传感器技术测试技术实验指导书01版.docx
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传感器技术测试技术实验指导书01版
《测试技术》
实验指导书
蒋平
南京工程学院
二○一二年一月
实验1测试装置的特性实验
实验1—1指针式电表的静、动态特性
一、实验目的
1、熟悉测试装置静态特性（灵敏度、线性度、滞后度）和动态特性（幅频特性、相频特性）；
2、掌握测试装置特性的简易测定方法。
二、仪器
1.指针式直流电压表（或具有直流电压测试档的指针式万用表）；
2.函数信号发生器；
3.可调直流电源；
4.一号电池及连接导线等。
三、实验原理
指针式直流电压表（或指针式万用表用直流电压测试档）是一种电压测试指示装置，指针在指示标盘的不同位置（即指针的不同转角）反映了被测量（输入电压或经传感器转换成电压的其它非电物理量）的大小及其变化情况。
它的静态特性：
灵敏度S即为输入电压与指针在标盘指示值（指针转角）的比值
S=△L/△V=L/V（格／伏）。
线性度L计算的参考直线（用两点法）即为全量程输入时指针指示值在输入——输出（指针示值）曲线图上的斜率线。
找出此斜率线与输入——输出曲线间的最大偏差值Δmax，即可求得该指针式电压表的线性度δL，
Ymax和Ymin为输出的最大值和最小值。
滞后度
可通过输入递增至全量程后再递减两过程中指针示值所示两输入——输出曲线间最大差值
。
求得。
其幅频特性可用指针示值随不同频率（输入电压）变化关系曲线来描述。
四、实验步骤
1.熟悉各实验仪器的使用方法与操作要领。
2.灵敏度，线性度，滞后度测定。
①按直流电压表量程（或指针式万用表某直流电压测试档量程），选择直流电源调压范围，使两者基本一致。
②连接可调直流电源与直流电压表，并使其处于待工作状态。
③按所选可调直流电源满量程电压的1／10为步进值逐一供给直流电压表，读出电压表指针指示值（格）记入表1。
重复进行三次。
④计算出上述表内三次数值的平均值，并根据灵敏度S，线性度δL，滞后度
的定义和计算公式分别求出上述工况下的指针式电压表（或指针式万用表作直流电压表）的静态特性参数值。
3.幅频特性的测定
①选择直流电压表（或指针式万用表直流电压档）满量程为2.5V的档位
②连接直流电压表（或指针式万用表）和低频信号发生器。
并在其间串连一节1.5伏的电池后使电压表处于工作状态。
③保持低频信号发生器输出电压为1伏。
并以1、1.3、1.5、l.7、2、5、20Hz的输出信号给直流电压表。
读出电压表指针相应的来回摆动范围指示值（格），并记入表2。
重复进行三次。
④计算表2内三次数值的平均值。
把频率作为横坐标，相应的指针示值摆动范围作为纵坐标。
画出输出幅值（指针摆动范围示值）一一频率关系曲线，此曲线即为指针式电压表（指针式万用表作直流电压表）的幅频特性。
五、讨论
1.用两点法所画直线作为线性度参考直线有何优缺点?
2.可否用输入增、减过程中任一相同输入量时输出幅值的差值作为滞后度
的计算依据？
为什么？
3.测直流电压表幅频特性时为何要串接一节电池？
指针式电表的静、动态特性实验数据表
表1
1/10
2/10
3/10
4/10
5/10
6/10
7/10
8/10
9/10
10/10
1
2
3
平均值
表2
1Hz
1.3Hz
1.5Hz
1.7Hz
2Hz
5Hz
20Hz
1
2
3
平均（v）
实验1—2电阻应变仪的静、动态特性
一、实验目的
1.了解电阻应变仪的基本结构和使用方法。
2.熟悉测试装置静、动态特性（灵敏度、线性度、滞后度、幅频特性）及其简易测定方法。
二、仪器
1.动态电阻应变仪。
2.等强度梁（或应力环）及加载装置（如砝码）。
3.信号发生器、功率放大器、激振器。
4.毫安表（或万用表）。
三、实验原理
动态电阻应变仪是利用由应变片组成的电桥电路把随外力而发生的电阻变化转换成电流（或电压）的变化，且进一步放大，最后以足够的功率推动显示或记录仪器进行测试的专门仪器。
它的灵敏度S是输入量△y（如外力）与输出量△x（如电流）的比值△y／△x；其线性度L计算的参考直线即为全量程输入时应变仪相应输出量值在输入——输出曲线图上的斜率线（两点连线法）。
找出此斜率线与输入输出曲线的最大偏差值Bmax，即可求得应变仪的线性度L（L=（Bmax/A）*100%），其中A为输入全量程）。
其滞后度M可通过输入升，降回程记录的输出值所作两输入——输出曲线间最大差值△ymax求得，M=（△ymax/A）*100%（A为输入全量程）。
其幅频特性可用应变仪相应输出量（电流）随不同频率输入量（即激振力的频率）的变化关系来描述。
四、实验步骤
1.静态特性测定
①了解电桥盒结构，把等强度梁（或应力环）上的电阻应变片按半桥或全桥形式接到电桥盒上，再把电桥盒接到应变上。
②打开电源，进行平衡调节，衰减档位从大到小，调节电阻平衡、电容平衡，直到衰减为“1”。
调好平衡后不能在加载及卸载过程中再动平衡旋钮。
③加载装置给等强度梁（或应力环）加载、卸载。
如用砝码50g、100g、150g、200g、150g、100g、50g，0g，将各加载、卸载时应变仪输出的读数（mA或
）记入表1（重复加载、卸载三次）。
④根据表1中三次输出的平均值画出mA——
或
——
曲线，并根据灵敏度，线性度，滞后度的定义和计算公式分别求出上述工作情况下的应变仪静态特性参数值。
2，幅频特性的测定
①熟悉信号发生器，功率放大器，激振器的使用方法。
②按图示连接各仪器，并调节激振器柔性杆与应力环（或等强度梁）的相对位置，使其处于良好工作状态。
检查各仪器开关、旋钮位置：
所有电源开关应在关位置，信号发生器及功率放大器的输出旋钮应在最小位置。
功率放大器的“恒压，恒流”开关应在“恒压”位置，并把YD一21型应变仪的频率档位拨至30Hz处。
③电阻应变仪调平衡。
④拨动功率放大器及信号发生器电源开关使其处于通的位置。
⑤将信号发生器频率调至10Hz，并调节“输出细调”旋钮，使电压显示1V。
⑥缓慢转动功率放大器的输出旋钮，使激振器起振，然后使“输出旋钮”固定在某一位置。
记下万用表的读数填入表2。
⑦依次改变信号发生器的频率为15、20、25、30、35、40、45Hz，记下各次在万用表上的相应读数填入表2（重复三次）。
在每次改变频率时均不得调节功率放大器的输出，旋钮，并使信号发生器的输出电压始终保持1V。
⑧根据表2数据算出平均值。
并画出应变仪的幅频特性图。
五，讨论
1.应变仪的幅频特性对测量误差有何影响?
2.测定应变仪特性参数时对其它所用仪器的性能有何要求?
电阻应变仪的静、动态特性实验数据表
表1
载荷g
0
50
100
150
200
150
100
50
0
半桥或全桥（mA或
）
1
2
3
平均
表2
10
15
25
30
35
40
45
1
2
3
平均
实验2电桥和差特性实验
一、实验目的
1．熟悉电桥电路的特性和接法。
2．验证
，单片（半桥半臂）工作状态
，双片（半桥双臂）工作状态
，四片（全桥）工作状态
。
（
为灵敏度系数）。
3．了解环境温度变化对测量的影响及其消除方法。
二.仪器
1.电桥和差特性仪。
2.砝码。
3.红外线灯（或电吹风）、温度补偿片等。
三．实验原理
电桥测量电路的作用是将应变片的电阻变化转换为电压（或电流）的变化。
由电桥电路原理可知，当四个桥臂电阻R1，R2，R3，R4依次连接组成桥路时电桥的输出电压ey：
（
为电桥电源电压）
当电桥臂中R1为测量应变片，在外力作用下使R1应变片中的电阻元件（电阻丝）产生变形，应变电阻效应导致电阻元件的阻值发生相应的变化△R。
从而改变R1=R2=R3=R4=R0的情况下电桥句
（称电桥平衡）的状态，其输出电压
（半桥单臂工作状态）
在电桥相邻臂应变片都受力时，若外力等值反向，则桥路输出电压
（半桥双臂工作状态）
在电桥四个桥臂都受幅值相同而方向依次相反的作用力时C即产生（△
）桥路的输出电压
（全桥工作状态）
由此可看出当上述条件下参加工作的桥臂数为1、2、4时，电桥输出灵敏度是单片工作时的1、2、4倍。
环境温度对应变片测量有很大的影响，可利用电桥的和差特性采用温度补偿片进行温度补偿。
当R1为工作应变片，相邻的R2作为补偿片粘贴在与试件材料相同、环境温度一样的补偿块上，在环境温度变化时工作片和补偿片的电阻变化各为和，它们大小和变化方向相同，由于处于相邻桥臂其综合的桥路输出电压仍为零（全桥、半桥工作状态时由环境温度引起的应变片阻值变化同理使电桥的综合输出电压为零）。
说明环境温度对电桥的输出影响消除了。
四、实验步骤
（一）、电桥灵敏度实验
1、了解JF—4电桥和差特性仪的面板结构，将应变片分别接成全桥、半桥双片、半桥单片。
全桥接法：
用连线将应变片的A、B、C、D接点分别连到电桥的A、B、C、D接点，将应变片的两个A接点连到一起，即可组成全桥电路。
半桥双片接法：
用连线将应变片的A、B、C接点分别连到电桥的A、B、C接点，将电桥的A'与A、C'与C接点连到一起，即可组成半桥双片电路。
半桥单片接法：
用连线将应变片的A、B接点分别连到电桥的A、B接点，将电桥的A'与A、C'与C接点连到一起；用连线将另一台电桥和差特性仪的任一个应变片接到电桥的B、C接点（作温度补偿片），即可组成半桥单片电路。
当然也可将应变片中的任一个（如B、C或C、D或D、A接点）接到电桥的A、B接点。
注意：
接桥时应关闭电源，以保护仪器。
接好电桥后，再开电源。
２、打开电源。
３、平衡调节。
按“清零”按钮调零；或用调平衡旋钮，使显示屏的读数调为零。
注意：
调好平衡后，在加载、卸载过程中不能再动调平衡旋钮。
４、给梁加载、卸载：
200g、400g、600g、800g、600g、400g、200g、0g，
将各次加载、卸载时电桥和差特性仪显示的读数（应变值）记入表2中（重复加载、卸载三次）。
５、根据三次输出的平均值求出电桥的灵敏度系数K。
（二）温度补偿试验
应变片的电阻值由于其材料膨胀系数与试件的膨胀系数不同在环境温度改变时会使电阻片产生附加变形。
导致发生附加的电阻变化。
用红外线灯泡（一般白炽灯泡亦可）分别对组成桥路的一片应变片加热，就可看到显示电桥输出值的电表指针位置（读数）发生改变。
若红外线灯泡同时给相邻两电桥臂应变片加热，显示电桥输出值的电表指针位置（读数）不变，说明半桥相邻两应变片互相进行温度补偿。
消除了因环境温度变化引起的误差。
五、思考题
1．分析实验结果的K值（单片、双片、四片的输出值比）之比不正好为1：
2：
4的原因。
2．分析单片、双片、四片工作状态组成的电桥对温度补偿不同要求的原因。
电桥和差特性实验数据
表1
加载（Kg）
卸载（Kg）
0
0.2
0.4
0.6
0.8
0.6
0.4
0.2
0
单片
1
2
3
平均
双片
（半桥）
1
2
3
平均
四片
（全桥）
1
2
3
平均
电桥灵敏度K值（单、双、四片电桥输出比值）：
K单:
K双:
K四=
实验3信号分析实验
信号分析实验原理：
1、典型信号及其频谱分析的作用
正弦波、方波、三角波、锯齿波和白噪声信号是实际工程测试中常见的典型信号，这些信号时域、频域之间的关系很明确，并且都具有一定的特性，通过对这些典型信号进行频谱分析，对掌握信号的特性，熟悉信号的分析方法大有益处，并且这些典型信号也可以作为实际工程信号分析时的参照资料。
本实验利用信号分析工具箱可以很方便的对上述典型信号作频谱分析。
2、信号频谱分析的方法及设备
信号的频谱可分为幅值谱、相位谱、功率谱、对数谱等等。
对信号作频谱分析的设备主要是频谱分析仪，它把信号按数学关系作为频率的函数显示出来，其工作方式有模拟式和数字式二种。
模拟式频谱分析仪以模拟滤波器为基础，从信号中选出各个频率成分的量值；数字式频谱分析仪以数字滤波器或快速傅立叶变换为基础，实现信号的时—频关系转换分析。
傅立叶变换是信号频谱分析中常用的一个工具，它把一些复杂的信号分解为无穷多个相互之间具有一定关系的正弦信号之和，并通过对各个正弦信号的研究来了解复杂信号的频率成分和幅值。
信号频谱分析是采用傅立叶变换将时域信号x（t）变换为频域信号X（f），从而帮助人们从另一个角度来了解信号的特征。
时域信号x（t）的傅氏变换为：
式中X（f）为信号的频域表示，x（t）为信号的时域表示，f为频率。
3、信号相关分析的方法和作用
信号的相关分析包括自相关分析和互相关分析。
信号的自相关函数
信号的自相关函数常用于区别信号类型，确定信号中的周期成分，并进一步分析其起因。
信号的互相关函数
信号的互相关函数应用场合为相关滤波，即在噪声背景下提取有用信息，此外互相关技术还广泛应用于各种测试中。
相关函数描述了两个信号或一个信号自身波形不同时刻的相关性（或相似程度），揭示了信号波形的结构特性，通过相关分析我们可以发现信号中许多有规律的东西。
相关分析作为信号的时域分析方法之一，为工程应用提供了重要信息，特别是对于在噪声背景下提取有用信息，更显示了它的实际应用价值。
实验3—1基于信号分析工具箱的信号分析实验
一、实验目的
1、熟悉“信号分析工具箱”软件的功能，初步掌握利用信号分析工具箱进行常用的信号分析的操作方法；
2、掌握信号进行频谱分析的原理，熟悉典型信号的波形和频谱特征，并能够从信号频谱中读取所需的信息。
3、掌握信号进行相关分析的原理，熟悉典型信号的自相关函数及不同典型信号之间的互相关函数；
4、掌握信号进行功率谱分析的原理，熟悉典型信号的自功率谱及不同典型信号之间的互功率谱。
二、实验仪器和设备
计算机，信号分析工具箱软件，打印机（与信号分析工具箱配套使用）
三、实验步骤及内容
1、打开“信号分析工具箱”软件，进行信号信号分析实验。
见图3-1
2、在“信号”主菜单下的“信号发生器”子菜单中任意选择两个信号，见图3-2和3-3。
设置信号的幅值、频率、相位等参数。
并在“波形”主菜单下的点击相应子菜单可同时显示两个通道的波形；
3、在“频谱”主菜单下的选择“幅频—相频谱”或“实频—虚频谱”子菜单，观察所选取信号的幅、相频谱或实、虚频谱；
图3-1信号分析工具箱软件主界面
图3-2信号发生器界面图3-3信号发生器的信号类型
4、在“相关”主菜单下的选择“通道1自相关系数”或“通道2自相关系数”子菜单，观察所选取信号的自相关函数；选择“通道1和2互相关系数”子菜单，观察所选取两个通道信号的互相关函数；
5、在“频谱”主菜单下的选择“功率谱”子菜单，观察所选取信号的自功率谱；选择“互谱函数”子菜单，观察所选取两个通道信号的互功率谱。
四、实验报告要求
1.按实验步骤附上相应的信号分析曲线，总结实验得出的主要结论；
2.将分析结果与理论分析进行对照，说明实际分析结果与理论分析之间的差异，并简要分析产生误差的原因。
信号分析实验数据
班级：
姓名：
学号：
实验日期：
内容
波形
信号时域波形
相关函数
功率谱
正弦波
白噪声
周期信号
正弦波与周期信号
（频率相同）
注：
周期信号为方波、三角波、锯齿波三种中任选一种。
五、思考题
1.为何白噪声信号对信号的波形干扰很大，但对信号的频谱影响很小。
2、如何用相关分析法测量信号中的周期成分。
3、如何在噪声背景下提取有用信息。
实验3—2基于虚拟仪器的信号分析实验
一、实验目的
了解信号分析的作用，初步掌握对试验信号进行时域、频域、幅值域、倒频域等的分析方法。
二、实验仪器
1、振动源（三向振动台）
2、压电式加速度传感器、电荷放大器
3、数据采集模块
4、计算机和相关软件（或信号处理机）
5、打印机
三、实验步骤
各种不同型号的信号分析软件（或信号处理机）其具体操作方法与功能亦有所差异，应根据相应的操作使用说明书进行。
现以数据采集模块、计算机和有关软件组成的虚拟仪器作为信号处理机。
图振动测试系统组成框图
1、详细阅读仪器使用说明书中的有关内容。
2、按上图连接仪器设备，组成图示的测振系统。
将有关按钮和旋钮调到设定位置。
开启仪器电源。
3、设置好试验信号的频率，启动振动台，并调节数据采集模块的采样频率和电荷放大器的放大旋钮。
使输入计算机的信号在液晶屏上有合适的波形显示。
4、操作有关的功能按钮进行各种处理分析。
例如对试验信号进行自功率谱分析，只要按信号输入的相应通道（A或B）标有自功率谱标志的功能按钮，在液晶屏上就显示该信号的自功率谱图形；并在坐标轴下方有自功率谱幅值y（纵轴坐标轴）最大值及其相应的频率值x（横轴坐标值）。
连接上打印机后就可把屏幕上显示的图形和数据打印到打印纸上。
其它各种处理过程与上述步骤类同，具体操作按屏幕提示进行。
实验过程中为了加深信号处理分析基本原理的理解，熟悉虚拟仪器的处理分析功能和初步了解虚拟仪器的开发，在对输入的测试信号进行自功率谱处理分析后再进行互功率谱密度函数、自相关函数、互相关函数、概密度函数、概率分布函数、相干函数、倒频谱等处理分析。
四、讨论
结合输入信号的工况，根据研究要求对所作的处理分析结果进行分析讨论。
例如通过输入机床振动信号的概率密度函数和功率谱密度函数处理分析说明机床的振动水平与振动幅值分布情况。
实验4三向振动台的计算机辅助测试实验
一、实验目的
1、掌握振动测试系统的搭建；
2、熟悉计算机辅助测试的过程；
2、对三向振动台进行振动信号的采集、记录与处理分析。
二、实验仪器
1、振动源（三向振动台）
2、压电式加速度传感器
3、电荷放大器
4、数据采集模块
5、计算机和相关软件
6、打印机
三、实验组成
根据被测对象的世界情况搭建相应的测试系统。
各种不同型号的仪器及相应软件其具体操作方法与功能亦有所差异，应根据相应的操作使用说明书进行。
本测试系统是由压电式传感器、电荷放大器、数据采集模块、计算机和有关软件组成的虚拟振动测试系统见图4-1。
测试对象是三向振动台，其结构件图4-2。
图4-1振动测试系统组成框图
该三向振动台是一种不平衡重块式的机械振动台，是以不平衡重块旋转时产生的离心力来激振振动台台面，激振力与不平衡力矩和转速的平方成正比。
该三向振动台工作原理是：
振动电机输出轴两端均安装有固定偏心块和一个可调偏心块，调节可调偏心块和固定偏心块之间的夹角可实现激振力大小及振动强度的改变；调节振动电机的可调偏心块，使其在输出轴两端具有不同的相位，则可改变振动电机两端的振动不平衡度。
在三向振动台底板处于水平状态的条件下，通过电气箱控制振动电机的工作频率、频率变化方式、某频率的运行时间等，以实现在振动台的上板、中板和下板产生各种不同方向、不同强度的振动。
图4-2振动台结构图
四、实验步骤
1、实验前，详细阅读仪器使用说明书中的有关内容。
2、传感器布点。
将压电式加速度传感器根据需要布置在振动台上需要测振动的位置。
参见图4-3和表4-1。
3、按图4-1所示连接仪器设备，组成振动测试系统。
4、振动调节。
设置好变频器的工作频率（参数代号05-00～05-14），运行时间（参数代号05-07～05-31）等参数。
图4-3传感器布布置图（黑色方块，代表传感器位置）
表4-1传感器的安装位置表
传感器编号
安装位置
测试方向
传感器编号
安装位置
测试方向
1
底板
Z
8
中板
X
2
X
9
Y
3
Y
10
上板
Z
4
下板
Z
11
X
5
X
12
Y
6
Y
13
上电机
Z
7
中板
Z
14
底板
Z
台达变频器VFD007B43A的键盘面板和操作流程见图4-4和图4-5，部分参数见表4-2。
图4—4
图4—5
表4-2变频器的参数设定：
参数代号
参数功能
设定范围
出厂值
用户设定值
04—04
多功能输入指令一（MI1）
33：
PLC单击自动运转
01
33
05—00
第一段频率设定
0.00～400.00Hz
0.00
05—01
第二段频率设定
0.00～400.00Hz
0.00
05—02
第三段频率设定
0.00～400.00Hz
0.00
05—03
第四段频率设定
0.00～400.00Hz
0.00
05—04
第五段频率设定
0.00～400.00Hz
0.00
05—15
自动程序运转模式
00无自动运行
00
01
01：
自动运行一个周期后停止
02：
自动运行循环运转
03：
自动运行一个周期后停止（STOP间隔）
04：
自动运行循环运转（STOP间隔）
05—17
PLC第一段运行时间
0～6550秒
00
05—18
PLC第二段运行时间
0～6550秒
00
05—19
PLC第三段运行时间
0～6550秒
00
05—20
PLC第四段运行时间
0～6550秒
00
05—21
PLC第五段运行时间
0～6550秒
00
注：
频率设定：
最高<50Hz
5、电荷放大器设置。
根据压电式加速度传感器设置灵敏度，调节功能档位（加速度）、增益档位（初始为最小）、滤波档位等。
开启电荷放大器电源。
6、启动计算机及相应的软件，调节数据采集模块的采样频率和使输入计算机的信号在液晶屏上有合适的波形显示。
7、接通变频器电源，启动
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