懸臂梁固有頻率測量.doc

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上海第二工業(yè)大學(xué) 名稱：傳感器與測試技術(shù)技能實(shí)習(xí) 專業(yè)：機(jī)械電子工程 班級(jí)：13機(jī)工A1 姓名： 學(xué)號(hào)：2013481 指導(dǎo)老師：楊淑珍 孫芳方 實(shí)訓(xùn)地點(diǎn)：14#407  目錄 一、技能實(shí)習(xí)內(nèi)容及要求 1 二、總體方案設(shè)計(jì) 2 2-1. 測量原理 2 2-2. 測試系統(tǒng)組成 2 2-3. 激勵(lì)方法 3 三、實(shí)驗(yàn)硬的件選用 3 3-1、懸臂梁 3 3-2.傳感器 4 3-3、電荷放大器 5 3-4、采集卡 6 四、 硬件電路的設(shè)計(jì) 6 五、測量軟件設(shè)計(jì) 9 六、小結(jié)和體會(huì) 16 一、技能實(shí)習(xí)內(nèi)容及要求 1-1. 內(nèi)容： 設(shè)計(jì)一個(gè)測試懸臂梁固有頻率的自動(dòng)測試系統(tǒng)，懸臂梁如下所示： 具體技術(shù)要求： 能顯示相應(yīng)所采集到的波形圖、頻譜圖等相關(guān)圖 能顯示固有頻率 能對(duì)固有頻率進(jìn)行超限報(bào)警，上下限制用戶可設(shè)定 生成當(dāng)前測試報(bào)告，（包括相應(yīng)波形圖和固有頻率值以及合格狀態(tài)） 1-2. 實(shí)訓(xùn)要求： 1、提出設(shè)計(jì)方案（提出測量原理，傳感器選用和安裝，構(gòu)建測試系統(tǒng)） 2、設(shè)計(jì)測量電路（包括放大，濾波電路，制作濾波電路） 3、測試軟件設(shè)計(jì)：利用Labview或其它開發(fā)程序（VB、VC等），設(shè)計(jì)測量 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析 4、調(diào)試 5、撰寫實(shí)訓(xùn)報(bào)告 1-3. 報(bào)告要求： 1．實(shí)訓(xùn)內(nèi)容 2.撰寫總體設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)（包括測量電路設(shè)計(jì)，系統(tǒng)總電路） 5.測量軟件設(shè)計(jì)（包括軟件設(shè)計(jì)流程圖，各功能實(shí)現(xiàn)方法和代碼，包括個(gè)主程序，子程序描述以及相應(yīng)的重要參數(shù)設(shè)置如采樣通道，采樣頻率，采樣點(diǎn)數(shù)） 6.小結(jié)和體會(huì)（可包含調(diào)試中遇到的問題） 二、總體設(shè)計(jì)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(gè)脈沖信號(hào)。信號(hào)會(huì)逐漸衰減，在衰減過程中會(huì)有一個(gè)時(shí)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(gè)相同的頻率，這個(gè)頻率與懸臂梁固有頻率形成共振，那時(shí)候的復(fù)制達(dá)到最大，用labview分析這個(gè)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(gè)主要部分： 激勵(lì)部分： 實(shí)現(xiàn)對(duì)被測系統(tǒng)的激勵(lì)（輸入），使系統(tǒng)發(fā)生振動(dòng)。它主要由激勵(lì)信號(hào)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(hào)，并將信號(hào)轉(zhuǎn)換成一定的形式（通常為電信號(hào)）。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(hào)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(shè)備和頻譜分析設(shè)備組成。 2-3. 激勵(lì)方法：脈沖激勵(lì)（脈沖錘） 三、實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(xué)受力分析中，比較典型的簡化模型。在實(shí)際工程分析中，大部分實(shí)際工程受力部件都可以簡化為懸臂梁。本次實(shí)驗(yàn)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(yīng)工作的。某些晶體在一定方向上受力變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力去除后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為“壓電效應(yīng)”，具有“壓電效應(yīng)”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(dá)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(jì)的輸出。本次實(shí)習(xí)采用的是CA-YD-188 壓電式加速度傳感器。結(jié)構(gòu)圖及實(shí)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(gòu)圖 技術(shù)指標(biāo)：靈敏度：500mV/g 量程：10g 頻率范圍：4-4000Hz 安裝諧振點(diǎn):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(shí)物圖 圖 3-2實(shí)物圖 3-3、電荷放大器 電荷放大器由電荷變換級(jí)、適調(diào)級(jí)、低通濾波器、高通濾波器、末級(jí)功放、電源幾部分組成?？梢詫鞲衅鬏敵龅奈⑷跣盘?hào)進(jìn)行放大，使之容易采集。 本次選用的電荷放大器型號(hào)：DHF-7。實(shí)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(jià)格的電荷電壓轉(zhuǎn)換器。 主要性能參數(shù)： 電荷靈敏度：10mV～100mV/pC 工作頻率：0.3Hz～50Hz 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(shí)物圖及原理圖 3-4、采集卡 圖5采集卡實(shí)物圖 數(shù)據(jù)采集(DAQ)，是指從傳感器和其它待測設(shè)備等模擬和數(shù)字被測單元中自動(dòng)采非電量或者電量信號(hào)，送到上位機(jī)中進(jìn)行分析，處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計(jì)算機(jī)或者其他專用測試平臺(tái)的測量軟硬件產(chǎn)品來實(shí)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(hào)并將其數(shù)字化導(dǎo)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字處理的捕獲設(shè)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(shí)習(xí)采用的Advantech USB-4704型采集卡。單通道輸入。 實(shí)物圖見圖5、圖6。 Advantech USB-4704性能參數(shù)： 1）、支持USB2.0 2）、便攜式 3）、總線供電 4）、8通道模擬輸入 圖6采集卡實(shí)物圖 5）、14位分辨率AI 6）、采樣率達(dá)48kS/s 7）、8通道DI/8通道DO, 2通道AO,1個(gè)32位計(jì)數(shù)器 8）、模塊端子螺絲可拆卸 9）、適于DIN導(dǎo)軌安裝 4、 硬件電路設(shè)計(jì) 4-1、硬件電路示意圖 圖 7硬件電路示意圖 硬件電路實(shí)際組裝圖 圖 8硬件電路實(shí)際組裝圖 接AGND 接AI0 24V+ 24V- 五、測量軟件設(shè)計(jì) 5-1．軟件設(shè)計(jì)流程圖 圖9程序設(shè)計(jì)流程圖 5-2. 信號(hào)采集、分析、顯示 通過labview軟件進(jìn)行信號(hào)采樣，數(shù)據(jù)處理。 圖 10程序前面板圖 原始信號(hào)波形圖 圖 11原始信號(hào)波形圖 濾波后的信號(hào)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(jì)算機(jī)語言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)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(shè)計(jì)平臺(tái)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(xué)家快速構(gòu)建各種應(yīng)用所需的所有工具，旨在幫助工程師和科學(xué)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(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)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(diǎn)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VI 5-5. 信號(hào)處理圖 圖15信號(hào)處理圖 1）采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù) 圖16采樣參數(shù) 2）、幅值測試裝置 測試系統(tǒng)振動(dòng)的幅值大小，在測試系統(tǒng)中反映了是否有激振信號(hào)輸入。力錘敲擊懸臂梁后會(huì)引起幅值變化，將其和一固定值進(jìn)行比較，當(dāng)幅值大于設(shè)定值是開始進(jìn)行信號(hào)處理。 圖17幅值測量VI 3）、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(hào)進(jìn)行濾波，經(jīng)處理后將信號(hào)輸出到下一環(huán)節(jié)。 圖18濾波器VI 4）、頻譜測量裝置 將濾波后的信號(hào)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VI 5）、統(tǒng)計(jì)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(jì)VI 6）報(bào)警程序 用于固有頻率的超上限與低下限作對(duì)比，起到報(bào)警作用，安全實(shí)驗(yàn)。 圖21報(bào)警程序 5-6. 總程序圖 圖22總程序圖 6、 小結(jié)和體會(huì) 時(shí)光飛逝，歲月荏苒，轉(zhuǎn)眼間，實(shí)訓(xùn)課就結(jié)束了，在這短的幾天里，使我受益匪淺。在這次實(shí)訓(xùn)課中，老師給我們小組布置的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目是懸臂梁固有頻率測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 一開始，當(dāng)我們大致看了一下任務(wù)書里所要我們的東西的時(shí)候，因?yàn)檫@個(gè)項(xiàng)目，之前老師有在課堂上提到過，我們心想或許我們這個(gè)項(xiàng)目是所有項(xiàng)目里屬于簡單一類的，畢竟因?yàn)檎n上說過，還不算陌生?？墒牵任覀冮_始行動(dòng)，進(jìn)行接線編程的時(shí)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(shí)踐行動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，這個(gè)過渡就很痛苦，因?yàn)榈谝淮蝿?dòng)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(dǎo)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(jìn)行在LabVIEW上已有的模板上進(jìn)行添加并連線其它元件。在使用LABVIEW軟件的時(shí)候，我們遇到了一些問題，不如當(dāng)使用脈沖錘對(duì)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(shí)波形圖也會(huì)停止，只有重新啟動(dòng)，才能開始第二次試驗(yàn)，當(dāng)我們完成的時(shí)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(xì)心的點(diǎn)撥下，我們?cè)黾恿艘粋€(gè)頻率范圍，使系統(tǒng)能自動(dòng)判斷濾波后的波形圖的頻率是否達(dá)到我們所需要的數(shù)值，并能自動(dòng)停止，同時(shí)濾波能繼續(xù)進(jìn)行。 在這次實(shí)踐課中，因?yàn)槔蠋煹南ば慕虒?dǎo)，以及不斷對(duì)我們進(jìn)行查漏補(bǔ)缺，使我們能在最終不斷的完善自己的作品，在這次實(shí)踐課中我覺得我們組的組長功不可沒，扎實(shí)的基礎(chǔ)使他最后幫助我們解決了很多的困難，這次實(shí)踐課我們不但意識(shí)到了團(tuán)隊(duì)合作的重要性，也使我們學(xué)到了，在學(xué)扎實(shí)自己的基礎(chǔ)知識(shí)以及重視將理論知識(shí)和實(shí)踐相結(jié)合的同時(shí)，我們也應(yīng)該學(xué)會(huì)忍受別人所指出的缺點(diǎn)，放平心態(tài)，不斷地完善改進(jìn)。