懸臂梁固有頻率測量.docVIP

上海第二工業(yè)大學名稱：傳感器與測試技術技能實習專業(yè)：機械電子工程班級：13機工A1姓名：學號：2013481指導老師：楊淑珍 孫芳方 實訓地點：14#407目錄一、技能實習內(nèi)容及要求1二、總體方案設計22-1. 測量原理22-2. 測試系統(tǒng)組成22-3. 激勵方法3三、實驗硬的件選用33-1、懸臂梁33-2.傳感器43-3、電荷放大器53-4、采集卡6四、 硬件電路的設計6五、測量軟件設計9六、小結(jié)和體會16一、技能實習內(nèi)容及要求1-1. 內(nèi)容：設計一個測試懸臂梁固有頻率的自動測試系統(tǒng)，懸臂梁如下所示：具體技術要求：能顯示相應所采集到的波形圖、頻譜圖等相關圖能顯示固有頻率能對固有頻率進行超限報警，上下限制用戶可設定生成當前測試報告，（包括相應波形圖和固有頻率值以及合格狀態(tài)）1-2. 實訓要求：1、提出設計方案（提出測量原理，傳感器選用和安裝，構建測試系統(tǒng)）2、設計測量電路（包括放大，濾波電路，制作濾波電路）3、測試軟件設計：利用Labview或其它開發(fā)程序（VB、VC等），設計測量 軟件進行數(shù)據(jù)采集和分析4、調(diào)試5、撰寫實訓報告1-3. 報告要求：1實訓內(nèi)容2.撰寫總體設計方案3.硬件選用（包括傳感器、采集卡的選用和安裝等）4.電路設計（包括測量電路設計，系統(tǒng)總電路）5.測量軟件設計（包括軟件設計流程圖，各功能實現(xiàn)方法和代碼，包括個主程序，子程序描述以及相應的重要參數(shù)設置如采樣通道，采樣頻率，采樣點數(shù)）6.小結(jié)和體會（可包含調(diào)試中遇到的問題）二、總體設計方案2-1測量原理：在測試的過程中，通過脈沖錘敲擊懸臂梁的橫梁產(chǎn)生一個脈沖信號。信號會逐漸衰減，在衰減過程中會有一個時刻衰減到的頻率和懸臂梁的固有頻率相同，我們要找到的就是這個相同的頻率，這個頻率與懸臂梁固有頻率形成共振，那時候的復制達到最大，用labview分析這個值，就可以測出懸臂梁的固有頻率。2-2測試系統(tǒng)的組成：圖1測試系統(tǒng)組成圖測試系統(tǒng)包括下述三個主要部分：激勵部分：實現(xiàn)對被測系統(tǒng)的激勵（輸入），使系統(tǒng)發(fā)生振動。它主要由激勵信號源、功率放大器和激振器組成。拾振部分：檢測并放大被測系統(tǒng)的輸入、輸出信號，并將信號轉(zhuǎn)換成一定的形式（通常為電信號）。它主要由傳感器、放大器組成。分析記錄部分：將拾振部分傳來的信號記錄下來供分析處理并記下處理結(jié)果。它主要由各種記錄設備和頻譜分析設備組成。2-3. 激勵方法：脈沖激勵（脈沖錘）三、實驗硬件的選用3-1、懸臂梁（圖2）梁的一端為不產(chǎn)生軸向、垂直位移和轉(zhuǎn)動的固定支座，另一端為自由端（可以產(chǎn)生平行于軸向和垂直于軸向的力）。 在工程力學受力分析中，比較典型的簡化模型。在實際工程分析中，大部分實際工程受力部件都可以簡化為懸臂梁。本次實驗所要測得的就是懸臂梁的固有頻率。圖2懸臂梁3-2、傳感器 工作原理：壓電式加速度傳感器是基于壓電晶體的壓電效應工作的。某些晶體在一定方向上受力變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當外力去除后，又重新恢復到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為“壓電效應”，具有“壓電效應”的晶體稱為壓電晶體。常用的壓電晶體有石英、壓電陶瓷等。固定方法：其中采用鋼螺栓固定，是使共振頻率能達到出廠共振頻率的最好方法。螺栓不得全部擰入基座螺孔，以免引起基座 變形，影響加速度計的輸出。本次實習采用的是CA-YD-188 壓電式加速度傳感器。結(jié)構圖及實物圖見圖3-1、圖3-2、圖3-3。CA-YD-188 壓電式加速度傳感器圖 3-1結(jié)構圖技術指標：靈敏度：500mV/g 量程：10g 頻率范圍：4-4000Hz 安裝諧振點:15kHz 分辨力：0.00004g 重量：40g 安裝螺紋：M5 mm 線性：1%圖 3-2圖 3-3實物圖圖 3-2實物圖3-3、電荷放大器電荷放大器由電荷變換級、適調(diào)級、低通濾波器、高通濾波器、末級功放、電源幾部分組成?？梢詫鞲衅鬏敵龅奈⑷跣盘栠M行放大，使之容易采集。本次選用的電荷放大器型號：DHF-7。實物圖及原理圖見圖4.DHF-7型電荷放大器是一種高性能的小型、簡易、低價格的電荷電壓轉(zhuǎn)換器。 主要性能參數(shù)： 電荷靈敏度：10mV100mV/pC工作頻率：0.3Hz50Hz精度：2%（160Hz） 最大輸入電荷：1000pC 最大輸出電壓：10V 最大輸出電流：5mA 交流噪聲：2mV 直流零漂：5mV 工作電源：外接直流電壓 外形尺寸：806030mm圖4實物圖及原理圖 3-4、采集卡圖5采集卡實物圖 數(shù)據(jù)采集(DAQ)，是指從傳感器和其它待測設備等模擬和數(shù)字被測單元中自動采非電量或者電量信號，送到上位機中進行分析，處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計算機或者其他專用測試平臺的測量軟硬件產(chǎn)品來實現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。 采集卡主要是捕獲外界光電、視頻、音頻等模擬信號并將其數(shù)字化導入計算機進行數(shù)字處理的捕獲設備，主要用圖像采集卡、視頻采集卡、音頻采集卡（比如聲卡）、數(shù)據(jù)采集卡等。本次實習采用的Advantech USB-4704型采集卡。單通道輸入。實物圖見圖5、圖6。Advantech USB-4704性能參數(shù)：1）、支持USB2.02）、便攜式3）、總線供電4）、8通道模擬輸入圖6采集卡實物圖5）、14位分辨率AI6）、采樣率達48kS/s7）、8通道DI/8通道DO, 2通道AO,1個32位計數(shù)器8）、模塊端子螺絲可拆卸9）、適于DIN導軌安裝4、 硬件電路設計4-1、硬件電路示意圖圖 7硬件電路示意圖硬件電路實際組裝圖圖 8硬件電路實際組裝圖接AGND接AI024V+24V- 五、測量軟件設計5-1軟件設計流程圖圖9程序設計流程圖5-2. 信號采集、分析、顯示通過labview軟件進行信號采樣，數(shù)據(jù)處理。圖 10程序前面板圖原始信號波形圖圖 11原始信號波形圖濾波后的信號波形圖圖 12濾波后波形圖頻譜圖圖 13頻譜圖5-3.labview軟件介紹 labview軟件介紹LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計算機語言的顯著區(qū)別是：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。 LabVIEW軟件是NI設計平臺的核心，也是開發(fā)測量或控制系統(tǒng)的理想選擇。 LabVIEW開發(fā)環(huán)境集成了工程師和科學家快速構建各種應用所需的所有工具，旨在幫助工程師和科學家解決問題、提高生產(chǎn)力和不斷創(chuàng)新。 LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種用圖標代替文本行創(chuàng)建應用程序的圖形化編程語言。傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而 LabVIEW 則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。VI指虛擬儀器，是 LabVIEW 的程序模塊。5-4. 采樣程序VI圖14采樣程序VI5-5. 信號處理圖圖15信號處理圖1）采樣頻率和采樣點數(shù)圖16采樣參數(shù)2）、幅值測試裝置測試系統(tǒng)振動的幅值大小，在測試系統(tǒng)中反映了是否有激振信號輸入。力錘敲擊懸臂梁后會引起幅值變化，將其和一固定值進行比較，當幅值大于設定值是開始進行信號處理。圖17幅值測量VI3）、帶通濾波器本測試系統(tǒng)中使用帶通濾波器將原始輸入信號進行濾波，經(jīng)處理后將信號輸出到下一環(huán)節(jié)。圖18濾波器VI4）、頻譜測量裝置將濾波后的信號經(jīng)過傅立葉轉(zhuǎn)換后得出它的頻譜圖，用示波器將頻譜圖顯示，并輸出到下一環(huán)節(jié)。圖19頻譜測量VI5）、統(tǒng)計裝置獲取固有頻率，并輸出到顯示裝置，將固有頻率顯示。圖20統(tǒng)計VI6）報警程序 用于固有頻率的超上限與低下限作對比，起到報警作用，安全實驗。圖21報警程序5-6. 總程序圖圖22總程序圖6、 小結(jié)和體會時光飛逝，歲月荏苒，轉(zhuǎn)眼間，實訓課就結(jié)束了，在這短的幾天里，使我受益匪淺。在這次實訓課中，老師給我們小組布置的實訓項目是懸臂梁固有頻率測試系統(tǒng)設計。一開始，當我們大致看了一下任務書里所要我們的東西的時候，因為這個項目，之前老師有在課堂上提到過，我們心想或許我們這個項目是所有項目里屬于簡單一類的，畢竟因為課上說過，還不算陌生。可是，等我們開始行動，進行接線編程的時候，發(fā)現(xiàn)許多的問題接踵而至，首先課堂上的內(nèi)容通過實踐行動來實現(xiàn)，這個過渡就很痛苦，因為第一次動手操作，很多地方需要不斷嘗試，所以在選硬件上，我們還是通過老師耐心的幫助才選定的。并且在老師的指導下我們才知道只有將電荷放大器接入數(shù)據(jù)采集卡，在由數(shù)據(jù)采集卡通過USB接入電腦，并使用LabVIEW軟件才能測出固有頻率。接完線，我們開始逐步進行在LabVIEW上已有的模板上進行添加并連線其它元件。在使用LABVIEW軟件的時候，我們遇到了一些問題，不如當使用脈沖錘對懸臂梁敲擊完，我們只有通過停止按鈕才能停止頻率圖，并且同時波形圖也會停止，只有重新啟動，才能開始第二次試驗，當我們完成的時候，我們抱著僥幸的心理向老師詢問這樣做是否合格，可后來還是被老師的火眼金睛發(fā)現(xiàn)了，并十分明確的指出這樣做是不符合要求的，在老師細心的點撥下，我們增加了一個頻率范圍，使系統(tǒng)能自動判斷濾波后的波形圖的頻率是否達到我們所需要的數(shù)值