本书面向工程实践,介绍了参量检测与控制课程的相关实验,较为全面地反映了现代测试领域的新技术和新方法。全书共分为12章,内容涉及温度的测量与控制、电测应力、信号检定、位移测量、热学检测、光学检测、压力检测、流体参量检定、磁性能参数测量、电化学参量检测、虚拟仿真及综合检测等方面。每个实验既阐明了实验目的、基本原理与实验内容,又详细介绍了实验设备、实验步骤和方法、注意事项以及对实验报告的要求,同时还在大部分实验之后附有思考题,旨在帮助实验操作者能更好地理解和掌握实验的目的和原理。
本书为清华大学材料学院本科生公共实验技术方法课的实验教材,基于教学改革的需要,特别把计算机技术应用到部分实验中,使实验手段更为先进,实验内容更为丰富,因此,也可供其他相关专业的本科生及研究生选用,还可以作为有关工程技术人员学习和应用测试技术的参考书。
(1)教材内容紧跟材料分析测试技术发展趋势,注重人才素质、创新意识、创造能力、工程意思的培养。
(2)突出专业特色、深浅度适中,注重动手能力、分析问题解决问题的能力。教材不但为后继的专业课提供必要的检测基础知识,而且对学生今后走向科研工作岗位起到很好的培训作用。
(3)教材内容丰富,本课程包含材料性能(磁、热、光、电)表征过程中涉及到的多种检测设备的原理及方法,内容极其丰富,它不但是基础理论知识的再现,其中涉及的许多知识也是各种应用技术的基础。构建材料性能表征与现代检测技术的“接口”,是《实验参量检测与控制教程》的主要目的。
随着科学技术的迅猛发展,材料科学的研究和发展在我国国民经济及科技发展中占有重要地位。材料科学的发展基于材料工作者对材料本质的充分认识和把握,这就要求研究人员充分掌握现有分析检测技术,并不断提高现有材料分析检测技术的精度。各类材料专业的学生作为未来材料研究的工作者,学习和掌握材料分析测试方法及有关检测原理和基本技术是十分必要的。
材料类专业要求所培养的学生既要有深厚扎实的基础理论知识,又要具备多方面的实验动手能力,不仅要掌握材料性能测试表征的各种手段,还要了解所用测试设备的工作原理,因此,参量检测与控制实验教学在各类高等院校日益受到重视。由于开设相关实验课程需要投入大量实验设备和师资力量,目前能开设“实验参量检测与控制”课程的材料类高等院校并不多。
本教程由耿志挺担任主编,共分为12章,包括温度的测量与控制实验、电测应力实验、信号检定实验、位移测量实验、热学检测实验、光学检测实验、压力检测实验、流体参量的检定实验、磁性能参数的测量实验、电化学参量检测实验、虚拟仿真实验及综合检测实验等。其中,第1、2、5、7、9、10、12章由耿志挺编写,第3、4章由詹斌编写,第6、8章由刘亭编写,第11章由陈学军编写。
本教材为清华大学材料学院本科生公共实验技术方法课的实验教材,基于教学改革的需要,特别把计算机技术应用到部分实验中,使实验手段更为先进,实验内容更为丰富。通过实验,学生能较好地学习和掌握实验方法、测量原理、各种仪器及传感器的工作原理。实验的目的是培养学生的实验技能,提高学生独立思考问题、分析问题及解决问题的能力。
华北电力大学何青教授对本书进行了认真的审阅并提出了修改意见; 教材获得清华大学本科生教改项目和材料学院教学经费的大力资助,并得到清华大学出版社的大力支持与指导,在此一并感谢!
本教材根据近几年来所进行的实验课内容编写,在编写过程中参考了国内外相关教材、专著、期刊及网络文献相关内容,已列在各章参考文献部分,在此也向本书所引用参考文献的原作者表示敬意和感谢!
同时,由于编写时间及编者水平有限,教材内容中存有不足之处,敬请专家及读者批评指正。
编者2017年8月
第1章温度的测量与控制实验
实验1.1热电偶常规检定实验
1.1.1实验目的
1.1.2实验设备和材料
1.1.3实验原理
1.1.4实验步骤和方法
1.1.5实验报告要求
1.1.6思考题
实验1.2热电偶计算机检定实验
1.2.1实验目的
1.2.2实验设备和材料
1.2.3实验原理
1.2.4实验步骤和方法
1.2.5实验报告要求
1.2.6思考题
实验1.3电子电位差计的检定实验
1.3.1实验目的
1.3.2实验设备和材料
1.3.3实验内容
1.3.4实验报告要求
1.3.5思考题
实验1.4动圈毫伏表的检定
1.4.1实验目的
1.4.2实验设备
1.4.3实验内容
1.4.4实验报告要求
1.4.5思考题
实验1.5数字显示调节仪的检定
1.5.1实验目的
1.5.2实验设备和材料
1.5.3实验内容
1.5.4实验报告要求
实验1.6位式控制炉温实验
1.6.1实验目的
1.6.2实验设备和材料
1.6.3实验原理
1.6.4实验步骤
1.6.5实验数据记录与处理
实验1.7固定PID参数控制炉温实验
1.7.1实验目的
1.7.2实验设备和材料
1.7.3实验原理
1.7.4实验步骤和方法
1.7.5实验注意事项
1.7.6实验报告要求
1.7.7思考题
实验1.8集成温度传感器温度特性实验
1.8.1实验目的
1.8.2实验设备和材料
1.8.3实验原理
1.8.4实验步骤和方法
1.8.5思考题
第2章电测应力实验
实验2.1电阻应变片的粘贴实验
2.1.1实验目的
2.1.2实验设备和材料
2.1.3实验原理
2.1.4实验内容
实验2.2电阻应变片不同桥路连接实验
2.2.1实验目的
2.2.2实验设备和材料
2.2.3实验原理
2.2.4实验步骤和方法
2.2.5实验结果分析
实验2.3应力测量实验
2.3.1实验目的
2.3.2实验设备和材料
2.3.3实验原理
2.3.4实验步骤和方法
2.3.5实验注意事项
2.3.6实验报告要求
2.3.7思考题
实验2.4纯弯曲梁正应力测试实验
2.4.1实验目的
2.4.2实验设备和材料
2.4.3实验原理
2.4.4实验步骤和方法
2.4.5预习要求
2.4.6实验报告要求
2.4.7思考题
实验2.5薄壁圆筒在弯、曲、扭组合变形下应力的测试
2.5.1实验目的
2.5.2实验设备和材料
2.5.3实验原理
2.5.4实验步骤和方法
2.5.5实验报告要求
2.5.6思考题
实验2.6应变式力传感器的静态标定实验
2.6.1实验目的
2.6.2实验设备
2.6.3实验原理
2.6.4实验内容
2.6.5实验报告要求
2.6.6思考题
实验2.7电阻应变片灵敏度系数的测定
2.7.1实验目的
2.7.2实验设备和材料
2.7.3实验原理
2.7.4实验步骤和方法
2.7.5实验结果处理
第3章信号检定实验
实验3.1基本电参量的测量
3.1.1实验目的
3.1.2实验设备和材料
3.1.3实验步骤和方法
3.1.4实验注意事项
3.1.5实验报告要求
3.1.6思考题
实验3.2示波器的使用
3.2.1实验目的
3.2.2实验设备
3.2.3实验原理
3.2.4实验步骤和方法
3.2.5思考题
实验3.3用“李萨如图形法”测量简谐振动的频率
3.3.1实验目的
3.3.2实验装置
3.3.3实验原理
3.3.4实验步骤和方法
3.3.5实验结果与分析
实验3.4简谐振动幅值测量
3.4.1实验目的
3.4.2实验装置框图
3.4.3实验原理
3.4.4实验步骤和方法
3.4.5实验结果与分析
实验3.5简谐波幅域统计参数的测定
3.5.1实验目的
3.5.2实验装置框图
3.5.3实验原理
3.5.4实验步骤和方法
3.5.5实验结果和分析
实验3.6振动系统固有频率的测量
3.6.1实验目的
3.6.2实验装置框图
3.6.3实验原理
3.6.4实验步骤和方法
3.6.5实验结果与分析
3.6.6思考题
实验3.7速度测量实验
3.7.1实验目的
3.7.2实验设备
3.7.3实验原理
3.7.4实验内容
3.7.5实验注意事项
3.7.6实验报告要求
实验3.8电磁波参量的测量
3.8.1实验目的
3.8.2实验设备
3.8.3实验原理
3.8.4实验步骤和方法
3.8.5实验报告要求
3.8.6思考题
第4章位移测量实验
实验4.1电容式传感器位移测量实验
4.1.1实验目的
4.1.2实验设备
4.1.3实验原理
4.1.4实验步骤和方法
4.1.5实验注意事项
4.1.6实验报告要求
实验4.2霍尔式位移传感器实验
4.2.1实验目的
4.2.2实验设备和材料
4.2.3实验原理
4.2.4实验步骤和方法
4.2.5实验报告要求
实验4.3差动变压器位移式传感器的标定
4.3.1实验目的
4.3.2实验原理
4.3.3实验设备和材料
4.3.4实验步骤和方法
4.3.5思考题
4.3.6实验预习及实验报告要求
实验4.4光纤传感器的位移测量
4.4.1实验目的
4.4.2实验设备和材料
4.4.3实验原理
4.4.4实验步骤和方法
4.4.5实验注意事项
4.4.6思考题
实验4.5涡流传感器原理及应用实验
4.5.1实验目的
4.5.2实验设备
4.5.3实验原理
4.5.4实验内容
4.5.5实验报告要求
实验4.6回转轴径向运动误差测试实验
4.6.1实验目的
4.6.2实验设备
4.6.3实验原理
4.6.4实验内容
4.6.5实验报告要求
实验4.7超声波传感器的距离测量
4.7.1实验目的
4.7.2实验设备
4.7.3实验原理
4.7.4实验内容
4.7.5实验步骤
4.7.6实验报告要求
第5章热学检测实验
实验5.1固体比热容的测量实验
5.1.1实验目的
5.1.2实验设备和材料
5.1.3实验原理
5.1.4实验步骤和方法
5.1.5结果分析
5.1.6思考题
实验5.2导热系数的测定实验
5.2.1实验目的
5.2.2实验设备和材料
5.2.3实验原理
5.2.4实验方法
5.2.5实验注意事项
5.2.6实验记录与分析
实验5.3差热分析实验
5.3.1实验目的
5.3.2实验原理
5.3.3实验试剂与仪器
5.3.4实验内容
5.3.5实验注意事项
5.3.6实验报告要求
5.3.7思考题
实验5.4强迫对流单管外放热系数测定试验
5.4.1实验目的
5.4.2实验仪器
5.4.3实验原理
5.4.4实验步骤和方法
5.4.5注意事项
5.4.6思考题
第6章光学检测实验
实验6.1声光调制器
6.1.1实验目的
6.1.2实验设备
6.1.3实验原理
6.1.4实验内容
6.1.5实验注意事项
6.1.6实验报告要求
实验6.2电光调制器的应用实验
6.2.1实验目的
6.2.2实验设备
6.2.3实验原理
6.2.4实验内容
6.2.5实验报告要求
第1章温度的测量与控制实验
实验1.1热电偶常规检定实验
1.1.1实验目的
(1) 掌握用直流电位差计观察热电偶热电现象的方法。
(2) 掌握鉴别热电偶及热电偶补偿导线的方法。
(3) 了解冷端温度对测试温度的影响。
(4) 掌握用常规比较法检定热电偶的方法。
(5) 掌握温度测量与控制系统中的误差来源及处理分析方法。
1.1.2实验设备和材料
(1) UJ36a型直流电位差计、水银温度计;
(2) 温控仪、管式电炉、转换开关;
(3) 铬镍硅(铝)热电偶(EU2)及补偿导线。
1.1.3实验原理
热电偶测温的基本原理是将两种不同成分的金属导体A、B的两端组成闭合回路,当两接合点处温度不同时,回路中会有电流通过,此时两端之间将产生一电动势,即热电势,这一现象就是所谓的热电效应,又被称为塞贝克效应。如图1.1.1所示,热电偶测温时,在回路中接入测量仪表(直流电位差计),此时输入直流电位差计的热电势为
EAB(t1,t0)=EAB(t1)-EAB(t0)
使t0端温度保持不变,则EAB(t0)就为一常数,EAB(t1,t0)只与t1温度有关,通过测量t1端热电动势,就可测出t1端温度。
图1.1.1热电偶测温基本原理
热电偶测温实际上是将热能转换为电能,通过所产生的热电势来测量温度,因此,在用热电偶测温时应注意以下两个问题:
(1) 热电势是指热电偶两端温度函数的差,而不简单是热电偶两端温度差的函数;
(2) 热电势大小只与热电偶电极材质和两端的温差有关,与热电偶的长度和粗细无关。
由于在使用过程中受到外来的腐蚀及电极的高温挥发,热电偶的热电性发生改变,因此必须定期进行检定。常用的方法是比较法,又称双极法,即被检定热电偶与标准热电偶一起放在一个管式电阻炉中进行加热,在同一温度点进行比较。
1.1.4实验步骤和方法
本实验采用的是常规检定方式: 采用手动控制炉温,为了使热电偶的热端温度尽量保持一致,可把它们的热端一同插入耐热金属块空腔内,将它们的冷端共同放在一个冷端瓶中,被测热电偶与标准热电偶通过刀闸或开关与直流电位差计相连接,根据所要求检定的温度进行升温。在每一个检定点被测热电偶与标准热电偶读取数据时,必须在炉温保持只有2℃变化的情况下,进行多次测量取多点读数,并通过计算得到该点被校热电偶与标准热电偶的温差值。
炉温控制采用的是ZK1型可控硅电压调整器,其工作原理是通过调节输入电压值,使电阻炉升温或恒温,由触发器产生相应的触发脉冲相移,调节可控硅(3CT)管的导通角,由导通角的大小来调节电炉输入电压值的百分比,从而实现对炉温控制的调节。
(1) 按图1.1.2装好标准热电偶和被检定热电偶及监测炉温波动用的热电偶,3只热电偶的热端放置在管式电阻炉的中心位置,并将热电偶的冷端插入到冷端瓶中,记录冷端温度。
(2) 接通ZK1型可控硅调压器,将电源开关扳到“开”“测量设定”的开关扳到“测量”位置,设定上限温度,调节旋钮,使电压达到95%左右,并观察电流表是否有指示。
图1.1.2热电偶检定实验原理图
1—调电压主回路; 2—管式电阻炉; 3—标准热电偶; 4—被检定及监测热电偶; 5—XWD400自动电位差计; 6—支架; 7,8—铜导线; 9—冷端瓶; 10—刀闸; 11—UJ36直流电位差计
(3) 根据被检定EU2热电偶检定点300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃、750℃、800℃调节可控硅调压器,用UJ36a型直流电位差计不停地进行测量。当温度达到检定点前50℃时调节可控硅调压器,使给定电压接近该检定点所需的热平衡电压,每个检定点的温度,不得偏离检定点要求实测温度的±10℃。保持炉温每分钟内变化的温度不超过±2℃,同时用电位差计测量并记录该检定点的热平衡电压及电流值。读数时从标准热电偶开始,按照“标准热电偶”→“被检定热电偶”→“被检定热电偶”→“标准热电偶”的循环顺序依次读数,每个检定点进行3次循环读数并记录数据。
……