懸臂梁固有頻率測量

1、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、小結和體會16一、技能實習內容及要求1-1. 內容：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

2、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 軟件進行數據采集和分析4、調試5、撰寫實訓報告1-3. 報告要求：1實訓內容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設置如采樣通道

3、，采樣頻率，采樣點數）6.小結和體會（可包含調試中遇到的問題）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

4、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）梁的一端為不產生軸向、垂直位移和轉動的固定支座，另一端為自由端（可以產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

5、力變形時，其內部會產生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上產生符號相反的電荷；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

6、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換器。 主要性能參數： 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

7、交流噪聲：2mV 直流零漂：5mV 工作電源：外接±直流電壓 外形尺寸：80×60×30mm圖4實物圖及原理圖 3-4、采集卡圖5采集卡實物圖 數據采集(DAQ)，是指從傳感器和其它待測設備等模擬和數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。數據采集系統(tǒng)是結合基于計算機或者其他專用測試平臺的測量軟硬件產品來實現(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字化導入計算機進行數字處理的捕獲設備，主要用圖像采集卡、視頻采集卡、音頻采集卡（比如聲卡）、數據采集卡等。本次實習采用的Advantech USB-

8、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：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，數據處

9、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生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產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

10、工程師和科學家解決問題、提高生產力和不斷創(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 則采用數據流編程方式，程序框圖中節(jié)點之間的數據流向決定了VI及函數的執(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圖16采樣參數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)

11、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過傅立葉轉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、 小結和體會時光飛逝，歲月荏

12、苒，轉眼間，實訓課就結束了，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據采集卡，在由數據采集卡通過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值