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地震位移传感器虚论文
CHANGSHAUNIVERSITYOFSCIENCE&TECHNOLOGY
毕业设计（论文）
题目：
地震位移传感器虚拟实验设计
学生姓名：
学号：
班级
:
专业：
指导教师：
2013年6月
地震位移传感器虚拟实验设计
学生姓名：
学号：
班级：
所在院（系）:
指导教师：
完成日期:
2013年6月
地震位移传感器虚拟实验设计
摘要
本论文主要介绍了虚拟实验的现状和地震位移传感器的内容：
虚拟实验不仅能节约时间和成本，提高操作效率，而且还能实现资源共享、易于扩展、操作简单的特点，使实验通俗易懂，提高教学质量。
地震位移传感器是利用惯性系统来实现位移绝对测量的传感器，特点是不需参考点。
使用flash8.0动画制作软件形象地演示出地震位移传感器的原理性实验、模拟动态标定实验和应用性实验。
根据实验的内容给出必要的动画演示，展现出虚拟实验的意义。
关键词：
虚拟实验；地震位移传感器；惯性系统；flash；动态标定；
DESIGHOFVIRTUALEXPERIMENTOFSEISMICDISPLACEMENTSENSOR
ABSTRACT
Thispapermainlyintroducesthepresentsituationofvirtualexperimentsandseismicdisplacementsensorcontent:
Virtualexperimentscannotonlysavetimeandcosts,improveoperationalefficiency,butalsoachieveresourcesharing,easytoexpand,Simpleoperationcharacteristics,maketheexperimenteasytounderstandandimproveteachingquality.
Seismicdisplacementsensoristheuseofinertialmeasurementsystemtoachieveabsolutedisplacementmeasurementandthesesensorsarecharacterizedwithoutreferencepoint.Usingflash8.0animationsoftwarevividlydemonstratetheseismicdisplacementsensorprincipleexperiment,simulationofdynamiccalibrationexperimentsandapplicationexperiments.Accordingtotheexperimentalcontenttogivethenecessaryanimation,showingthesignificanceofvirtualexperiments.
Keywords:
Virtuallaboratory;seismicdisplacementsensor；inertialmeasurement
system；flash；dynamiccalibration
目录
1绪论1
1.1虚拟实验概述1
1.2虚拟实验的意义2
1.3虚拟实验的特点2
1.4虚拟实验的国内外发展现状3
1.5虚拟实验实现的软件介绍4
2地震位移传感器的原理及介绍4
2.1传感器及其分类4
2.2位移传感器的介绍5
2.2.1相对位移传感器介绍5
2.2.2地震位移传感器原理介绍6
2.2.3地震位移传感器特点9
2.2.4地震位移传感器的内部原理结构9
2.3地震位移传感器的标定10
2.3.1动态标定10
2.3.2地震位移传感器标定方法10
3地震位移传感器虚拟实验设计10
3.1Flash设计平台10
3.1.1Flash简介10
3.1.2基于Flash的传感器虚拟实验11
3.2地震位移传感器虚拟实验整体设计框图11
3.3地震位移传感器原理的虚拟实验设计13
3.4地震位移传感器标定虚拟实验设计17
3.4.1同一频率下的标定试验17
3.4.2不同频率下的标定试验20
3.5地震位移传感器应用性虚拟实验设计22
4虚拟实验操作说明23
4.1虚拟实验主界面的操作23
4.2地震位移传感器原理演示24
4.3地震位移传感器表示实验操作24
4.4桥梁监测应用试验操作25
5总结26
参考文献27
致谢28
附录29
附件31
附件1：
开题报告（文献综述）
附件2：
译文及原文影印件
1绪论
1.1虚拟实验概述
虚拟实验是指在计算机网络上借助虚拟实验技术和平台营造可辅助或者部分交换甚至全部替换传统的实际实验各个环节的相关的软硬件操作环境，实验者在做虚拟实验是如同在真实的环境中一样体验和完成实验，解决网络教学与实际教学之中的实验不能解决的部分问题，它所取得的实验结果在没有外界干扰信号好于在实际中所取得的结果。
虚拟实验建设在一个虚拟的实验仿真平台之上，注重的是实验操作的交互性以及实验结果的仿真性，同时也经常将虚拟实验运用到模拟环境当中去[1]。
虚拟实验这一概念是威廉·沃尔夫教授先提出的，他所描述的虚拟环境是由不同的工具集成的，通过计算机网络，充分有效的利用虚拟实验中的相关信息和数据，结合虚拟实验网络中的仪器设备，让用户能够在这里做各种各样的虚拟实验[2]。
虚拟实验从提出到现在的快速发展，让科研人员深切的体会到了它资源设备的齐全，简单方便的操作，资源共享的便捷。
虽然虚拟实验从概念提出到目前仅20余年的时间，但在这段时间的研究应用中积累了许多丰富的经验，同时它广泛的应用以及光明的前景，受到了高度的重视。
并在许许多多的行业和领域发挥着至关重要的作用。
虚拟实验主要用虚拟设备或者仪器来替换传统实验人员无法涉及的环境或者昂贵的实验设备，对实验结果的性能以及实验过程进行预测和评价，从而大大的缩短实验设计周期和操作的时间，降低实验成本。
虚拟实验大多通过软件实现如Matlab、Labview、Flash、VB或者VC等，能够节约仪器设备的投入资本与使用寿命，还可以避免现实实验所带来的各种危险，因此，通过虚拟软件开发出各种虚拟实验相关的仪器和设备，能有效地解决现实实验资源严重不足的现状。
计算机可以通过模拟各种实验设备和仪表促使虚拟实验的研究以及应用的迅速发展，实验人员也可以完成虚拟实验的设计，理论与实际相结合，广泛地对实验设计和结果进行分析和解剖。
这样以来既节约了实验时间，又提高了实验的操作效率，促进了实验人员创造性思维的开发。
如今虚拟实验在学的校实验教学和科学研究中都发挥着至关重要的作用，已经引起了人们广泛的关注[3]。
1.2虚拟实验的意义
科学技术的蓬勃发展已使部分虚拟实验的仪器和设备的设计与开发成为现实，并在相应的理论指导下应用到实践中，其强大的功能使各类型虚拟实验室建设成为了可能。
同时，虚拟实验环境的研究和实现，大大地加快了实验室的建设速度，使建设实际实验室的资金降低了，解决了各类高校由于资金的困难给老师和同学们带来的影响，有利于培养学生实践操作能力和水平，因此，虚拟实验的研究也就具有了非常大的经济效益与社会效益，从而引起了科研人员、教育工作者等各行各业的专家的兴趣和关注。
1.3虚拟实验特点
虚拟实验的优点：
（1）虚拟实验具有节约性特点：
虚拟实验不仅可以大大减少对现实实验仪器建
设的投入，和实验用地的建设，节省实验的实际耗材，节约成本，方便用户维护，提高使用效率。
（2）虚拟实验的资源共享性特点：
虚拟实验可以简单的将硬件、软件、数据库、
实验人员集成于一体，用户可以共享互联网上所有的信息、软件、相关的实验设备和仪器。
拿来皆可以用，真正把之前我们遥不可及实验带到普通大众的面前。
（3）虚拟实验的交互性特点：
虚拟实验不仅实现让身边的人共同实验，远程用
户同样也可以操作虚拟实验，用户与用户之间可以交流相关信息。
加强学生交互的学习能力。
（4）虚拟实验易于实现综合复杂的实验的开发的特点：
不受经济，硬件实验设
备闲置，可以普遍提高学生将实际的复杂问题虚拟化的综合能力，摆脱了传统的没有没有实验设备就只能凭空想象来实现。
（5）虚拟实验易于扩展型的特点。
当今的信息化时代里，社会的快速发展，知
识的快速更新，技术的快速进步，都与虚拟实验有莫大的关系，加快了社会的步伐，反过来，虚拟实验的软件也要所示的升级，加强其功能，使其服务更加人性化更强大。
虚拟实验改变了传统的教学观念的特点：
一直以来都是以教师为中心来指导学生，同时学生也只能通过老师来实践相关的实验，而虚拟实验直接跳过了老师，与虚拟实验建立知识的桥梁，获取途径更加主动。
虚拟实验也有许多的缺点：
（1）虚拟实验的实验真实感不够强的缺点：
虚拟实验没有实际实验来的真是
贴切，熟话说：
“读万卷书不如行万里路”，只有把虚拟实验和显示实验综合起来才能实现其真正强大的作用。
（2）虚拟实验不能完全模拟实际的环境效果的特点：
虚拟实验室在完全没有
干扰，虚拟仪器相对准确，精度相对比较高的情况下实现的，体现不了与实际仪器引起的误差，同时环境的温度、湿度、振动、以及各种恶劣的环境带来的影响，虚拟实验也能完全模拟，在实际的实验中遇到的各种实验设备的问题如连线的松动或者接触不良甚至烧坏部分仪器设备是测量不稳定甚至失败等影响。
（3）虚拟实验让学生不能体会真正地实验原理，从而实际应用在实际应用之
产生出入。
以上虚拟实验的缺点也正是实际实验的优点。
反过来促进了虚拟实验设备的开发，通过虚拟实验，学生又可以深入掌握常规的仪器使用方法。
另外，虚拟实验中的仪器比较多，拿来容易，功能齐全，我们应该取长补短，将虚拟实验补充完善，相辅相成，更好的应用到实际生活中去。
1.4虚拟实验国内外发展现状
虚拟实验技术开始于20世纪末，是在“虚拟现实”（英文缩写VR，VirtualReality）技术的基础上而产生和发展的一种实验模式。
但由于与理论教学有较大出入而导致效果不佳[4]。
直到20世纪末虚拟实验伴随着计算机技术的快速发展而迅速地发展起来，才给远程教学带来了希望。
它使虚拟实验教学完全远程化，从根本上融合了实验教学与远程教育模式[5]。
1.5虚拟实验实现的软件语言介绍
1Matlab/Simulink软件Matlab软件是对大量数据处理和Simulink控制
仿真，提供了交互式图形化环境，能对其进行设计、仿真、执行和测试，人机交互性一般。
2VB语言和VC语言这类实现方式是应用程序型开发，随着编程难度的
增加，编程越复杂，同时实现人机交互性一般，实现本实验设计有一定的难度。
3LabVIEW虚拟仪器软件LabVIEW语言不同于VB语言和VC语言，
他使用的编写程序的语言是图形化编辑语言G语言，产生的程序是框图的形式。
由前面板和程序框图两部分组成，可发挥计算机的能力，拥有强大的仪器设备分析功能，可以生产出各种更强大的仪器。
此软件操作简单，实现人机交互性很较强[6]，但虚拟的动画演示效果不佳。
4Flash软件Flash是一款多媒体动画制作软件，特可以将音乐、声效、动
画方便的融合在一起，以制作出高品质的动画效果，用flash来完成虚拟实验更具有鲜明性和对比性，更通俗易懂的演示出实物的本质，在虚拟实验平台表现良好的交互性，能够直观的演示实验原理。
本实验即采用此款软件进行虚拟实验设计。
2地震位移传感器的原理介绍
2.1传感器及其分类
传感器（sensor）是一种信号检测装置，能够及时感应到被测量的信息，同时将检测到的信息，按照一定的规律，转换成电信号或者其他形式所需的信息输出，来满足信息的处理、传输、显示、记录、存储和控制等要求。
因此，它是实现自动检测的首要环节[7]。
传感器的组成：
敏感元件：
直接感受被测量的信号，并输出相应的物理量。
转换元件：
将敏感元件输出的物理量转换成电信号量。
转换电路：
上述电信号参数接入基本转换电路如信号放大、滤波、整形等，即可转换成可分析的电量输出。
图2.2传感器的组成
传感器常见的分类：
电阻式传感器、压阻式传感器、位移传感器、光敏传感器、压力传感器、霍尔传式感器、超声波测距离传感器等。
2.2位移传感器的介绍
位移传感器又称之为线性传感器，而传感器的作用就是把各种被的测物理量转换成相应的电量。
位移的测量在生产过程中将其分化测量振动位移和移动位移两种。
位移传感器按照被测量的变量转换的形式不同又可分为数字式和模拟式两种。
同时模拟式传感器又可以分为结构型和物性型两种类型。
常用的电容式位移传感器、电涡流式位移传感器、电位器式位移传感器、电感式位移传感器、霍尔式位移传感器等，大多都是模拟式结构型的传感器。
2.2.1相对位移传感器介绍
对于位移传感器而言，相对位移传感器是以一个参考点（参照物）为基准，测量时再以这一个参照点作为标准，用敏感元件测量出物体的相对位移，通过转换元件再转化为相应的电信号，最后对信号的分析与处理。
物体的位置在运动过程中的移动有关的量形成相对位移量，因此，位移的测量方式是各种各样的，其所涉及的范围也是相当广泛的。
实际中大多数传感器都是相对位移传感器，小位移通常用涡流式、电感式、应变式来检测，大的位移常用磁栅尺、容栅尺、光栅尺等传感技术来测量。
其中光栅传感器最具代表性，拥有许多特点：
如具有安装方便、较强的抗干扰能力、易实现计算机快速处理、使用稳定、精密高（目前纳米级的分辨率已是最高）[8]，在大位移的测量、仪表检测和控制等行业中已经得到广泛的应用。
2.2.2地震位移传感器（绝对位移传感器）原理介绍
地震位移传感器测量方的法是以惯性空间作为参照系。
惯性空间是一个抽象的空间，与传统的力学空间一致，他的意义可以由牛顿第一定律形象的概括出：
惯性空间中的物体在不受力的情况下保持静止或匀速直线运动状态。
地震位移传感器是由拾振系统和敏感元件两个部分组成。
敏感元件和相对位移测量中的敏感元件一致，将此相对运动从绝对运动中检测出来，这样便得到了物体在惯性空间中的运动位移。
拾振系统是将在惯性空间中的物体的运动转化为传感器的固定部件或者活动部件之间的相对运动，而典型的拾振系统为质量-弹簧-阻尼系统。
地震位移传感器的测量方法（惯性测量方法）安装、调试方便，不需要参考点，这就使得在某些振动场合下，地震位移传感器惯性式测量方法显示出极大的优势。
然而，地震位移传感器惯性测量方法的低频振动测量方面的效果不佳，存在着很大的困难，因为所有的地震位移传感器惯性测量方法对位移和速度输入都不可能表现为低通特性[9]。
地震位移传感器是由质量-弹簧-阻尼系统共同组成的系统，其图象如下：
容易发现地震位移传感器是一个二阶微分系统，传感器振动时，质量块在弹簧振子和阻尼器的作用下，其二阶微分方程为：
（2-1）
两边同时除以m，把
移到左边：
（2-2）
（2-2）式中
（固有频率平方），
（阻尼系数）
强迫振动为：
（2-3）
有数学关系可知:
（2-4）
（2-5）
（2-6）
由（2-5）、（2-6）分别代入（2-2）式中，得到如下公式：
（2-7）
（2-8）
对（2-2）、（2-7）、（2-8）式分别作拉氏变换，得下面的“m-k-c”系统传递函数：
（2-9）
（2-10）
（2-11）
（2-9）、（2-10）、（2-11）式中令S=j
（
为振动角频率），可得质量快的位移振幅
与被测量的振动体绝对运动的位移振幅
，速度振幅
，和加速度振幅
的关系：
（2-12）
（2-13）
（2-14）
分析（2-12）、（2-13）、（2-14）式，可知：
（2-12）式中当
时：
（2-15）
（2-13）式中当
时：
（2-16）
（2-14）式中当
时：
（2-17）
图2.1传感器幅频特定
由公式（2-12）用Matlab软件可以绘制出幅频特性曲线如图2.1；
由（2-15）式和上图可知，表明质量块和地震位移传感器外壳的相对运动和外壳的基础振动近乎相等，本实验传感器的固有频率设为0.5Hz是，当信号的频在0.5Hz之上则会满足我们测量的要求，表明质量块坐标在惯性坐标中处于静止状态；只要测出相对运动即可测出绝对运动；
而（2-16）式和（2-17）式是在小于其固有频率的情况下测得，可以通过一次积分或者二次积分的方式来得到位移量。
2.2.3地震位移传感器的要求的特点
（1）低频的测量范围；这类传感器测量的振动往往是低频，对测量的灵敏
度要求高[9]；
（2）较高的机械结构频率，所以具有抗冲击性能和较高的稳定性能，运输
过程中不必紧锁，不怕颠簸；
（3）零点稳定，不需要调零，可以远距离输出；
（4）体积、重量不大，性能稳定。
2.2.4地震位移传感器的内部原理结构
①地震位移传感器内部结构可由不同类型的传感器构成[10]：
直接测量位移型，其原理图如下图2.1：
图2.1
②间接测量位移型，如速度传感器，加速度传感器等其原理图如图2.2：
图2.2
2.3地震位移传感器的标定
2.3.1动态标定
传感器的动态特性常常可以从时域或者频域两个方面来研究、分析。
在时域中，主要是针对传感器在脉冲输入、阶跃输入下的瞬态响应来分析；而在频域中，在输入正弦信号响应下，主要是分析传感器的稳态响应时的信号幅值增益以及相位之间的差值；通过上述传感器在时域和频域之中的典型响应就可以获取。
分析传感器的相应的动态性能指标。
2.3.2地震位移传感器标定方法
尽管振动传感器对修整输入和干扰比如声音、温度、噪声和磁场的相应经常是我们感兴趣的，但是这里我们感兴趣的是对位移的响应。
对地震位移传感器采用的方法是正弦运动法。
正弦运动法是美国国家标准和技术研究所[11]的标定设备用作典范。
用一个改进的电动式激励器，激励器经过仔细设计来提供单轴的纯正弦运动，而且他还配备一个精确校准的传感器来测量他的工作台运动。
如果一个运动为纯正的正弦运动，知道了它的速度、频率、振幅便可精确计算出位移或者加速度[12]。
3地震位移传感器虚拟实验设计
3.1flash设计平台
3.1.1Flash简介
Flash是一款用于简单的动画、音乐视频、应用程序和复杂演示文稿进行制作的创作工具软件，设计和开发人员可用它来创建和PPT一样的演示课件，还可以通过编程控制元件和强大的用户网络界面设计的内容。
Flash的功能十分齐全，效果独特，而且特有的自带ActionScript语言，可以对整个动画通过函数精确控制[13]。
工具栏：
工具栏中包含了绘制所有元件的图形工具；可以绘制出图形、文字、颜色和修改；常用的工具有：
“箭头工具”、“直线工具”、“钢笔工具”、“文字编辑工具”、“椭圆型工具”、“矩形工具”、“颜料桶工具”和“橡皮插工具”等。
侧边栏：
在这一栏中我们可以随机添加各种元件的编辑属性框；如“对齐信息”、“库”、“组件库”、“按钮库”、“颜色”等。
菜单栏：
菜单栏中包含了flash设计中的所有编辑信息，主要运用“视图”“命令”“控制”和“窗口”等菜单栏。
动作面板：
动作面板是flash编程中必不可少的一部分，在动画元件的精确定位，动画的丰富设置和复杂的界面效果都离不开ActionScript语言编程，因此动作面板中的编程有着举足轻重的作用[14]。
3.1.2基于Flash的传感器虚拟实验
利用Flash超强的动画功能和交互功能技术来创建虚拟实验应用程序，在一定程度上代替实验教学的理论部分的诠释，对实验环节的教学效果有很大的帮助，可以使学生提高实验效率，降低实验成本；同时，采用Flash技术突破了实验时间与地点等的限制，将数据的动态性和多媒体的交互性很好的融为一体，充分的调动学生在虚拟实验过程中的积极性，提高学生的实验能力[15]。
3.2地震位移传感器虚拟实验整体设计框图
地震位移传感器虚拟实验设计是通过flash软件来完成原理性试验、模拟标定性试验和应用性实验，整个虚拟实验设计的原理框架图如下图2.4所示。
图3.1整体框架图
3.3地震位移传感器原理的虚拟实验设计
图3.2地震位移传感器力学模型图象
图3.2所示是地震位移传感器力学模型演示图，其主要由支架壳、质量块、弹簧振子、阻尼器、标尺组成，当外壳收到外加的振动的时候，质量在弹簧振子和阻尼器的带动下也会随着振动与外壳形成相对位移，从而可以测量位移。
图3.3原理演示
图3.3是地震位移传感器的原理演示图象，由19个按钮（函数图象按钮、0.4-5.6的振动原理演示按钮、开始和停止按钮、拟合按钮、下一步按钮等组成），5个图片（质量块、弹簧振子、阻尼器、标尺、支架壳）1个函数图象和4个图层组成（按钮层、弹簧层、质量块层、支架层）
图3.4图层
Flash制作要点：
（1）地震位移传感器原理动画演示；
（2）各个按钮编程
（3）函数拟合描点。
（1）地震位移传感器原理动画演示，在flash中先新建5个名为“支架壳”、“质量块”、“弹簧”“阻尼器”“标尺”的“图片元件”，并选定好各个元件的颜色，依次插入到不同的“图层”如图3.4；绘制出各个特殊位置的“关键帧”，补间动画，修改细节即可；
（2）各个按钮的编程，所有的按钮都放在了“按钮层”的第一帧，
①“开始停止”按钮的制作选择好“填充颜色”，画一个椭圆，再选中“变形栏”输入80%后按“复制并应用变形”，右击转换成按钮元件，再在“指针经过”下改变成另一种颜色；复制另一个按钮，同时写上“开始”和“停止”,再在“按钮层”第一帧这两个按钮键上写下ActionScript（Flash脚本语言，之后用as代替）代码，“开始”按钮的as代码如下：
on（release）{play（）;}
“停止”按钮的as代码如下：
on（release）{stop（）;}
这样在“地震位移传感器原理演示”影片中就可以通过“开始”和“停止”按钮来控制；
②同样，“0.4-5.6”和“下一步”按钮的as代码如下：
on（release）{loadMovie（“******.swf”,0）;}
（3）做出一个“坐标图”，当传感器在0.1阻尼的情况下不同频率比（w/w0）
下的支架壳与质量块的位移比（y质/y壳），在0.4到5.6的各个频率比时，可以得到如3.5的图象。
图3.5拟合阻尼比0.1图象
图3.6其他阻尼比的图象及结论
图3.6是对不同阻尼比对传感器的位移比的影响，当按“开始”时阻尼比为0.15、0.25、和0.5的函数图象会逐渐绘制出现，通过以上的图象我们可以得到的结论：
1、当ω=ω0时，达到共振，桥梁振动的位移频率比会大大的增加，测量结
果完全错误，很容易造成监测的误判，不利于位移监测；
2、当频率比越高时，壳体振动和质量块振动位移之比为1，容易监测到位
移
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