1、1测试技术基础实验说明书北京航空航天大学机械学院机械制造实验室2实验一 光栅传感器测位移实验）.实验目的.了解光栅传感器的基本结构、特点、工作原理。.掌握光栅传感器测量位移的原理及方法。）实验原理光栅位移传感器由光源、聚光灯、标尺光栅、指示光栅和光电元件组成。光源发出的光线经过透镜照射在光栅上，再通过光栅照射在光电元件上，把光信号转换成电信号。光栅测量位移的工作原理是基于莫尔条纹现象。两块栅距w相同，黑白宽度相同的长光栅，当它们的刻线面彼此平行互相靠近，且沿刻线方向保持成一个很小的夹角时，由于遮光效应或光的衍射作用，在a-a线上，两块光栅的黑色刻线相交，透光缝隙相重，因此形成一条亮带。在b-b
2、线上，一块光栅上的黑色刻线正好将另一块光栅的透光部分挡住，形成一条暗带。这些明暗相间的条纹就是所谓的莫尔条纹。当光栅透过的光线越多，光电元件的输出越大，当光栅透过的光线越少，输出信号与位移间的关系可近似的用正弦函数表示。 即： V=Vo+VmSin(2x/w)式中：V -光电元件输出的电压信号；Vo-输出信号中的平均直流分量；Vm-输出正弦信号的幅值； W -栅距。X -两光栅间的瞬时相对位移量。由上式可见，光电元件的输出电压的大小反映了光栅瞬时位移量的大小，从而实现了位移量向电量的转换。在实际应用中，被测物体的移动方向是经常改变的，而莫尔条纹的明暗变化只与位移有关，而与位移方向无关，为了辨别
3、位移的方向必须增加一个观测点，然后根据两个观测点输出信号 U1、U2 间的相位关系来定位移的方向 。当光栅正向运动时，U1 超前 U2 90度，当光栅反向运动时，U2 超前 U1 90 度，利用这一特点，便可构成简单的辨向电路。通常采用的是“四倍频辨向电路”。所谓四倍频电路是一种位置细分法，就是使正弦信号在0度、90度、180度、270度都有脉冲输出，可使测量精度提高四倍。将辨向电路输出信号（Y 1、Y2）送到加、减计数电路进行记数，再通过译码驱动电路，将位移量显示出来。本实验所采用的光栅栅距为 0.02 毫米，即每毫米为 50 对线，经四倍频后，每移动一毫米则应显示 200。）.实验内容实验
4、装置3实验步骤 1. 熟悉四倍频辩向电路图，熟悉74LS04、74LS00、74LS54四件的功能，按照线路图插接线路板。2 .检查无误后，再通过实验，同时用示波器观察各点的波形，并将辩向、四倍频波形描绘下来。3. 与光栅传感器联调，测试板首先清零显示为00000，移动动尺前进100mm，观察记数显示结果并记录下来，然后动尺后退到原点，观察记录显示结果并记录下来。）.实验报告4实验二.微机在测量信号中的应用实验） 实验目的通过实验使同学了解在 PC 机为主机的系统中，如何实现由加速度传感器感受到振动信号，经过放大和转换后送微机进行数据采集及测量信号的分析和处理的方法。） 实验原理实验信号源是由
5、悬臂梁产生的振动信号，经加速度传感器拾取后，将振动物体产生机械能转变成电能，当加速度传感器感受振动信号时，在其输出端产生一个与加速度传感器感受到的振动信号的加速度成正比的电荷量送到电荷放大器，电荷放大器能够接受到电荷量经过放大转变成标准的电压信号。经过 A/D 转换卡（AC 1820）变成数字信号，送入计算机，就可进行信号分析及处理。5AC 1820 可提供16路单端输入12位AD转换，AD转换速度最快为800KHZ支持1-16的波形信号的采集。AC1820板上带有128K字RAM。AC1820适合：中告诉信号，波形采集及纪录等应用场合。AD启动方式：软件，外部触发（实验中采用软件触发）板上时
6、钟：4MHZ基准，16位分辨率，程控转换速度800KHZ-16毫秒采样长度：16-512K AD 数据读入采用 16 位 ISA 总线，16 位操作AD转换完毕后，AC1820会发出一个转换完毕的信号，计算机接收到此信号后，立将存储在AC1820上的RAM中的信号读入到计算机中，从而完成了数据的采集。接下来要对数据进行分析和处理。这里我们要用到软件“多路信号分析及处理系统软件”，做数字滤波、FFT 运算、幅值谱，相频谱，自相关分析、自功率谱分析，如果是多路信号还可进行互相关分析，互功率谱分析。）实验内容实验步骤：1. 将加速度传感器按照框图所示固定在钢板尺做的悬臂梁上，另一端连接电荷放大器，电
7、荷放大器的输出端连接到并行接口板上的输出端，一切准备完毕后给电荷放大器通电。2. 开启计算机，运行信号采集分析及处理系统，选择菜单信号采集，出现对话框后，输入采集通道、采集点数、采集频率。用手扳动钢板尺的同时，按回车键，一次数据采集过程结束。3. 经过滤波、FFT运算，显示频率域的幅频、相频波形。4. 经过自相关函数运算、显示自相关波形。5. 经过自功率谱函数运算，显示自功率谱波形改变测试点位置，重复 1-5 步骤。）实验报告67实验三.切削力测量实验1）.实验目的1 通过实验验证应力测量原理与具体实施方法。2 通过实验初步掌握力的应变测试技术。2)实验原理本测力系统由测力传感器（即 SDC
8、系列测力仪）、应变仪（即应变信号放大器；如：YD-21 四通道应变仪）、模数转换板（即 A/D 卡）、带电缆和插头的连接器等组成。见图 1-1：测力仪（Dynamometer）上有三或四个插座，三个插座的测力仪用于测量Fx、Fy、Fz三个切削或磨削分力，四个插座的测力仪用于测量三个分力外还可测量钻削扭矩，通常只测三个分力的测力仪上也常带有第四个插座，但这个插座是不用的。把随测力仪提供的电缆插头与测力仪插座连接，需要拧紧插头不能松动；在把电缆另一端的四个连接钩与应变仪电桥盒相接，红色的两个连接钩与电桥盒1、3号连接柱相连；黑色的两个钩与电桥盒2、4号连接柱相连（两者可互换）。钩与柱的连接也需要拧
9、紧，不允许松动。图1-1所示连接器2即为随A/D卡提供的接口。把应变仪输出电缆的信号线（即同轴电缆的中心铜线）与连接器 2 对应的输入端螺钉相接；建议 Fx 对应应变仪第 1 通道、Fy 对应应变仪第 2 通道、Fz 对应应变仪第 3 通道。连接器上 1 号螺钉与 Fx 输出相接、2 号螺钉与 Fy 输出相接、3 号螺钉与 Fz 输出相接。各对应输出信号线的屏蔽线是与放大器地相连的，它们应与连接器 2 两侧的地螺钉连接。实验中我们需要对测力仪进行标定。标定测力仪就是记录采集的电压值与加载在测力仪上的力之间的关系。标定系数的单位是：N/V。因为应变仪提供了1001000的标定功能，所以也可通过标
10、定获得采集的电压值与微应变数之间的对应关系。在进行数据处理时，要进行平均值计算，“N点”按钮用于设置N值，即每N个数据求一次平均值。公式为：x=(x1+x2+xN)/N假设原始有1000个数据，4点平均一次时，求平均值后只剩下250个数据。原始数据序列中1-4号数据对应新数据序列中的1号数据；原数据序列中5-8号数据对应新数据序列中的2号8数据，依此类推。N=显示窗显示该N值。关于自相关和互相关函数，其定义请同学参看相关书籍，这里仅给出它们的计算方程。自相关函数：互相关函数：谱分析是研究信号特征，对信号进行处理的重要手段之一。它通过谱密度函数反映不同频率成分的功率或幅值方差的分布，即研究信号中
11、不同频率成分占信号总能量的比例。 在信号处理过程中，谱分析的理论基础是傅立叶变换。根据高等数学的知识，对于非随机的非周期函数，在函数绝对可积并满足狄利克雷条件：时，可通过傅立叶积分将 x（t）变换为频域函数 X（）。谱密度函数 其中 为采样周期，T 为采样时间长度，N 为采集数据个数。并且有 。）实验内容实验设备与仪器的使用方法（一） 实验设备1SDC系列测力仪 一台2YD-21/4四通道应变仪 一台3A/D卡 （已置于微机内） 一块4、微机及相关配置 一套二)仪器操作方法这里主要介绍YD221/4四通道应变仪的使用。1 打开电源开关观察三位半数字显示，显示亮。2 预热10分钟后开始调节。先从
12、应变仪的第一通道开始，观察显示是否是“0”，如果不指零，可调节“基零”电位器为之满足（在一般正常情况下出厂已调好不超过“一个字”用户不需要调节）。3 根据桥路不平衡讯号大小，适当选择衰减开关调节平衡，一般情况下是将“衰减”开关依次衰减“100”、“50”、“20”、“10”、“5”、“2”“1”（四档琴键开关回原位置）。同时转换“预静动”开关，在“预”位置，分别调节“C”和“R”，调节到显示为最小，然后将“预静动”开关置于“静”位置，调节电阻平衡“R”，使显示接近“0”，再将“预静动” 开关置于“预”位置，再调节电容平衡“C”，使显示接近零。一般情况下，在显示灵敏度开关置于“J2”位置不超过4
13、个即可，然后再将“预静动” 开关置于“静”位置，调9节电阻平衡“R”，使显示为“0”，2个字即可。4 动态测试时，经调整完毕后放大器，将“预静动” 开关置于“动”位置。实验步骤1 打开预热应变仪，调节应变仪平衡：打开电源开关观察三位半数字显示，显示亮。预热10分钟后开始调节。先从应变仪的第一通道开始，观察显示是否是“0”，如果不指零，可调节“基零”电位器为之满足。根据桥路不平衡讯号大小，适当选择衰减开关调节平衡，一般情况下是将“衰减”开关依次衰减“100”、“50“20”、“10”、“5”、“2”“1”（四档琴键开关回原位置）。同时转换“预静动”开关，在“预”位置，分别调节“C”和“R”，调节
14、到显示为最小，然后将“预静动”开关置于“静” 位置，调节电阻平衡“R”，使显示接近“0”，再将“预静动” 开关置于“预”位置，再调节电容平衡“C”，使显示接近零。一般情况下，在显示灵敏度开关置于“J2”位置不超过4个即可，然后再将“预静动” 开关置于“静”位置，调节电阻平衡“R”，使显示为“0”，2个字即可。 动态测试时，经调整完毕后放大器，将“预静动” 开关置于“动”位置。2 测力仪的标定。分别在x、y、z方向加载和卸载，测量并记录实验数据，注意观察加载曲线与卸载曲线。3. 选择通道采集实验数据，可多采集几组。4. 打开数据回放观察数据波形，选择一组较为理想的数据波形作为下面数据处理的数据波形。5 进行均值分析，打印图形。6 进行自相关计算，打印图形。7 进行互相关计算，打印图形。8. 进行频谱分析，打印图形。）实验报告10
