选择合适的传感器并组建计算机辅助测试系统，识别其一阶固有频率和阻尼系数；

2.识别出的一阶固有频率，和理论计算值对比，分析两者差异的原因。 三、相关知识要点

悬臂梁前三阶的振动型态如图

若只按一阶振动型振动，其自由端的横向振动可看成为一单自度振动，其型态也可用控制工程中所述的二阶欠阻尼系统来描述（注意：一阶振型和二阶欠阻尼系统中的两个“阶”是不同的概念）。

从悬臂梁系统、自由端处的输入、自由端处的振动输出三者关系来看，属已知（但要测出来）输入、输出，识别（分析出）系统的问题。因此可通过频率特性分析，获取悬臂梁系统的一些动态特性。频率特性可用实、虚频，或幅、相频，或Nyquist图表示。

从悬臂梁自由端处的振动来看，若自由端施加一初位移或初速度，梁将作衰减

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振动。在自由端拾取振动，其类同一个二阶小阻尼系统在一初位移或初速度下的阶跃或脉冲响应过程（见控制工程，二阶系统时域响应分析）。自由端拾取的振动（时域响应）也含有该悬臂梁一阶固有频率和阻尼系数的的信息。 以上两种方法分属频域方法和时域方法。

输入可用多种方式，或力，或位移，或需测试，或可不测试；输出（横向振动）也可由多种方式测试，送入计算机并作分析。

因此可设计出多种实验和分析方案来完成实验要求。

选取传感器时请注意其测量原理，性能指标；数据采集时请注意采样频率及采样长度的选择及对分析结果影响；信号的频谱分析原理，频率分辩率；虚拟仪器及其使用。

附：悬臂梁固有频率的理论计算 可按下式计算悬臂梁的前三阶固有频率：

?i?kia?(kili)22EI?Al4 （rad/s） i =1,2,3

或

fi??i2??(kili)2?2EI?Al4 （Hz） i=1,2,3

其中：

A为等截面悬臂梁的横截面积，A=截面宽度b *截面高度h；（m） l为等截面悬臂梁的长度（m）； 梁的材料密度?＝7.9?103Kg/m3； 材料弹性模量E=206GPa； 对截面中性轴的惯性矩I=

bh312；

振型常数：k1l＝1.875,k2l=4.694,k3l= 7.855 四、可提供的实验设备

悬臂梁，加速度传感器及放大器，电涡流位移传感器，动态应变仪及应变片，力锤， USB6009数据采集卡，PC机，虚拟仪器程序及说明。

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五、实验报告要求 1、实验目的和原理； 2、实验过程；

3、 整理和分析实验中得到的振动信号的数据，并分析其结果； 4、机械结构的主要动态特性识别方面当前科技发展状况。 六、各种可能的方案（18种） （一）频域方法

1、力锤脉冲激振，加速度传感器拾取输出，获得频率特性 （1） 用频率特性的实、虚频来分析； （2） 用频率特性的幅、相频来分析； （3） 用频率特性的Nyquist图来分析。

2、力锤脉冲激振，电涡流位移传感器拾取输出，获得频率特性 （1） 用频率特性的实、虚频来分析； （2） 用频率特性的幅、相频来分析； （3） 用频率特性的Nyquist图来分析。 （二）时域为主的方法

1、初脉冲，只用加速度传感器拾取输出，获得衰减振动的加速度时域信号 （1） 分析衰减振动的加速度时域信号；

（2） 分析衰减振动的加速度时域信号，并对时域信号作自功率谱分析。 2、初脉冲，只用电涡流位移传感器拾取输出，获得衰减振动的位移时域信号 （3） 分析衰减振动的位移时域信号；

（4） 分析衰减振动的位移时域信号，并对时域信号作自功率谱分析。 3、初脉冲，只用应变片及动态应变仪及拾取输出，获得衰减振动的应变时域信号

（5） 分析衰减振动的应变时域信号；

（6） 分析衰减振动的应变时域信号，并对时域信号作自功率谱分析。 4、初位移，只用加速度传感器拾取输出，获得衰减振动的加速度时域信号 （7） 分析衰减振动的加速度时域信号；

（8） 分析衰减振动的加速度时域信号，并对时域信号作自功率谱分析。

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5、初位移，只用电涡流位移传感器拾取输出，获得衰减振动的位移时域信号 （9） 分析衰减振动的位移时域信号；

（10）分析衰减振动的位移时域信号，并对时域信号作自功率谱分析。 6、初位移，只用应变片及动态应变仪及拾取输出，获得衰减振动的应变时域信号

（11）分析衰减振动的应变时域信号；

（12）分析衰减振动的应变时域信号，并对时域信号作自功率谱分析。

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