哈工大机械工程测试技术基础大作业.docx

1、哈工大机械工程测试技术基础大作业络嚼It矣求衣葬Harbin Institute of Technology课程大作业说明书课程名称： 院 系: 班 级： 设计者： 学 号： 指导教师： 设计时间： 哈尔滨工业大学信号的分析与系统特性 3一、 设计题目 3二、 求解信号的幅频谱和相频谱 3三、 频率成分分布情况 5四、 H(s)伯德图 6五、 将此信号输入给特征为传递函数为 H(s)的系统 7传感器综合运用 10一、 题目要求 1二、 方案设计 10三、 传感器的选择 11四、 总体测量方案 12五、参考文献12信号的分析与系统特性一、设计题目写出下列方波信号的数学表达通式求取其信号的幅频谱图

2、(单边谱和双边 谱)和相频谱图若将此信号输入给特性为传递函数为 H(s)的系统.试讨论信号 参数的取值使得输出信号的失真小。名称H(s)弋、蛍n、匚波形图方波1H(s)-詬+1= 0.1.0.5.0.707x(tAhK40%:=0.5.0.7071H (S) 2 严 2S +2 曲nsgWn =10.500作业要求(1)要求学生利用第1章所学知识.求解信号的幅频谱和相频谱.并画图 表示出来O(2)分析其频率成分分布情况。教师可以设定信号周期To及幅值A.每 个学生的取值不同.避免重复。(3) 禾I用第2章所学内容.画出表中所给出的系统H(s)的伯德图教师 设定时间常数或阻尼比和固有频率n的取值

3、。(4)对比2、3图分析将2所分析的信号作为输入x(t).输入给3所分析 的系统H (s).求解其输出y(t)的表达式.并且讨论信号的失真情况(幅值失真Tc t 1鳥2沁皿=0二、求解信号的幅频谱和相频谱, 1 a = F JTw(t)dt = T0 -_24A 1 1w(t)= (si n(wot)+ sin( 3wot)+ si n(5wot)+)兀 3 5转换为复指数展开式的傅里叶级数：当 n =0,_2, 时.Cn =o ；2A当 n = 1,一3,一5,.时.Cn 二-j -nn则幅频函数为：2ACn = -j , n= 1,_3,_5,.n兀C=arctan_-CnR相频函数为:J

4、I=arcta n(-：) , n =1,3,5,.2n =arcta-二arctan( ：) ,n = -1,-3,-5,.CnR 2双边幅频图：2Att2A5tt）单边幅频图:相频图:+AP4A（；TT）4.*ttTT-5 伦-3cK 少三、频率成分分布情况由信号的傅里叶级数形式及其频谱图可以看出矩形波是由一系列正弦波叠4A 4 A 4A加而成.正弦波的频率由w0到3w0.5w0 其幅值由一到一 .一 .依次减小. ji 3兀 5兀各频率成分的相位都为0。四、H(s)伯德图1 一阶系统 H (s) 对应 =0.1,0.5, 0.707is+1一 口二Tn4QP.PU爭于弓丘二 J 更 dO

5、DD o o o o 2-3-4-5-6-7-sDiracs二阶系统 H(s)=二 40：n.对应，n =10,500. =0.5, 0.707s +2C0nS+国 n8od& Diagram Sotfe ftwenra-30-40eSO-60TO的SS.-SCEXrffpj10-453id1 iob if id; luFi|LErEv J10 10Frequency 刖 2 知 昭)屮HRn罡-pj 电.abEw3Frequencv i；rad&)(1)一阶系统响应 方波信号的傅里叶级数展开为：x(t)=、 -si nnoty 5兀据线性系统的叠加原理系统对x(t)的响应应该是各频率成分响应

6、的叠加即其中1A(n o) 2J1 +(e n%)(n 0) = -arctan( n 0)故.相位失真为:(n 0) =_arctan( n -0)由此可看出若想减小失真应减小一阶系统的时间常数一阶系统响应Simulink仿真图(2)二阶系统响应同一阶系统响应系统对(t)x的响应应该是各频率成分响应的叠加.即其中各个频率成分幅值失真为：1-A n0 =1-(J)22相位失真为： :(n，0) = -arctan(1 _由此可看出若想减小失真阻尼比宜选在0.650.7之间.频率成分中不可忽视的高频成分的频率应小于 (0.60.8 )二及 n应取较大值二阶系统响应Simulink仿真图传感器综合

7、运用一、题目要求工件如图所示要求测量出工件的刚度值在力F的作用下球头部将向下变形力的大小不应超过500N.球头位移量约200微米。刚度测量结果要满足1%的 精度要求图1工件图任务要求如下：（1） 根据被测物理量选用适合的传感器系列；例如尺寸量测量传感器电 阻应变式传感器.电感式传感器.电容传感器.磁电传感器、CCD图像传感器等 等。（2） 分析所给任务的测量精度并根据精度指标初选适合该精度的传感器系列；测量精度一般根据被测量的公差带利用的是误差不等式来确定 例如公差带达到10um时测量精度一般应达到公差带的1/5.即小于2um。满足此精度的 传感器有电阻应变式传感器.电感式传感器等.但考虑精度

8、的同时还要考虑量程等 其它方面的因素.参考第3章传感器的选用原则一节。（3） 选择合理的测量方法。根据被测量的特点及题目要求.综合考虑测量 方便.适合于批量测量的特点.确定合理的测量方案.并画出测量方案简图.可以配 必要的文字说明。二、方案设计因需要测量工件的刚度.由工件的刚度公式：式中K为工件的刚度；F为施加在工件上的作用力；y为在力F作用下的位移；根据上式.测定刚度的方式有两种.一种是在恒力的作用下测定工件头部的 变形量；一种是在一定变形量的作用下测定力的大小。考虑到后种方法.需要控 制工件的位移量一定是比较困难的.因为按照后种方法仍需采用位移传感器去检 测工件的位移的量.因而无论从测试方

9、法还是从测试成本上都是不合理的。因而 采用前种方法.给工件施加一定大小的力是比较容易做到的.只需要测定该力的作用下位移的大小即可求出工件的刚度。为了给工件施力必须对工件定位和夹紧。设计了如图2所示的末端支撑 部件。图2支撑零件为了对工件进行定位考虑到工件的对称性设计了如图3所示的定位元件.可以确保工件的伸出的长度为一定值。图3定位零件因内孔带锥度.当左右两块该零件配合时可以确保工件从支撑部件伸出 定长度.从而准确测量.其定位及支撑原理如图4所示。图4定位及支撑根据题目中第（3）条要求.适合批量测量。待测工件放在V型槽中.左右 两块锥形孔对合.通过推杆机构推到支撑孔中.直到工件与锥形孔配合.这样

10、就能够保证工件伸出的长度是一定的.只有这样测定的刚度才是准确的。同时通过图 2所示的支撑零件.能够保证工件的尾部固定.消除了工件尾部的移动对工件头部 的位移的影响。测量时.左右两块定位元件分开.避免对工件的测量造成影响。三、传感器的选择按照题目要求（2）.传感器的选择应该能够满足精度的要求 。因实际测量的为位移.精度要求为刚度的要求.因而需要进行转换。lK = -2 cyy相对精度误差为.K F . ：y严=（-耳勺）/（F/y） yk y y刚度相对误差为1%.根据上式.测量位移的相对误差要控制在1%.因位移 约为200um.因而位移传感器的误差要控制在 2um内。因位移约为200um.为使

11、 测量值约为满量程的2/3.因而选择传感器的满量程为300um。综上分析.传感器 的满量程为300um.传感器的相对误差控制在1%.传感器的分辨率应低于2um。因工件上不好安装传感器.因而应该根据测量头的纵向位移来判断工件头部的变形量。因而当从刚开始接触工件开始.到加载到450N （小于500N ）结 束.此过程中测量头的位移。根据参考文献1P81介绍.可选择电涡流位移传感器.其测量范围0-15mm. 分辨率达1um.因而满足上述的精度要求。综上分析.采用电涡流位移传感器。四、总体测量方案图5总体方案如图5所示.在圆柱形测量头上施加一定的恒力 450N.通过电涡流位移传感器测量测量头的位移为减小本身的测量头的伸缩的影响测量头的刚度必部。待测元件放置在V型槽里.用于大批量的检测五、参考文献社.2003