振动教学实验装置实验指导书0151126.docx

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振动教学实验装置实验指导书0151126

UT6819振动教学实验装置

实验指导书

实验一：

简谐振动幅值测量

一、  实验目的

1、     了解振动位移、速度、加速度之间的关系。

2、     学会用压电传感器测量简谐振动位移、速度、加速度幅值。

二、  实验装置安装示意图

UT6819型振动测试教学实验系统是一套集成化的测试系统，它主要由以下三部分组成：

1、 UT6819 型振动教学实验台。

2、 UT6819A型多功能振动教学实验仪。

3、 UT3204SUSB接口数据采集器及配套动态采集测试分析软件。

三、  实验原理

由简谐振动方程：

简谐振动信号基本参数包括：

频率、幅值和初始相位，幅值的测试主要有三个物理量：

位移、速度和加速度，可采取相应的传感器来测量，也可以通过积分和微分来测量处理，它们之间的关系如下：

根据简谐振动方程，设振动位移、速度、加速度分别为x、v、a，其幅值分别为X，V，A，则

式中：

ω--------振动角频率       φ---------初相位

所以可以看出位移、速度和加速度幅值大小的关系是：

。

振动信号的幅值可根据位移、速度、加速度的关系，用位移传感器或速度传感器、加速度传感器进行测量，还可采用具有微积分功能的放大器进行测量。

在进行振动测量时，传感器通过换能器把加速度、速度、位移信号转换成电信号，经过放大器放大，然后通过AD卡进行模数转换成数字信号，采集到的数字信号为电压变化量，通过软件在计算机上显示出来，这时读取的数值为电压值，通过标定值进行换算，就可计算出振动量的大小。

UT3204S软件“测量参数设置”中的标定

    通过调整好仪UT6819A振动实验仪的状态（如传感器选择、参数选择）后，要在UT3204S参数设置表中输入各通道的工程单位和传感器类型。

工程单位随传感器类型而定，或加速度单位，或速度单位，或位移单位等。

四、  实验步骤

1、安装仪器。

把JZ-1型激振器固定在支架上，将激振器和支架固定在实验台基座上，并保证激振器顶杆对简支梁有一定的预压力（不要超过顶杆上的红线标识），用专用连接线连接激振器和UT6819A型振动教学实验仪的功率输出接口。

把带磁座的加速度传感器放在简支梁的中部，输出信号接到UT6819A型振动教学实验仪的加速度传感器输入端，传感器选择开关置于加速度，测量参数选择开关置于a（m/s2）。

2、 检查接线，并打开UT6819A型振动教学实验仪的电源开关。

3、 开机进入UT3204S测试软件的主界面，点击选择控制面板上“监视类型”的“波形”，适当选择“采样频率”和“程控放大（CH02）”倍数，“数据块数”选择1或2即可。

                             uT3204S软件的主界面

4、 调节UT6819A型振动教学实验仪频率旋钮到40Hz左右，使梁产生共振。

5、 在示波状态下观察振动波形，并采集下来。

点击

（数据列表），用鼠标左键移动光标，点击鼠标右键， 在“数据列表”中读取当前振动的最大值。

注意：

这里读出的是毫伏值，要通过变换成物理量（参见附件1）。

本实验装置的压电加速度传感器灵敏度为3.67pC/ms-2；速度传感器灵敏度为28mV/mms-1；电涡流式非接触传感器的灵敏度为3.33mV/μm；输出电压与测量信号的转换关系见附件1。

6、 改变测量参数档位v（mm/s）、d（μm）重复进行测试记录。

7、 更换速度传感器和电涡流传感器分别测量相应的测试结果，并根据加速度、速度和位移之间的转换关系计算出其它物理量。

五、  实验结果和分析

1、     实验数据

 传感器类型

频率f（Hz）＝1/T（周期）

a（ms-2）档

v（mm/s）档

d（μm）档

加速度

速度

电涡流位移计

2、根据实测位移

、速度

、加速度

，按公式计算出另外两个物理量。

 附件1：

输出电压与测量信号的转换

使用加速度传感器

测量加速度

电荷放大器的电荷与电压的转换关系为10mV/pC，因此，通过加速度传感器的灵敏度及所测输出电压，即可计算出振动加速度的数值。

例如：

如果加速度传感器的灵敏度为5pC/ms-2，则经过电荷放大器转换后的电压灵敏度为：

5pC/ms-2×10mV/pC=50mV/ms-2

如果所测输出电压为500mV（峰值），则振动加速度为：

500mV÷50mV/ms-2=10ms-2

以上计算出的电荷放大器的转换电压灵敏度是随所用加速度传感器的灵敏度而变的，即不同的灵敏度电荷放大器的转换电压也不同，按照上面公式，如果加速度传感器的灵敏度为8pC/ms-2时，则经过电荷放大器转换后的电压灵敏度为：

8pC/ms-2×10mV/pC=80mV/ms-2

如果振动加速度仍为10ms-2，则此时的输出电压为800mV。

因此，为使电荷放大器的转换电压一致，便于计算，则应将输出电压归一。

其方法为：

将输出电压除以加速度传感器的灵敏度值。

对于灵敏度为5pC/ms-2的加速度传感器，在振动加速度为10ms-2时，输出电压为500mV（峰值），归一后：

500mV÷5=100mV（峰值）

对于灵敏度为8pC/ms-2的加速度传感器，在振动加速度为10ms-2时，输出电压为800mV（峰值），归一后：

800mV÷8=100mV（峰值）

因为此时振动加速度为10ms-2，所以归一后电荷放大器的转换电压灵敏度为：

100mV÷10ms-2=10mV/ms-2

根据以上计算说明，当使用加速度传感器测量振动加速度时，首先将所测输出电压除以加速度传感器的灵敏度值，再除以10mV/ms-2即可计算出振动加速度值。

测量速度

当使用加速度传感器测量振动速度时，只需按下“测量参数选择”的v（mm/s）键即可。

此时，输出电压与振动速度的转换关系为：

5mV/mms-1

如果所测输出电压为500mV（有效值），则此时的振动速度为：

500mV（有效值）÷5mV/mms-1=100mms-1（有效值）

测量位移

当使用加速度传感器测量振动位移时，只需按下“测量参数选择”的d（μm）键即可。

此时，输出电压与振动位移的转换关系为：

1mV/μm

如果所测输出电压为500mV（峰值），则此时的振动位移为：

500mV（峰值）÷1mV/μm=500μm（峰值）

注意上述所测输出电压均为经过归一后的电压

使用速度传感器

测量速度

当使用速度传感器测量振动速度时，输出电压与振动速度的转换关系为：

30mV/mms-1

如果所测输出电压为300mV（有效值），则此时的振动速度为：

300mV（有效值）÷30mV/mms-1=10mms-1

测量位移

当使用速度传感器测量振动位移时，输出电压与振动位移的转换关系为：

2.5mV/μm

如果所测输出电压为500mV（峰值），则此时的振动位移为：

500mV（峰值）÷2.5mV/μm=200μm（峰值）

使用电涡流传感器

当使用电涡流传感器测量振动位移时，输出电压与振动位移的转换关系为所用电涡流传感器的灵敏度。

如果使用Φ11型电涡流传感器，则输出电压与振动位移的转换关系为：

4mV/μm

如果所测输出电压为400mV（峰峰值），则此时的振动位移为：

400mV（峰峰值）÷4mV/μm=100μm（峰峰值）

如果使用Φ8型电涡流传感器，则输出电压与振动位移的转换关系为：

8mV/μm

如果所测输出电压为400mV（峰峰值），则此时的振动位移为：

400mV（峰峰值）÷8mV/μm=50μm（峰峰值）

注意在使用速度传感器和电涡流传感器时，所测输出电压不需要归一。

实验二：

振动系统固有频率的测试

一、    实验目的

1、     学习振动系统固有频率的测试方法；

2、     学习共振动法测试振动固有频率的原理与方法；（幅值判别法和相位判别法）

二、    实验仪器安装示意图

UT6819型振动测试教学实验系统是一套集成化的测试系统，它主要由以下三部分组成：

1、 UT6819 型振动教学实验台。

2、 UT6819A型多功能振动教学实验仪。

3、 UT3204SUSB接口数据采集器及配套动态采集测试分析软件。

 三、  实验原理

对于振动系统，经常要测定其固有频率，最常用的方法就是用简谐力激振，引起系统共振，从而找到系统的各阶固有频率。

1、 简谐力激振

由简谐力作用下的强迫振动系统，其运动方程为：

方程式的解由x1+x2两部分组成：

式中               

C1、C2为常数由初始条件决

其中          

x1代表阻尼自由振动基，x2代表阻尼强迫振动项。

自由振动项周期        

强迫振动项周期        

由于阻尼的存在，自由振动基随时间不断地衰减消失。

最后，只剩下后两项，也就是通常讲的定常振动，只剩下强迫振动部分，即

通过变换可写成

式中                 

设频率比 

，且ε=Dω       代入上式，

则振幅                           

滞后相位角                           

因为q/ω2=（F0/m）/（K/m）=F0/K=xst为弹簧受干扰峰值作用引起的静位移，所以振幅

可写成

其中，动力放大系数   

＝

动力放大系数

是强迫振动时的动力系数即动幅值与静幅值之比，这个数值对拾振器和单自由度体系的振动的研究都是很重要的。

     当u=1，即强迫振动频率和系统固有频率相等时，动力系数迅速增加，引起系统共振，由式

可知，共振时振幅和相位都有明显的变化，通过对这两个参数进行测量，我们可以判别系统是否达到共振点，从而确定出系统的各阶振动频率。

1） 幅值判别法

在激振功率输出不变的情况下，由低到高调节激振器的激振频率，通过振动曲线，我们可以观察到在某一频率下，任一振动量（位移、速度、加速度）幅值迅速增加，这就是机械振动系统的某阶固有频率。

这种方法简单易行，但在阻尼较大的情况下，不同的测量方法得出的共振频率稍有差别，不同类型的振动量对振幅变化敏感程度不一样，这样对于一种类型的传感器在某阶频率时不够敏感。

2） 相位判别法

相位判别法是根据共振时特殊的相位值以及共振前后相位变化规律所提出来的一种共振判别法。

在简谐力激振的情况下，用相位法来判定共振是一种较为敏感的方法，而且共振时的频率就是系统的无阻尼固有频率，可以排除阻尼因素的影响。

激振信号为：

         f=Fsinωt     

位移信号为：

速度信号为：

加速度信号为：

（1）      位移判别共振

将激振信号输入到采集仪的第一通道（即X轴），位移传感器输出信号或通过UT6819A型振动实验仪位移档信号输入到采集仪的第二通道（即Y轴），此时两通道的信号分别为：

                   激振信号为：

f=Fsinωt          位移信号为：

y=Ysin（ωt-

）

共振时，ω=ωn，φ=π/2，X轴信号和Y轴信号的相位差为π/2，根据李萨育图原理可知，屏幕上的图像将是一个正椭圆。

当ω略大于ωn或略小于ωn时，图像都将由正椭圆变为斜椭圆，其变化过程如图所示。

因此图像由斜椭圆变为正椭圆的频率就是振动体的固有频率。

 ω<ωn                           ω=ωn                            ω>ωn

 用位移判别共振的李萨育图形

（2）   速度判别共振

将激振信号输入到采集仪的第一通道（即X轴），速度传感器输出信号或通过UT6819A型振动实验仪速度档信号输入到采集仪的第二通道（即Y轴），此时两通道的信号分别为：

激振信号为：

f=Fsinωt                               

速度信号为：

共振时，ω=ωn，φ=π/2，X轴信号和Y轴信号的信号相位差为0。

根据李萨育图原理可知，屏幕上的图像应是一条直线。

当当ω略大于ωn或略小于ωn时，图像都将由直线变为斜椭圆，其变化过程如图所示。

因此图像由斜椭圆变为直线的频率就是振动体的固有频率。

 ω<ωn 

ω=ωn

ω>ωn

 用速度判别共振的李萨育图形

（3）加速度判别共振

    将激振信号输入到采集仪的第一通道（即X轴），加速度传感器输出信号输入到采集仪的第二通道（即Y轴），此时两通道的信号分别为：

激振信号为：

f=Fsinωt                     

 加速度信号为：

共振时，共振时，ω=ωn，φ=π/2，X轴信号和Y轴信号的信号相位差为π/2。

根据李萨育图原理可知，屏幕上的图像应是一个正椭圆。

当ω略大于ωn或略小于ωn时，图像都将由正椭圆变为斜椭圆，其变化过程如图所示。

因此图像由斜椭圆变为正椭圆的频率就是振动体的固有频率。

     ω<ωn 

ω=ωn

ω>ωn

 用加速度判别共振的李萨育图形

四、    实验步骤

一）、幅值判别法测量

1、安装仪器

把电动接触式激振器安装在底座上，调节电动接触式激振器高度，让接触头对简支梁产生一定的预压力，使激振器顶杆上的红线与激振器端面平齐为宜。

把激振器的信号输入端用连线接到UT6819A型振动教学实验仪的功率输出A插座上。

把带磁座的加速度传感器放在简支梁上，输出信号接到UT6819A型振动教学实验仪的加速度传感器输入端，测量参数选择开关置于加速度档。

      2、开机

       打开UT6819A型振动教学实验仪的电源开关，同时进入UT3204S测试软件的主界面，点击选择控制面板上“监视类型”的“波形”，在示波状态观察振动波形。

     3、测量

      调节振动教学实验仪输出幅值旋钮，注意不要过载；从0开始调节频率旋钮，简支梁产生振动，当振动最大时，记录当前频率。

继续增大频率可得到高阶共振频率。

二）、相位判别法测量

       1、点击选择控制面板上“监视类型”的“李萨育”，将激励信号源输出端接入采集仪第一通道（X轴），加速度传感器输出信号经UT6819A型振动教学实验仪后接入采集仪第二通道（Y轴）。

加速度传感器放在距离梁端1/3处。

2、用UT3204S界面“监视类型”中的李萨育图示波，调节激振器的频率，观察图像的变化情况，分别用UT6819A型振动教学实验仪加速度档的a、v、d进行测量，观察图像，根据共振时各物理量的判别法原理，来确定共振频率。

五、    实验结果和分析

 机械振动系统固有频率测量结果

测试方法

 频率（Hz）

第一阶频率

第二阶频率

第三阶频率

幅值判别法

相位

判别法

位移d

速度v

加速度a

实验三：

测试附加质量对系统频率的影响

一、       实验目的

1、     学习结构频率的测试

2、     了解附加质量对结构频率的影响。

二、    实验装置安装示意图

三、    实验原理

简支梁是一个无限多自由度的均布质量系统，可以简化为弹簧和质量的单自由度系统。

梁的均布质量m0可以折合成等效集中质量

，在单自由度系统模型参数测试试验中，已经计算和测出了梁的等质量和等效刚度：

系统的固有频率计算公式：

系统的固有频率与集中质量的平方根成反比，本试验通过在梁的中部附加集中质量块

，改变系统固有频率，可以绘制出频率与质量的变化曲线。

质量对频率的影响曲线：

四、    实验步骤

1、     为了分析附加质量对系统频率的影响，采用非接触式的电涡流传感器，电涡流传感器探头部分距离简支梁测试表面约4mm，参考安装示意图连接好仪器和传感器。

附加质量用配重块和电机。

把接触式激振器接到UT6819A型振动教学实验仪的功率输出A插座。

2、 开机进入UT3204S测试软件的主界面，点击选择控制面板上“监视类型”的“波形”，观察振动波形。

3、用电涡流传感器测量简支梁的振动，经UT6819A型振动教学实验仪放大后，接入采集仪进行示波。

UT6819A型振动教学实验仪的传感器选择开关置于电涡流，测量参数选择开关置于d（μm）

4、 调节UT6819A型振动教学实验仪的频率旋钮，当波形突然增大时，可用微调旋钮慢慢调节，至系统发生共振。

注意调节输出幅值旋钮，不要使信号过载。

5、     从UT6819A的输出频率显示中或从软件中读取频率值。

6、   分别用加速度、速度传感器和加配重测量各种情况下系统的频率。

五、    实验结果和分析

1、     记录测试数据

配重情况

不加配重

压电加速度传感器测（40g）

速度传感器测（135g）

加一块配重（1kg）

加两块配重（2kg）

加两块半配重（2.5kg）

测试的频率（Hz）

f0=

f1=

f2=

f3=

f4=

f5=

2、绘制出频率与质量的变化曲线

实验四：

附加质量分布对系统频率的影响

一、    实验目的

1、     学习系统质量分布变化对系统频率影响的原理

2、     测试质量分布对结构频率的影响

二、   实验仪器安装示意图

三、    实验原理

简支梁集中载荷在任意位置时，梁的刚度计算为：

图4-1质量分布对结构频率的影响

对于由简支梁和集中质量组成的单自由度系统，由于质量分布不同，刚度发生变化，系统的频率也随之变化，集中质量在中间位置时，系统的频率最低，随着位置不同，其频率变化曲线如图4-2所示：

图4-2简支梁频率随质量变化曲线

图中所示曲线分别是在简支梁上加1.2kg和2.2kg集中质量所测得的曲线，由图4-2可知，随着集中载荷的增加，系统的频率也相应下降。

当

时，

；

当

时，

；

当

时，

；

四、    实验步骤

1、     为了分析附加质量分布对系统频率的影响，采用非接触式的电涡流传感器，电涡流传感器探头部分距离简支梁测试表面约4mm，参考安装示意图连接好仪器和传感器。

将电机作为附加质量，用接触式激振器来激振。

2、 开机进入UT3204S测试软件的主界面，点击选择控制面板上“监视类型”的“波形”，观察振动波形。

3、 用电涡流传感器测量简支梁的振动，经UT6819A型振动教学实验仪放大后，接入采集仪进行示波。

UT6819A型振动教学实验仪的传感器选择开关置于电涡流，测量参数选择开关置于d（μm）

4、 调节UT6819A型振动教学实验仪的频率旋钮，当波形突然增大时，可用微调旋钮慢慢调节，至系统发生共振。

注意调节输出幅值旋钮，不要使信号过载。

5、     从UT6819A的输出频率显示中或从软件中读取频率值。

6、   分别测量各种配重不同分布情况下系统的频率。

五、    实验结果和分析

配重情况

1/2处

1/3处

1/4处

测试的频率（Hz）