工程测试技术实验

指导书

（单行本）

《多物理量测量方法及实验数据误差分析》实验（风机实验台）

华中科技大学

能源与动力工程学院

《工程测试技术》教学小组

二〇##年五月

目   录

一、《工程测试技术》实验教学说明

《工程测试技术》实验是大机类基础平台课程《工程测试技术》的配套实验课程，是课程教学的重要实践环节，是帮助很好地理解和掌握课程基本理论知识，锻炼和加强学生实验动手能力十分重要的教学和学习环节。

1.1.      实验课程说明

（1）实验课程名称：《工程测试技术》实验

The experiment of the measurement technology for engineering

（2）实验课程编码：

实验课程性质（必修/选修）：必修

（3）学时学分：全部实验总学时24学时，完成全部实验：1.5学分，折合每个实验4学时/0.25学分

（4）先修课程

高等数学、大学物理、材料力学、概率与数理统计、工程热力学（或传热学）、工程流体力学、数值计算方法、测试技术等课程。

1.2.      实验性质、目的和任务

本实验为《工程测试技术》等基础课程的配套实验，主要完成综合实验，包括压力、功率、转速、流量等基本物理量的测量，还可进行测量仪器仪表及传感器的标定实验，并进行测试数据的误差分析训练。通过本实验，使学生加深对测试技术及基本理论的理解，提高对试验技术重要性的认识，了解计算机技术在测试技术自动化方面的应用，同时进一步了解测试技术自动化在专业技术中的应用，培养和提高学生的实验动手能力，使学生的创新能力在测试软件编程过程中得以锻炼和体现。实验的主要任务是：熟悉各种物理量的测量方法，完成实验数据的误差分析，了解计算机技术在测试领域中的应用方法。

实验课程含有6个实验，可根据课程教师的教学要求选择部分、或部分组合、或全部实验内容。

1.3.      适用学科专业

本实验适用以下专业：

（1）能源与动力工程一级学科的各专业方向

（2）大机械类的各专业方向

1.4.      试验内容及时间安排

（1）《多物理量参数测量方法及实验数据误差分析》，4学时/0.25学分；

（2）《应变式压力传感器及测压系统的静态标定》，4学时/0.25学分；

（3）《电阻温度计测温系统及热电偶温度计的标定》，4学时/0.25学分；

（4）《振动测量及实验数据分析》，4学时/0.25学分；

（5）《测功机校正及实验数据分析》，4学时/0.25学分；

（6）《位移传感器标定分析系统及实现》：  4学时/0.25学分；

1.5.      教材及参考书

1、热能与动力工程测试技术，郑正全主编，华中科技大学出版社，各版本

2、水力机械测试技术，李建威主编，机械工业出版社出版，各版本

3、热工测量原理及其现代技术”，张秀彬主编，上海交通大学出版社

1.6.      考核及成绩评定方式

考核成绩主要通过对学生的面试、操作、实验报告等三方面的测试进行评定实验成绩，其中面试10分，操作15分，实验报告75分，满分100分。

二、《多物理量测量方法及实验数据误差分析》(风机实验台)

2.1.实验目的和要求

            通过在风机特性综合试验台上对若干常见物理量的测量（压力测量、流量测量、功率测量、转速测量），和综合量的间接测量（风机效率的测量），了解测量一般方法，掌握误差传递的基本概念和计算方法，进一步理解测量误差分析的含义，达到测试技术综合训练的目的。

2.2.实验装置

2.2.1. 风机实验台

风机性能实验系统分压入式测试系统和抽出式系统。本试验系统为抽出式风机性能试验台，该试验台自动测试系统的实体如图2－1，结构如图2－2，实验台系统框图如图2－3示。

图2－2和图2－3中：

2.2.2. 风机实验数据采集处理控制系统

 风机实验数据采集处理控制系统通过A/D转换，将采集的模拟信号转化为所需要的数字信号，其主要功能是完成风机运行时实验系统原始数据的采集、传输、分析、显示及打印出实验报告等。

其特性参数微机测控系统结构框图如图2-3所示。

实验的软件设计流程图如图五所示。

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               

图2-4 实验软件设计流程图

2.2.3. 风机实验数据符号说明

2.3.实验原理

2.3.1. 实验原理

本实验中用的压力传感变速器，分别对进口集流器后和风管测压处进行压力测量，传感器的输出量为直流电压值，其电压值与压力值对应，单位为伏（V），量程为0—5V_DC。

①用压力测量公式(1)计算进气管道压力P_std =a₁+b₁V₁                      (2－1)

用压力测量公式(2)计算进口集流器后的压力   

           ΔP=a₂+b₂V₂                                                  (2－2)

式中：V_{1 、}V₂ 为电压值，单位mV（测试仪表显示值）

a₁ a₂ b₁ b₂为系数，由压力传感器标定值得到

   a₁ =a₂ = -300 Pa   b₁ =b₂=0.12Pa/mV

②测量转速：采用红外光电转速传感器测量转速，计算公式为

             n = 60Fn/Kn                                          (2－3)

式中   F_n为测试仪表显示频率数，

       Kn为光电盘孔数，本实验中Kn= 4。

③电动机输入功率Nm用（2－4）计算：

            Nm＝A_n＋B_nV₃                                                           (2－4)

V₃为电压值，单位： mV（测试仪表显示数） 。

A_n、B_n为系数项，由对压力传感器标定后得到

         A_n＝0、B_n＝0.022W/mV

2.3.2. 实验数据处理公式及表格

1）通风机流量Q：，m³/min，其中为流体介质密度。 (2－5)

2）大气密度==,kg/m³                                            (2－6)

3）风机进口动压P_d1，                         (2－7)

4）风机进口压力损失                                         (2－8)

5）风机进口全压                              (2－9)

6）风机出口全压 ，其中=0                   (2－10)

7）风机全压                           (2－11)

8）风机静压                                                       (2－12)

9）风机的轴功率N_d，N_d =Nm·η_e 其中η_e为电机效率，取η_e =0.65             (2－13)

10）风机的全压效率η,                                            (2－14)

11）风机的静压效率η_st,                                       (2－15)

风机实验的记录表格

大气压力Pa=____Pa,大气温度t_a =_____ºC.

2.4.实验方法及步骤

①检查实验装置是否完好，无误后启动实验台总开关；

②开启计算机数据采集分析系统电源,进入实验平台系统；

③关闭进风口，开启风机电源；待风机、计算机正常运行1分钟后，用圆纸片调节风机流量，在等转速下，进行风机参数ΔP 、P_std 、N、 n的测量，共进行8~12个工况点。

注意事项：

①、 检查实验系统各设备是否安装正确；

②、 检查风机转动是否灵活；

③、 检查管路开关是否灵活；

④、 风机启动前，检查：如风机进、出口应无堵塞；启动后，检查转动方向是否正确；

⑤、 额定工况点的参数取风机铭牌数据。

⑥、 注意：操纵要认真细致、思想集中，确保人身和设备安全。

2.5实验报告要求

①填写风机实验数据记录表格，并计算表格中的其他参数。

②在一张座标图（Q为横座标，单位为m³/min；P（Pa）、（Pa）、、、（W）为纵坐标）上绘制P-Q, -Q, η-Q, η_st –Q，N_d –Q 曲线。

③对风机性能曲线进行分析。

④要求使用正规的实验报告纸书写实验报告。

三、参考文献

1、热能与动力工程测试技术，郑正全主编，华中科技大学出版社，各版本

2、水力机械测试技术，李建威主编，机械工业出版社出版，各版本

3、热工测量原理及其现代技术”，张秀彬主编，上海交通大学出版社

第二篇：工程测试技术实验指导书20xx

实验一 典型信号频谱分析

一、  实验目的

1、 在理论学习的基础上，通过本实验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。

2、 了解信号频谱分析的基本方法及仪器设备。

二、  实验原理

本实验利用在DRVI上搭建的频谱分析仪来对信号进行频谱分析。由虚拟信号发生器产生多种典型波形的电压信号，用频谱分析芯片对该信号进行频谱分析，得到信号的频谱特性数据。分析结果用图形在计算机上显示出来，也可通过打印机打印出来。

三、  实验仪器和设备

      1. 计算机                      n台
2. DRVI快速可重组虚拟仪器平台   1套
3. 打印机                      1台

四、  实验步骤及内容

 1. 启动服务器，运行DRVI主程序，开启DRVI数据采集仪电源，然后点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的"DRVI采集仪主卡检测"进行服务器和数据采集仪之间的注册。

2. 点击"实验脚本文件"的链接，将本实验的脚本文件贴入并运行，实验截屏效果图如图2所示。

图1 典型信号频谱分析实验原理设计图

图2 典型信号频谱分析实验

3. 点击DRVI"典型信号频谱分析"实验中的"白噪声"按钮，产生白噪声信号，分析和观察白噪声信号波形和幅值谱特性。

4. 点击DRVI"典型信号频谱分析"实验中的"正弦波"按钮，产生正弦波信号，分析和观察正弦波信号波形和幅值谱特性。

5. 点击DRVI"典型信号频谱分析"实验中的"方波"按钮，产生方波信号，分析和观察方波信号波形和幅值谱特性。

6. 点击DRVI"典型信号频谱分析"实验中的"三角波"按钮，产生三角波信号，分析和观察三角波信号波形和幅值谱特性。

7. 其余依此类推，分析和观察信号波形和幅值谱特性。

五、  实验报告要求

  1、简述实验目的和原理。

2、整理该实验的设计原理图

3、按实验步骤整理出正弦波、方波、三角波、白噪声以及其他波形的时域和幅值谱特性图形，说明各信号频谱的特点。

4、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。

六、  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、在DRVI快速可重组平台上面搭建一个“频谱分析仪”需要采用哪些软件芯片？它们相互之间的关系怎样？

实验二 典型信号相关分析

一. 实验目的

1. 在理论学习的基础上，通过本实验加深对相关分析概念、性质、作用的理解。

2. 掌握用相关分析法测量信号中周期成分的方法。

二. 实验原理

1.相关的基本概念

相关是指客观事物变化量之间的相依关系，在统计学中是用相关系数来描述两个变量x，y之间的相关性的，即：

    式中ρxy是两个随机变量波动量之积的数学期望，称之为协方差或相关性，表征了x、y之间的关联程度；σx、σy分别为随机变量x、y的均方差，是随机变量波动量平方的数学期望。

2.相关函数

    如果所研究的随机变量x, y是与时间有关的函数，即x(t)与y(t)，这时可以引入一个与时间τ有关的量ρxy(τ)，称为相关系数，并有：

    式中假定x(t)、y(t)是不含直流分量(信号均值为零)的能量信号。分母部分是一个常量，分子部分是时移τ的函数，反映了二个信号在时移中的相关性，称为相关函数。因此相关函数定义为：

 或

    如果 x(t)=y(t)，则称为自相关函数，即：

 

    若 x(t)与y(t)为功率信号，则其相关函数为：

 

    计算时，令x(t)、y(t)二个信号之间产生时差τ，再相乘和积分，就可以得到τ时刻二个信号的相关性。连续变化参数τ，就可以得到x(t)、y(t)的相关函数曲线。

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。

三. 实验仪器和设备
1. 计算机                      n台
2. DRVI快速可重组虚拟仪器平台   1套
3. 打印机                      1台

四．实验步骤

1.点击“该实验脚本文件”，启动该实验。实验效果图如图所示。

2. 点击DRVI"典型信号相关分析"实验中的通道1的"白噪声"按钮，产生白噪声信号，然后点击通道2的"白噪声"、"正弦波"、"方波"、"三角波"等按钮，分析和观察上述波形与"白噪声"信号进行相关分析后的结果。

3. 点击DRVI"典型信号相关分析"实验中的通道1的"正弦波"按钮，产生正弦波信号，然后点击通道2的"白噪声"、"正弦波"、"方波"、"三角波"等按钮，分析和观察上述波形与"正弦波"信号进行相关分析后的结果。

4. 点击DRVI"典型信号相关分析"实验中的通道1的"方波"按钮，产生方波信号，然后点击通道2的"白噪声"、"正弦波"、"方波"、"三角波"等按钮，分析和观察上述波形与"方波"信号进行相关分析后的结果。

5. 其它信号的相关分析参照以上步骤进行。

五、实验报告要求

1、简述实验目的和原理；

2、整理典型信号相关分析实验的实验原理设计图；

3、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。

六、思考题

1、如何用相关分析法测量信号中的周期成分？

2、如何在噪声背景下提取有用信息？

实验三 力传感器标定及称重实验

一、  实验目的

通过本实验了解和掌握力传感器的测量原理和方法。

二、   力传感器工作原理简介

    电阻应变计是利用物体线性长度发生变形时其阻值会发生改变的原理制成的，其电阻丝一般用康铜材料，它具有高稳定性及良好的温度、蠕变补偿性能。测量电路普遍采用惠斯通电桥（如图3.1所示），利用的是欧姆定律，测试输出量是电压差。

本实验采用的电阻应变计采用的是惠斯通全桥电路，当物料加到载物台后，4个应变片会发生变形，产生电压输出，经采样后送到计算机由DRVI快速可重组虚拟仪器平台软件处理。因为电桥在生产时有一些误差，不可能保证每一个电桥的电阻阻值和斜率保持一致。所以，传感器在使用之前必须要经过线性校正，这是由于计算机得到的是经过采样后的数字量，与真实质量之间是一种线性关系，需要由标定来得到这个关系。

在实验中采用的力传感器是LYB-5-A型应变力传感器具有精度高、复现性好的特点。其外形见图3.2。需要特别强调的是：由于力传感器的过载能力有限（150%），所以，在实际使用过程中应尽量避免用力压传感器的头部或冲击传感器。否则，极易导致传感器因过载而损坏！

              

图3.1 惠斯通电桥                                  图3 .2力传感器实物

三. 实验仪器和设备
1. DRVI可重组虚拟实验开发平台 1套
2. 蓝津数据采集仪（LDAQ-EPP2） 1套
3. 开关电源（LDY-A） 1套
4. 称重台 1个

四、实验步骤

1.选择实验脚本文件“服务器端”的链接，将参考的实验脚本文件贴入DRVI软件平台，如图3.3所示。

图3.3应变式力传感器称重实验（服务器）

2. 首先进行传感器的标定：用标准砝码测定K，b值，取两个点（即分别用两个不同的砝码），计算出K，b的值作为标定结果。具体操作过程为：点击面板上的“运行”按钮，在载物台上放置一个标准砝码100克（或其他大小），然后输入“100（或其他值）”到“试载参数x1”输入框中，然后点击“标定1” 按钮记录下第一点的值；改变砝码的质量，比如300质量的砝码，输入“300”到“试载参数x2”输入框中，然后点击“标定2”按钮记录下第二点的值；再点击“标定结果”按钮，得到K,b标定值。
3 . 标定完毕，即可进行物体测量。将所测物体放在载物台上，然后点击“实测质量”按钮，得到被测物体质量值。再改变质量块的大小，观察和分析计算结果。

五. 注意事项
1. LYB-5-A型传感器的称重或测量不超过2Kg的力（平稳，不含过强冲击）。
2. 不要冲击传感器或在其上施加过大的力，以免因过载而损坏传感器。

六、实验报告要求

1、根据实验内容整理实验结果，并分析和说明检测原理；

2、分析测量误差；

3、应用于称重的传感器还有哪些？简述其工作原理。

实验四、光电传感器转速测量实验

一、  实验目的

1.通过本实验了解和掌握采用光电传感器测量的原理和方法。
2. 通过本实验了解和掌握转速测量的基本方法。

二、  实验原理

 直接测量电机转速的方法很多，可以采用各种光电传感器，也可以采用霍尔元件。本实验采用光电传感器来测量电机的转速。光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、反射式、辐射式四种基本形式。

反射式光电传感器的工作原理见图4.2，主要由被测旋转部件、反光片（或反光贴纸）、反射式光电传感器组成，在可以进行精确定位的情况下，在被测部件上对称安装多个反光片或反光贴纸会取得较好的测量效果。在本实验中，由于测试距离近且测试要求不高，仅在被测部件上只安装了一片反光贴纸，因此，当旋转部件上的反光贴纸通过光电传感器前时，光电传感器的输出就会跳变一次。通过测出这个跳变频率f，就可知道转速n。

n=f

 

图4.1 光电传感器的工作方式图                 4.2 反射式光电转速传感器的结构图

如果在被测部件上对称安装多个反光片或反光贴纸，那么，n=f/N。N-反光片或反光贴纸的数量。

三. 实验仪器和设备
1. 计算机 n台
2. DRVI快速可重组虚拟仪器平台 1套
3. 并口数据采集仪（LDAQ-EPP2） 1台
4. 开关电源（LDY-A） 1台
5. 光电转速传感器（LHYF-12-A） 1套
6. 转子/振动实验台（LZS-A）/(LZD-A) 1 台

四、实验步骤

1、启动服务器，运行DRVI主程序，开启DRVI数据采集仪电源，然后点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标。

2、点击实验脚本文件“服务器端”的链接，运行该实验。如图4.3所示。

图4.3 转速测量实验（服务器端）效果图

3、在电机转子侧面上贴上反光纸，将光电传感器探头对准反光纸，调节传感器后面的灵敏度旋钮至传感器对反光纸敏感，对其它部位不敏感，然后启动实验台，调节转速旋钮使电机达到某一稳定转速。

4、设定合适的门限值，点击面板中的"开关"按钮进行测量，观察并记录测量的转速值，调整传感器的位置，同时观察检测到的转速波形和传感器位置之间的关系，并分析由此带来的测量误差。
5.、调节电机转速至另一稳定转速，再次进行测量。

五、实验报告要求

1、简述实验目的和原理

2、根据实验步骤分析并整理转速测量结果

3、转速测量还可以采用其他哪些传感器进行？

4、采用光电传感器测量转速的精度如何，怎样保证测量的准确性？

实验五 速度传感器振动测量实验

一、  实验目的

通过本实验了解并掌握机械振动信号测量的基本方法

二、  实验原理

CD-21振动速度传感器的基本原理是基于一个惯性质量（线圈组件）和壳体，壳体中固定有磁铁，惯性质量用弹性元件悬挂在壳体上工作时，将传感器壳体固定在振动体上，这样，当振动体振动时，在传感器工资频率范围内，线圈与磁铁相对运动，切割磁力线，在线圈内产生感应电压，该电压值正比与振动速度值，这就是振动速度传感器的工作原理。

三、  实验仪器和设备

1.计算机 n台
2. DRVI快速可重组虚拟仪器平台 1套
3. 速度传感器（CD-21） 1套
4. 蓝津数据采集仪（LDAQ-EPP2） 1台
6. 开关电源（LDY-A） 1套
7. 5芯-BNC转接线 1条
8. 转子实验台（LZS-A） 1 套

四、  实验步骤和内容

1、 将加速度传感器通过配套的磁座吸附在振动实验台底座上，然后将其输出端和变送器的输入端相连，变送器的输出端通过一根带五芯航空插头的电缆和数据采集仪通道连接。

2、 启动服务器，运行DRVI主程序，开启DRVI数据采集仪电源，然后点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标。

3、 点击该实验脚本文件"服务器端"的链接，将参考的实验脚本文件读入DRVI软件平台中并运行。服务器端实验效果示意图如图5.1所示。

图5.1 速度传感器振动测量实验（服务器端）效果图

4.在振动实验台的电机转子上添加试重，启动电机，调整到一个稳定的转速，点击面板中的"开关"按钮，观察和分析所得到振动信号的波形和频谱，点击"多路接线开关"，观察滤波前后振动信号波形和频谱的变化情况并记录实验结果。
5. 关闭电机，在电机转子上改变试重和位置，再次启动电机进行测量，观察和分析所得到振动信号的波形和频谱。
6. 关闭电机，改变速度传感器的测量位置，再次启动电机进行测量，观察和分析随着测量位置的改变，振动信号的波形和频谱的变化情况。

五、实验报告要求
    1、简述实验目的和原理

2、整理和分析实验中得到的振动信号的数据，并分析其结果。

3、常用的振动信号测量方式有哪些？