工程测试实验报告

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实验一   电阻应变片的粘贴与应用——单臂电桥性能实验

一、实验目的：了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。

二、基本原理：电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：

式中为电阻丝电阻的相对变化，为应变灵敏系数，为电阻丝长度相对变化，金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转换被测部位的受力状态变化，电桥的作用是完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。单臂电桥输出电压_O1。

三、需用器件与单元：应变式传感器实验模块、应变式传感器、砝码、数显表、±15V电源、±4V电源、万用表（自备）。

四、实验步骤：

1. 预清洗 ；

2. 除锈、粗化  一般多采用砂布打磨法，除掉试件表面的锈渍使其露出新鲜的金属表层，以便使胶液充分浸润以提高粘贴强度。用细砂布沿着与所测应变轴线成方向交叉轻度打磨，使试件表面呈细密、均匀新鲜的交叉网纹状,这样有利于充分传递应变，打磨面要大于应变片的面积

3. 划定位基准线  根据应变片尺寸，利用钢板尺、高度尺、划线针或硬质铅笔划出确定应变片粘贴位置的定位基准线。划线时，不要划到应变片覆盖范围内；

4. 清洗  一般采用纯度较高的无水乙醇、用尖镊子夹持脱脂棉球蘸少量的乙醇粗略地洗去打磨粉粒，然后用无污染的脱脂棉球蘸乙醇仔细地从里向外擦拭粘贴表面，擦一次转换一个侧面再擦，棉球四面都用过，更换新棉球用同样的方法擦洗，直到没有污物和油渍为止。应变片背面也要轻轻擦拭干净，干燥后待用。

5．在无灰尘的条件下，用清洗过的小螺丝刀蘸取少量502胶液，在清洗好的试件粘贴表面和应变片背面单方向涂上薄而均匀的一层胶液(单方向涂抹，以防产生汽泡)，放置少许时间，待涂胶的试件和应变片上胶液溶剂挥发还带有粘沾性时，将应变片涂胶一面与试件表面贴合，并注意应变片的定位标应与试件上的定位基准线对齐。在贴好的应变片上覆盖一层聚四氟乙烯薄膜用手指单方向轻轻按压，将余胶和气泡挤出压平。手指按压时不要相对试件错动，按压3～5分钟后，放在室温下固化待用

6．接桥 连接电路。

7、根据图1-1应变式传感器已装于应变传感器模块上。传感器中各应变片已接入模块的左上方的R ₁、R ₂、R ₃、R ₄。加热丝也接于模块上，可用万用表进行测量判别，R ₁= R ₂= R ₃= R ₄=350Ω，加热丝阻值为50Ω左右。

8、接入模块电源±15V（从主控箱引入），检查无误后，合上主控箱电源开关，将实验模块调节增益电位器Rw₃顺时针调节大致到中间位置，再进行差动放大器调零，方法为将差放的正、负输入端与地短接，输出端与主控箱面板上的数显表电压输入端Vi相连，调节实验模块上调零电位器Rw₄，使数显表显示为零（数显表的切换开关打到2V档）。关闭主控箱电源。

9、将应变式传感器的其中一个应变片R ₁（即模块左上方的R ₁）接入电桥作为一个桥臂与R ₅、R ₆、R ₇接成直流电桥（R ₅、R ₆、R ₇模块内已连接好），接好电桥调零电位器Rw ₁，接上桥路电源±4V（从主控箱引入）如图1-2所示。检查接线无误后，合上主控箱电源开关。调节Rw ₁，使数显表显示为零。

10、在电子秤上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值。

11、 

表1-1  单臂电桥输出电压与加负载重量值

11、根据表1-1计算系统灵敏度S，S=（输出电压变化量；重量变化量）  s=-0.0010

最小二乘式为  y=-0.0010x  测得未知的砝码显示为， 则y=1.94v带入得  x=1940g

五、实验注意事项 

 1．不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。 2．电桥的电压为±5V，绝不可错接成±15V

实验二热电偶测温性能实验

一、实验目的

    1、熟悉热电偶传感器测温的原理及测量系统构成；

2、掌握热电偶传感器静态特性的测定方法；

3、掌握热电偶传感器时间常数τ的测定方法。

二、实验设备及器件

图1 系统总体框图

加热杯、K型热电偶（STTT-R, STTT-V两种）、NI USB-6009数据采集卡、隔离变送器、WD990微机供电电源、温度计、连接导线，一次性纸杯。

图2热电偶

   

图3 数据采集卡USB-6009                     图4 隔离变送器

三、实验步骤

1、实验前准备

（1）将WD990微机电源12V接线端与隔离变送器的热电偶电源接线柱红端相连，电源地接线端与隔离变送器黑色接线柱相连。将一条BNC线连接到隔离变送器热电偶输出BNC接口上，用导线将BNC线的红色夹子与数据采集卡的AI0管脚相连，黑色夹子与数据采集卡任意GND管脚相连。最后将NI USB-6009数据采集卡用USB线与PC机连接。

（2）打开WD990微机电源，给隔离变送器供电。

（3）分别向加热杯和纸杯中倒入略多于半杯的凉水，能没过温度计金属头即可。

（4）将水银温度计插入电热杯杯盖上一个较大的孔中，从STTT-R, STTT-V两种热电偶中任选一种，把热电偶传感器探头插入杯盖上较小的口中，然后绑到水银温度计底部金属柱上，将另一端两根导线连接到黑盒子热电偶的IN输入端，STTT-R绿接红（STTT-V红接红），白接黑，接好后将杯盖盖到电热杯上。

（5）打开桌面“温度测试系统”测量软件，输入小组成员学号姓名，点击热电偶按钮进入热电偶测温界面。点击静态测试按钮，测量几组数据，与水银温度计进行比较，如没问题，点击清空数据，准备进行静态测试。

（6）实验开始前，请仔细阅读注意事项。

2、静态特性的测量

（1）在20℃-90℃间任意选取10-15个温度作为采样点(最后一点温度不低于80℃)，写入热电偶测温界面右上方表格中“温度输入”一栏。

（2）将加热杯通电，观察温度计温度。

（3）当水银温度计温度到达采样温度时，点击热电偶测温界面上的静态测试按钮（快捷键F1），数据采集卡将会启动，采集实测热电偶放大后的电压，测温软件会将实测电压和其对应温度一起写入测温界面中的表格。

（4）重复（3）操作，直到采完所有待测温度。

（5）点击测温界面上的拟合按钮，对表格中的数据进行最小二乘法拟合，完成静态测试。

（6）将加热杯断电，准备进行动态测试。

3、动态特性的测量

（1）将传感器探头连同温度计和杯盖拿起来，把传感器探头置于纸杯中冷却一定时间(30秒以上)，注意不要碰翻纸杯，点击测温界面动态测试按钮，弹出动态测试选项界面，选择你所使用的热电偶型号，采样频率和采样时间保持默认即可。

（2）准备好后点击开始按钮并在2秒内将传感器连同杯盖一同盖回断了电的加热杯上，注意不要接触杯底和侧壁，以免对测试结果造成影响。等测试完毕后，将会弹出动态测试曲线图，点击“OK”后弹出对话框，选择保存结果（如对测试结果不满意，可不保存测试结果，将传感器放回纸杯中，重新进行（1）（2）操作）。软件自动退回测温界面，并在热电偶测温界面上绘制动态测试曲线图。

（3）在测温界面上点击保存文件，保存本次测试的动静态实验数据。

（4）在测温界面上点击生成报表，生成Excel文档，小组成员需在课下处理（4）（5）步保存的文件并将处理结果写入实验报告中。

（5）在测温界面上点击退出程序，程序将返回登陆界面，如全部实验均已完成，点击退出系统。

四、注意事项

       1.实验过程中，注意保管好水银温度计，尤其是电热杯和纸杯接水后，一定要注意不要碰洒杯中的水，以免烫伤或造成仪器设备进水漏电损坏。

       2.数采卡与电脑联通后，电脑桌面右下角会弹出发现NI USB-6009，同时数采卡上LED灯会闪烁。有些电脑机箱前端USB接口接触不良，可使用后端USB接口，如采集途中出现错误，请检查采集卡是否工作。

       3.热电偶变送器需预热3到5分钟后才能正常工作，因此需先接通电源。

       4. 如采集温度与温度计温度差值超过5℃，请检查各路连线是否接好或短接，电源是否开启。

       5.静态测试过程中，如出现单次采集失误，点击“采集数据”表格上方的“清除最后一组数据”按钮，如要重新采集，点“静态测试”右边“清空数据”或退到登陆界面重新进入。

6.“保存文件”按钮操作会在桌面上的“测温实验数据”文件夹中添加一个以小组成员名字命名的文件夹，并将静动态实验结果保存在其中，重复实验新数据将会覆盖旧数据。“生成报表”按钮也将生成的Excel报表放入该文件夹下。

    7.动态测试中，在测量STTT-V型热电偶时，由于其响应速度非常快，一定要注意不要触底和侧壁。

    8.所有实验完成后，关闭电源，将实验仪器放回原处。

五、实验数据处理（注明热电偶类型）：

1．测量数据

表1 热电偶测温性能数据

2．计算热电偶静态特性

       RONH.txt中保存着静态测试的数据，根据数据计算以下参数：

最小二乘法拟合：

Σx=350，Σy=14.07，ΣxΣy=760.1，Σx^2=20300

k=(NΣxy-ΣxΣy)/(NΣx^2-(Σx)^2)=0.02

b=y(平均)-a*x（平均）=1

拟合方程为：y=1+0.02x

（1）       线性度

线性度δ=ΔYmax/Yfs*100﹪  其中，ΔYmax表示输出值的最大量，Yfs表示满量程输出

δ==0.77﹪

       （2）灵敏度   有最小二乘法得到的拟合方程知：k=0.02V/℃

       （3）拟合直线的斜率（系数1）和截距（系数2）

斜率（系数1）k=0.02；截距（系数2）b=1

3．计算热电偶动态特性

       RODT1.txt中保存着动态测试的数据，根据其值和静态测试的结果计算如下参数：

        a.初始电压：U0=1.437v；

b.稳态电压：Ue=2.658v；

c.时间常数：  由公式得到=7.5s

第二篇：材料测试技术综合实验报告

扫描电子显微镜（SEM）

一、实验目的

（1）、了解扫描电镜和能谱仪的结构与原理

（2）、学会制作扫描电镜的样品

（3）、通过实际分析，明确扫描电镜和能谱仪的用途。

二、实验原理

1、扫描电镜

扫描电镜以电子束作为照明源，把聚焦的很细的电子束以光栅状扫描方式照射到试样上，产生各种与试样性质有关的信息，然后加以收集和处理从而获得微观形貌放大像。

1.1扫描电镜结构

扫描电镜的主要构造分5部分：包括电子光学系统、信号收集与显示系统、真空系统。

1.2扫描电镜成像模式

二次电子成像：

二次电子是指样品中被入射电子轰击出来的核外电子。二次电子信号强度对样品表面和电子束相对位置极为敏感。凸出的尖端、小颗粒以及比较陡的斜面处二次电子产额多，在荧光屏上这些部位的亮度较大；平面上二次电子产额较小，亮度较低，同时深的槽底部衬度也较暗。

二次电子主要用于分析样品的表面形貌和断口形貌。

背散射电子成像：

背散射电子是指被固体样品中的原子核反弹回来的一部分入射电子。

对于形貌衬度分析时，成像单元大而使分辨率低，，故一般不用其进行形貌分析。

原子序数衬度原理：样品中原子序数较高的区域收集到的背散射电子数量多。因此，重元素区域相对于图像上是亮区，而轻元素则为暗区。因此可以定性地进行成分分析。

2、能谱仪

能谱仪是利用不同元素X射线光子特征能量不同这一特点来进行成分分析的。

功能：

1、 定点分析：得出分析点微区的全部元素的谱线。

2、线分析：得到某一元素在指定路径上的浓度分布曲线。

3、面分析：得到某一元素在指定区域内的面分布含量。亮区表示这种元素含量较高。

三、实验过程

1、样品制备

扫描电镜对样品的基本要求：干净、干燥、导电，不发光、不发热、磁芯弱。

样品为渗碳钢块样，故按照块状金属样品制备方法制样。

1） 切割。样品大小正好适中，无需切割。

2） 研磨。用502胶将薄片状样品和橡胶头或树脂头在一起。先后用400、800、1200、2000、5000

号砂纸将表面氧化物和渗碳层磨掉。每换一号砂纸以上一号砂纸留下的划痕基本磨掉为根据。

3） 抛光。用在抛光机上，加铬粉抛光液进行抛光。

4） 腐蚀。用5%硝酸和95%的酒精配的腐蚀液进行腐蚀，时间为20s左右。用镊子夹出用清水冲洗，

然后干燥、冷却样品。

2、 装样品。用导电胶将金属块和样品座粘结起来，吹尽样品表面的灰尘，然后用专业镊子夹着放

入样品室。

3、 抽真空。

4、 根据需要选择成像模式进行扫描电镜图像拍摄。

四、实验结果及分析

图一：组织形貌像的二次电子像 图二：组织形貌像的背散射电子像

由图一和图二知，钢块晶体晶粒无固定形状，大小不一致，晶界清晰可见，晶界处有析出相和较大的孔洞。由图二知，基体像较亮，故其中的成分原子序数较大。

图三：晶界处的相组织 图四：晶粒的大小

由图三可以看出，晶界处析出相为层状组织加点状组织。经查阅文献知，这是珠光体的典型组织相。由图四知，晶粒的平均尺寸在25um左右。晶界处的空洞有2um左右，这种空洞对钢材料的性能会有很大的影响，如有效承载面积减少，引起应力集中等。为提供改善工艺措施提供了依据。

图五：表面渗碳层的二次电子像 图六：表面渗碳层的背散射电子像

该图为钢样品内孔的表面渗碳层，保留的比较完好。由图五知，渗碳层的厚度60um左右，其中的相组织有分布不均匀的球状颗粒，最大者有15um左右，由图六知这种球状体中含有原子序数较大的元素。

图七：外表面层的二次电子像 图八：外表面层的背散射电子像

由图可知，外表面渗碳层研磨后呈疏松状，有和内表面相同的球状粒子。对此点进行能谱分析，由结果可知，主要含量为Fe、C、O，Fe：C：O=4:2.5:1.

粉末样品制备：

1、将粉末加入干净的烧杯中，