悬臂梁固有频率测量.docx

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悬臂梁固有频率测量

上海第二工业大学

名称：

传感器与测试技术技能实习

专业：

机械电子工程

班级：

13机工A1

姓名：

学号：

2013481

指导老师：

杨淑珍孙芳方

实训地点：

14#407

一、技能实习内容及要求1

二、总体方案设计2

2-1.测量原理2

2-2.测试系统组成2

2-3.激励方法3

三、实验硬的件选用3

3-1、悬臂梁3

3-2.传感器4

3-3、电荷放大器5

3-4、采集卡6

四、硬件电路的设计6

五、测量软件设计9

六、小结和体会16

一、技能实习内容及要求

1-1.内容：

设计一个测试悬臂梁固有频率的自动测试系统，悬臂梁如下所示：

具体技术要求：

能显示相应所采集到的波形图、频谱图等相关图

能显示固有频率

能对固有频率进行超限报警，上下限制用户可设定

生成当前测试报告，（包括相应波形图和固有频率值以及合格状态）

1-2.实训要求：

1、提出设计方案（提出测量原理，传感器选用和安装，构建测试系统）

2、设计测量电路（包括放大，滤波电路，制作滤波电路）

3、测试软件设计：

利用Labview或其它开发程序（VB、VC等），设计测量软件进行数据采集和分析

4、调试

5、撰写实训报告

1-3.报告要求：

1．实训内容

2.撰写总体设计方案

3.硬件选用（包括传感器、采集卡的选用和安装等）

4.电路设计（包括测量电路设计，系统总电路）

5.测量软件设计（包括软件设计流程图，各功能实现方法和代码，包括个主程序，子程序描述以及相应的重要参数设置如采样通道，采样频率，采样点数）

6.小结和体会（可包含调试中遇到的问题）

二、总体设计方案

2-1．测量原理：

在测试的过程中，通过脉冲锤敲击悬臂梁的横梁产生一个脉冲信号。

信号会逐渐衰减，在衰减过程中会有一个时刻衰减到的频率和悬臂梁的固有频率相同，我们要找到的就是这个相同的频率，这个频率与悬臂梁固有频率形成共振，那时候的复制达到最大，用labview分析这个值，就可以测出悬臂梁的固有频率。

2-2．测试系统的组成：

图1测试系统组成图

测试系统包括下述三个主要部分：

激励部分：

实现对被测系统的激励（输入），使系统发生振动。

它主要由激励信号源、功率放大器和激振器组成。

拾振部分：

检测并放大被测系统的输入、输出信号，并将信号转换成一定的形式（通常为电信号）。

它主要由传感器、放大器组成。

分析记录部分：

将拾振部分传来的信号记录下来供分析处理并记下处理结果。

它主要由各种记录设备和频谱分析设备组成。

2-3.激励方法：

脉冲激励（脉冲锤）

三、实验硬件的选用

3-1、悬臂梁（图2）

梁的一端为不产生轴向、垂直位移和转动的固定支座，另一端为自由端（可以产生平行于轴向和垂直于轴向的力）。

在工程力学受力分析中，比较典型的简化模型。

在实际工程分析中，大部分实际工程受力部件都可以简化为悬臂梁。

本次实验所要测得的就是悬臂梁的固有频率。

图2悬臂梁

3-2、传感器

工作原理：

压电式加速度传感器是基于压电晶体的压电效应工作的。

某些晶体在一定方向上受力变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去除后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称为“压电效应”，具有“压电效应”的晶体称为压电晶体。

常用的压电晶体有石英、压电陶瓷等。

固定方法：

其中采用钢螺栓固定，是使共振频率能达到出厂共振频率的最好方法。

螺栓不得全部拧入基座螺孔，以免引起基座变形，影响加速度计的输出。

本次实习采用的是CA-YD-188压电式加速度传感器。

结构图及实物图见图3-1、图3-2、图3-3。

CA-YD-188压电式加速度传感器

图3-1结构图

技术指标：

灵敏度：

500mV/g

量程：

10g

频率范围：

4-4000Hz

安装谐振点:

15kHz

分辨力：

0.00004g

重量：

40g

安装螺纹：

M5mm

线性：

≤1%

3-3、电荷放大器

电荷放大器由电荷变换级、适调级、低通滤波器、高通滤波器、末级功放、电源几部分组成。

可以将传感器输出的微弱信号进行放大，使之容易采集。

本次选用的电荷放大器型号：

DHF-7。

实物图及原理图见图4.

DHF-7型电荷放大器是一种高性能的小型、简易、低价格的电荷电压转换器。

主要性能参数：

电荷灵敏度：

10mV～100mV/pC

工作频率：

0.3Hz～50Hz

精度：

≤2%（160Hz）

最大输入电荷：

1000pC

最大输出电压：

±10V

最大输出电流：

±5mA

交流噪声：

≤2mV

直流零漂：

≤5mV

工作电源：

≤外接±直流电压

外形尺寸：

80×60×30mm

图4实物图及原理图

3-4、采集卡

数据采集（DAQ），是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采非电量或者电量信号，送到上位机中进行分析，处理。

数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。

采集卡主要是捕获外界光电、视频、音频等模拟信号并将其数字化导入计算机进行数字处理的捕获设备，主要用图像采集卡、视频采集卡、音频采集卡（比如声卡）、数据采集卡等。

本次实习采用的AdvantechUSB-4704型采集卡。

单通道输入。

实物图见图5、图6。

AdvantechUSB-4704性能参数：

1）、支持USB2.0

2）、便携式

3）、总线供电

4）、8通道模拟输入

图6采集卡实物图

5）、14位分辨率AI

6）、采样率达48kS/s

7）、8通道DI/8通道DO,2通道AO,1个32位计数器

8）、模块端子螺丝可拆卸

9）、适于DIN导轨安装

4、硬件电路设计

4-1、硬件电路示意图

图7硬件电路示意图

硬件电路实际组装图

图8硬件电路实际组装图

五、测量软件设计

5-1．软件设计流程图

图9程序设计流程图

5-2.信号采集、分析、显示

通过labview软件进行信号采样，数据处理。

图10程序前面板图

原始信号波形图

图11原始信号波形图

滤波后的信号波形图

图12滤波后波形图

频谱图

图13频谱图

5-3.labview软件介绍

labview软件介绍

LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：

其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。

LabVIEW软件是NI设计平台的核心，也是开发测量或控制系统的理想选择。

LabVIEW开发环境集成了工程师和科学家快速构建各种应用所需的所有工具，旨在帮助工程师和科学家解决问题、提高生产力和不断创新。

LabVIEW （LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。

传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而LabVIEW则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序。

VI指虚拟仪器，是LabVIEW的程序模块。

5-4.采样程序VI

图14采样程序VI

5-5.信号处理图

图15信号处理图

1）采样频率和采样点数

图16采样参数

2）、幅值测试装置

测试系统振动的幅值大小，在测试系统中反映了是否有激振信号输入。

力锤敲击悬臂梁后会引起幅值变化，将其和一固定值进行比较，当幅值大于设定值是开始进行信号处理。

图17幅值测量VI

3）、带通滤波器

本测试系统中使用带通滤波器将原始输入信号进行滤波，经处理后将信号输出到下一环节。

图18滤波器VI

4）、频谱测量装置

将滤波后的信号经过傅立叶转换后得出它的频谱图，用示波器将频谱图显示，并输出到下一环节。

图19频谱测量VI

5）、统计装置

获取固有频率，并输出到显示装置，将固有频率显示。

图20统计VI

6）报警程序

用于固有频率的超上限与低下限作对比，起到报警作用，安全实验。

图21报警程序

5-6.总程序图

图22总程序图

6、小结和体会

时光飞逝，岁月荏苒，转眼间，实训课就结束了，在这短的几天里，使我受益匪浅。

在这次实训课中，老师给我们小组布置的实训项目是悬臂梁固有频率测试系统设计。

一开始，当我们大致看了一下任务书里所要我们的东西的时候，因为这个项目，之前老师有在课堂上提到过，我们心想或许我们这个项目是所有项目里属于简单一类的，毕竟因为课上说过，还不算陌生。

可是，等我们开始行动，进行接线编程的时候，发现许多的问题接踵而至，首先课堂上的内容通过实践行动来实现，这个过渡就很痛苦，因为第一次动手操作，很多地方需要不断尝试，所以在选硬件上，我们还是通过老师耐心的帮助才选定的。

并且在老师的指导下我们才知道只有将电荷放大器接入数据采集卡，在由数据采集卡通过USB接入电脑，并使用LabVIEW软件才能测出固有频率。

接完线，我们开始逐步进行在LabVIEW上已有的模板上进行添加并连线其它元件。

在使用LABVIEW软件的时候，我们遇到了一些问题，不如当使用脉冲锤对悬臂梁敲击完，我们只有通过停止按钮才能停止频率图，并且同时波形图也会停止，只有重新启动，才能开始第二次试验，当我们完成的时候，我们抱着侥幸的心理向老师询问这样做是否合格，可后来还是被老师的火眼金睛发现了，并十分明确的指出这样做是不符合要求的，在老师细心的点拨下，我们增加了一个频率范围，使系统能自动判断滤波后的波形图的频率是否达到我们所需要的数值，并能自动停止，同时滤波能继续进行。

在这次实践课中，因为老师的悉心教导，以及不断对我们进行查漏补缺，使我们能在最终不断的完善自己的作品，在这次实践课中我觉得我们组的组长功不可没，扎实的基础使他最后帮助我们解决了很多的困难，这次实践课我们不但意识到了团队合作的重要性，也使我们学到了，在学扎实自己的基础知识以及重视将理论知识和实践相结合的同时，我们也应该学会忍受别人所指出的缺点，放平心态，不断地完善改进。

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