傳感器技術(shù)實驗報告-機械工程(機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ))

1、傳感器技術(shù)實驗報告 專業(yè)： 機械工程 姓名： 陳頂柱 年級： 2020級 班級： 測控系 學(xué)號： 202003701099 武漢科技大學(xué) 機械自動化學(xué)院2020年 9月 10日實驗一 測試裝置與數(shù)據(jù)采集設(shè)備一、實驗?zāi)康膶W(xué)會應(yīng)力應(yīng)變測試裝置構(gòu)建及數(shù)據(jù)采集設(shè)備使用。二、實驗內(nèi)容（1） 應(yīng)力、應(yīng)變、壓力測試裝置組成；（2）學(xué)習(xí)NI-MyDAQ數(shù)據(jù)采集設(shè)備基本功能及使用方法； （3）學(xué)習(xí)NI-LabView基本操作方法（搭建數(shù)據(jù)采集程序、學(xué)習(xí)濾波組態(tài)使用方法）。實驗二 電阻應(yīng)變片的粘貼一、實驗?zāi)康膶W(xué)習(xí)金屬電阻應(yīng)變片的粘貼方法。二、實驗內(nèi)容（1）熟悉金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)，基本參數(shù)；（2）熟悉等強度梁標(biāo)定

2、設(shè)備結(jié)構(gòu)；（3）實踐金屬電阻應(yīng)變片的粘貼方法、步驟；三、實驗步驟（1）儀器設(shè)備 電阻應(yīng)變片、模擬試件、萬用表、502膠水、砂紙、醫(yī)用酒精、鑷子、剪刀、導(dǎo)線、電烙鐵、焊錫膏、焊錫絲等。（2）粘貼程序應(yīng)變片的粘貼工序主要包括：應(yīng)變片的檢查與篩選，試件表面處理，應(yīng)變片的粘貼、固化，導(dǎo)線的焊接與固定，防潮處理和質(zhì)量檢查等。1） 應(yīng)變片的檢查與篩選：應(yīng)變片的選擇根據(jù)應(yīng)力測試和傳感器精度要求對照應(yīng)變片系列表選擇相應(yīng)的應(yīng)變計。2） 試件表面處理：用細砂紙（布）對構(gòu)件或彈性體粘貼面進行交叉打磨，使試件表面呈細密，均勻粗糙毛面，其面積要大于應(yīng)變片的面積。打磨后的表面采用純度較高的無水乙醇，丙醇，三氯乙烯等有機溶

3、劑反復(fù)清洗，確保貼片部位清潔干潔，無塵。3） 應(yīng)變片的粘貼、固化：一般采用502膠水粘貼應(yīng)變片，注意粘貼應(yīng)變片的方向盡量與主應(yīng)力方向一致。貼片、固化粘貼位置確定后，取適量膠液均勻涂刷在被粘處表面，將應(yīng)變計表面用無水乙醇棉球擦洗干凈，晾干后涂一薄層膠液，待膠液變稠后，將應(yīng)變片準(zhǔn)確粘貼在試件表面，其上蓋一層聚四氟乙烯薄膜用手指順著應(yīng)變片的軸向擠出多余膠液并排出膠層中的氣泡。應(yīng)變片粘貼完成后，粘貼質(zhì)量檢查應(yīng)檢查貼片位置是否準(zhǔn)確，粘貼層是否有氣泡和雜質(zhì)，敏感柵有無斷柵和變形。在應(yīng)變片引出線端附近用同樣方法粘貼接線片，然后將應(yīng)變片引出線用焊錫固定在接線片上，減去多余的線頭用萬用表檢查絕緣和電阻情況。4）

4、 根據(jù)預(yù)定的組橋方式焊接電線，完成后再一次檢查電阻及絕緣情況。5） 確保電橋絕緣和阻值無問題的前提下，為了防止粘貼好的應(yīng)變片受潮和腐蝕物質(zhì)的浸蝕，并防止機械損傷，對應(yīng)變片應(yīng)采取一定的保護措施。試驗中采用703硅膠保護。7）根據(jù)測量對象和目的的不同，決定組橋方式。四、實驗報告（1）等強度梁結(jié)構(gòu)及其有限元分析在ANSYS軟件中進行有限元分析?，F(xiàn)模擬試驗梁在2kg負載（1kg托盤+1kg砝碼）的環(huán)境下，其應(yīng)力分布與撓度分布如圖1-1和1-2所示。圖1-1圖1-2實驗三 等強度梁彎矩、拉力測試與標(biāo)定實驗一、實驗?zāi)康膶W(xué)會制定梁的彎矩和拉力傳感器制作方法；學(xué)會金屬電阻應(yīng)變片的標(biāo)定方法；學(xué)會通過彎矩信號推導(dǎo)

5、等強度梁垂向結(jié)構(gòu)參數(shù)（固有頻率和阻尼比系數(shù)）二、實驗儀器電阻應(yīng)變片、LC1002動態(tài)應(yīng)變儀、數(shù)據(jù)采集卡、萬用表、502膠水、砂紙、醫(yī)用酒精、鑷子、剪刀、導(dǎo)線、電烙鐵、焊錫膏、焊錫絲、砝碼5個、電腦一臺。3、 實驗內(nèi)容（1）在等強度梁上粘貼金屬電阻應(yīng)變片，并自行組橋，用于測量彎矩，并進行標(biāo)定；（2）在等強度梁上粘貼金屬電阻應(yīng)變片，并自行組橋，用于測量拉力；（3）采用階躍響應(yīng)法測量等強度梁的固有頻率和阻尼比系數(shù)；四、實驗依據(jù)（1）應(yīng)變片是最常用的測量應(yīng)變的傳感元件。測試時，應(yīng)變片牢固地粘貼在等強度梁上下兩表面，當(dāng)?shù)葟姸攘菏芰Πl(fā)生形變時，應(yīng)變片的敏感柵隨同變形，其電阻值也隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。通過測量

6、電路，轉(zhuǎn)換成電信號輸出顯示。由于電阻值，其長度、截面積A、電阻率均將隨應(yīng)變片的變形而變化。（2）脈沖激勵：用脈沖錘敲擊試件，產(chǎn)生近似于半正弦的脈沖信號。信號的有效頻率取決于脈沖持續(xù)時間 ，越小則頻率范圍越大。 （3）幅值：幅值是振動強度的標(biāo)志，它可以用峰值、有效值、平均值等方法來表示。 （4）頻率：不同的頻率成分反映系統(tǒng)內(nèi)不同的振源。通過頻譜分析可以確定主要頻率成分及其幅值大小，可以看到共振時的頻率，也就可以得到懸臂梁的固有頻率。  （5）自由衰減法：在結(jié)構(gòu)被激起自由振動時，由于存在阻尼，其振幅呈指數(shù)衰減波形，可算出阻尼比。五、實驗原理(1)實

7、驗原理圖：圖5-1(2)應(yīng)變片R1 R2 R3 R4接線圖圖5-2(3)等強度梁拉力及彎矩測量原理 初始平衡條件：，此時。由，可得：實驗中采用全等臂電橋，。六、實驗步驟 1.按要求，把各實驗儀器連接好接入電腦中，然后在懸臂梁上粘緊壓電式加速度傳感器打開計算機。  2.打開計算機，啟動計算機上的“振動測試及譜分析“vi ”。  3.選擇適當(dāng)?shù)牟蓸宇l率和采樣點數(shù)以及硬件增益。點擊 LabVIEW 上的運行按鈕（Run）觀察由脈沖信號引起梁自由衰減的曲線的波形和頻譜。  4.嘗試輸入不同的濾波截止頻率，觀察振動信號的波形和頻譜的變化。

8、60; 5.嘗試輸入不同的采樣頻率和采樣點數(shù)以及硬件增益，觀察振動信號的波形變化。  6.根椐最合適的參數(shù)選擇，顯示最佳的結(jié)果。然后按下“結(jié)束按鈕，完成信號采集。最后我選擇的參數(shù)是：采樣頻率sf 為500HZ,采樣點數(shù)N為500點。 7.記錄數(shù)據(jù)，copy讀到數(shù)據(jù)的程序，關(guān)閉計算機。七、實驗數(shù)據(jù)及其分析1.電阻應(yīng)變片的標(biāo)定 （1)貼片 貼片方法如實驗一所述。 (2)連接電路應(yīng)變片的電橋連接，導(dǎo)線1、2、3、4分別連接動態(tài)電阻應(yīng)變儀的四個接口。如圖7-1所示。圖7-1將動態(tài)電阻應(yīng)變儀接到數(shù)據(jù)采集卡，然后接入電腦Labview軟件。如圖所示。圖7-2圖7-3(3)電阻

9、應(yīng)變片彎矩標(biāo)定先將測量-校準(zhǔn)開關(guān)置“正校”，校準(zhǔn)值開關(guān)置“100”，靈敏度置“2”，高頻上限置“10kHz”AC/DC置“DC”。開啟電源，表上顯示1V，表示。將測量-校準(zhǔn)開關(guān)置“測量”，按紅色按鈕，調(diào)零，彎矩標(biāo)定數(shù)據(jù)如表所示。圖7-3M/Kg123454321V/V0.731.462.202.943.682.952.221.490.75表1全臂電橋?qū)嶒灁?shù)據(jù)表計算系數(shù) 在Excel中將得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，得到的曲線圖如圖7-3所示?？梢钥闯觯敵鲭妷褐蹬c輸入配重值基本呈線性關(guān)系。圖7-43.等強度梁結(jié)構(gòu)參數(shù)計算用砝碼自由落體模擬階躍激勵信號，通過對輸出信號的分析，計算等強度梁的固有頻率和阻尼比系數(shù)

10、，如圖2-5所示為采集到的信號。 圖7-4時域響應(yīng)圖數(shù)據(jù)處理： 截取一部分?jǐn)?shù)據(jù)如圖2-6所示 得到的穩(wěn)態(tài)值為-0.03，取5個峰值計算，每相鄰兩個求，然后求均值。其中。編號1234峰值0.060.050.030.0150.090.080.060.0450.1270.2870.2870.127 由公式，計算系統(tǒng)阻尼比為：取5個相鄰周期計算周期值編號123450.150.20.150.20.25系統(tǒng)周期為系統(tǒng)的有阻尼固有頻率為系統(tǒng)無阻尼固有頻率為實驗四 扭矩測試與標(biāo)定實驗一、實驗?zāi)康膶W(xué)會制定梁的彎矩和拉力傳感器制作方法；學(xué)會金屬電阻應(yīng)變片的標(biāo)定方法；學(xué)會通過彎矩信號推導(dǎo)等強度梁垂向結(jié)構(gòu)參數(shù)（固有頻

11、率和阻尼比系數(shù)）二、實驗儀器電阻應(yīng)變片、LC1002動態(tài)應(yīng)變儀、數(shù)據(jù)采集卡、萬用表、502膠水、砂紙、醫(yī)用酒精、鑷子、剪刀、導(dǎo)線、電烙鐵、焊錫膏、焊錫絲、砝碼5個、電腦一臺。3、 實驗內(nèi)容（1）在軸上粘貼金屬電阻應(yīng)變片，并自行組橋，用于測量扭矩，并進行標(biāo)定；（2）采用階躍響應(yīng)法測量軸的固有頻率和阻尼比系數(shù)；四、實驗依據(jù) 1.測試軸扭矩測試值的計算公式為式中 i測試軸表面的剪應(yīng)力 MPa Ki標(biāo)定值 me / V Ui被測軸實測信號的電平 V2.測試軸(彈性模量Ei，泊松比ui)測點處的外徑為D，其斷面的抗扭模量為；剪應(yīng)力為5、 實驗步驟 1.電阻應(yīng)變片的標(biāo)定 (1)在實驗室用25mm實心小軸(

12、2Cr13不銹鋼，彈性模量E =205GPa，泊松比u = 0.253)對扭矩進行標(biāo)定。在小軸上沿與軸線成45°方向粘貼4片電阻應(yīng)變片，并按組成全橋測試電路，并依次接入扭矩測試系統(tǒng)中。小軸端部裝有0.3m長的臂，在臂端懸掛標(biāo)準(zhǔn)砝碼。（2）貼片：在直徑30mm試驗軸上沿與軸線成45°方向粘貼4片電阻應(yīng)變片。 圖5-1 圖5-2（3）連接電橋與電路采用全橋測試電路，導(dǎo)線1、2、3、4分別連接動態(tài)電阻應(yīng)變儀的四個接口。將動態(tài)電阻應(yīng)變儀接到數(shù)據(jù)采集卡，然后接入電腦Labview軟件。（4）扭矩標(biāo)定 小軸端部裝有0.3m長的臂，在臂端懸掛標(biāo)準(zhǔn)砝碼。砝碼質(zhì)量從零開始，每次增加1kg，一

13、直加到5kg。記下不同質(zhì)量砝碼使扭矩測試系統(tǒng)產(chǎn)生的電壓值V。標(biāo)定結(jié)果如圖所示。 圖5-3圖5-4將電壓輸出轉(zhuǎn)化為扭矩輸出得到靈敏度為6、 實驗數(shù)據(jù)及其分析1.扭矩標(biāo)定值的計算（1）小軸的抗扭截面模量:（2）每千克標(biāo)準(zhǔn)砝碼對標(biāo)定小軸產(chǎn)生的扭矩為，此時小軸表面的剪應(yīng)力為（3）相應(yīng)沿與軸線成45°方向的應(yīng)變?yōu)椋?）0.3m長的臂端砝碼重量從零開始，每次增加1kg，一直加到5kg。記下不同重量砝碼使扭矩測試系統(tǒng)產(chǎn)生的電壓值，并算出平均每增加1kg砝碼軸扭矩測試系統(tǒng)產(chǎn)生的電壓值，由此得出各測點剪應(yīng)力的標(biāo)定值。 對于外徑為150mm內(nèi)徑為50mm的軸，其斷面的抗扭模量： 求得扭矩標(biāo)定值：2.等強度梁結(jié)構(gòu)參數(shù)計算用砝碼自由落體模擬階躍激勵信號，通過對輸出信號的分析，計算等強度梁的固有頻率和阻尼比系數(shù)，如圖為采集到的信號。圖6-1數(shù)據(jù)處理： 截取一部分?jǐn)?shù)據(jù)如下圖所示圖6-2 得到的穩(wěn)態(tài)值為0.004，取5個峰值計算，每相鄰兩個求，然后求均值。其中。編號12345峰值0.0460.0420.0400.0430.04