《测试技术》实验指导书机制专业分析.docx
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《测试技术》实验指导书机制专业分析
实验相关说明,请仔细阅读:
1.实验过程中请自带U盘,进行实验一时需要提前将程序拷贝到U盘内。
2.做好预习,每次实验前检查预习报告。
3.迟到10分钟以上的同学,另选批次补做实验,并对实验成绩做降级处理。
4.实验一在实训楼机房331进行,其他实验均在实训楼319进行。
5.请严格按照系统中所选批次来实验室做实验,如确实有事无法按时进行实验,请联系其他同学进行调换,并在实验前与指导老师说明情况。
除机房实验外,每批实验最多18人。
6.未能按时进行实验的同学,请关注每个实验中最后一批的实验时间,缺做实验者将取消实验成绩,没有实验成绩将无法参加本门课程考试,希望大家引起重视。
7.实验报告完成后请在下一次实验时带到实验室交给老师。
《测试技术》实验指导书
(机制(卓越)专业)
指导教师:
黄伟
桂林电子科技大学
二O一四年十月
实验一信号分析1
实验二电涡流传感器特性测试及应用8
实验三转子不平衡量测量(综合性实验)12
实验四悬臂梁固有频率测试(设计性实验,考核)21
实验一信号分析
预习要求:
1、了解并掌握信号的时域描述及频域描述的含义及方法;
2、理解周期信号的幅值频谱和相位频谱的概念和意义;
3、初步了解利用Matlab软件进行信号处理的方法。
一、实验目的
1、通过实验深入理解信号的时域描述和频域描述的含义及信号的幅值频谱和相位频谱的意义;
2、通过合成一矩形波、三角波和锯齿波,更深入地理解前后沿陡峭的波形含有更多的高次谐波的概念;
3、学习用微形计算机进行速傅里叶变换(FFT)的计算方法,同时认识数据窗的作用,感性认识加窗与否对信号的影响。
二、实验设备
1、计算机一台;
2、Matlab仿真软件;
3、源程序文件“SWA1”、“SWA2”、“DFA”。
三、实验原理
本实验主要分为以下三个部分:
1、数字信号合成程序(SWA1)
一维的周期信号
的傅里叶级数展开式可表示成以下二式:
(1-1)
n=1,2,3…(1-2)
使用程序SMA1,根据公式(1-2)的原理,输入各次谐波的次数A(I)、振幅R(I)、及相位F(I),在显示器屏幕上可输出一个相应的复杂周期信号。
2、特殊信号合成程序(SMA2)
对于矩形波,可按傅里叶级数展开成下式:
(1-3)
n=1,3,5…
如图1.1所示。
图1.1矩形波
对于三角波,可按傅里叶级数展开成下式:
(1-4)
n=1,3,5…
如图1.2所示。
图1.2三角波
对于锯齿波的傅里叶展开与上述矩形波、三角波的方法相同,具体的展开式由大家做练习,并在实验报告中完成。
根据公式(1-3)、(1-4),可以用有限个正弦波来合成近似的矩形波和三角波,N数越大,则近似的程度越高,从实验中还可以看出,三角波的合成比较容易,只需要较少的谐波便可合成较精确的三角波。
请大家在实验过程中进行验证。
3、数字式频谱分析程序(DFA)
数字式频谱分析常采用快速傅里叶变换(FFT)算法,从数学本质上来说,FFT算法同离散的傅里叶级数计算完全相同,其具体做法是:
截取一段被分析信号,以该段信号作为一个周其,计算这个周期的傅里叶级数。
首先设定一个含多个谐波成分的复杂周期信号
。
其中:
N——周期信号
中所含谐波成分的个数。
Ai——各谐波成分的振幅。
为了简化计算,本实验中假设各个谐波分量的初始相位为零。
同期信号
的周期T显然等于其一次谐波的周期T1,如果从
中截取一段,截取的时间长度T’恰好等于T或是T的整数倍。
在此定义一个称之为“周期系数”的量:
当M=1时,截取的信号曲线如图1.3a所示,经过FFT计算后可以得到很“干净”的离散的幅值频谱,如图1.3b所示。
图1.3a截取一个周期的任意合成的数字信号
图1.3b截取一个周期的任意合成的数字信号的频谱
然而,在实际测试过程中截取一段信号来分析时,不可能恰好截取一段整数的周期长度,只能任意截取一段,现假设此段为一个周期而作为一个新的周期信号,设M=1.2该信号的样本序列如图1.4a所示,这个新的周期信号在截断点必然产生一个阶跃。
由于这一阶跃包含有极丰富的高次谐波,其频谱成为图1.4b那样的复杂形态,这就是所谓的“频谱泄露”现象。
通常可以用数据窗来改善泄露现象。
例如将上述M=1.2时任意截取的信号通过加窗处理后,如图1.5a所示。
由图中可以看出,经过这样处理后,截断点的阶跃被压缩,泄露现象可得到某种程度的抑制,如图1.5b
图1.4a截取M=1.2周期的任意合成的数字信号
图1.4b截取M=1.2周期的任意合成的数字信号的频谱
图1.5a截取M=1.2周期的任意合成的数字信号加窗波形
图1.5b截取M=1.2周期的任意合成的数字信号的加窗频谱
四、实验方法与步骤
1、在计算机的操作系统中启动Matlab软件;
2、熟悉Matlab的运行环境,及命令窗口、记录窗口及命令等的使用方法;
(一)、执行任意数字信号合成系统程序swa1
1、在Matlab的命令窗口中输入swa1命令,执行数字信号合成程序1,
按提示命令的要求分别输入要进行合成的信号个数,回车,然后再按提示要求输入相应个数信号所对应的幅值、相位、频率矩阵(注意,输入必须以距阵形式,要合成的信号个数是几,就是几阶距阵)。
2、执行程序,观察信号合成后的结果,记录实验过程中数据及结果,并对结果进行分析,说明信号合成的过程。
3、改变上述输入参数,以不同的信号个数,及各种不同复杂信号的幅值、相位、频率值,重复进行以上实验。
4、要求至少完成三组,记录相应数据及结果,在实验报告中对合成的过程及结果进行分析(截取合成的图像,以Word形式完成实验报告)。
(二)、执行特殊数字信号合成系统程序swa2
1、在Matlab的命令窗口中输入swa2命令,执行特殊数字信号(矩形波、三角波、锯齿波)合成程序。
2、按提示命令的要求输入合成信号的谐波次数,回车。
3、再按提示要求输入要合成的信号的类型,其中各参数分别表示:
1-方波、2-三角波、3-锯齿波。
4、执行程序,观察信号合成后的结果,记录实验过程中数据及结果,并对结果进行分析,说明信号合成的过程。
5、改变上述输入参数,分别合成不同类型(矩形波、三角波、锯齿波)的信号,及合成各种不同类型的信号的谐波次数,观察结果。
6、要求至少每一种类型的信号至少完成三组合成数据,记录相应数据及结果,在实验报告中对合成的过程及结果进行分析,观察不同类型的信号逼近要求的谐波次数的不同(截取合成的图像,以Word形式完成实验报告)。
7、从实验结果分析体会,谐波次数越高,合成信号的的更加逼近理想信号的波形,并且进一步理解,前后沿陡峭的波形含更多的高次谐波的概念。
(三)、执行数字式频谱分析程序(DFA)
1、在Matlab的命令窗口中输入DFA(大小写均可)命令,执行数字式频谱分析程序。
2、按提示命令的要求输入截断周数系数Tm=1,回车。
3、按提示要求输入是否加窗,其中各参数分别表示:
0-不加窗,1-加窗。
4、再按提示命令的要求输入要合成的信号个数,及相应个数信号所对应的幅值、相位、频率矩阵。
5、执行程序,观察输出结果。
6、按以上步骤,对几种不同类型的信号,或任意合成的复杂信号进行频谱分析,分为加窗,不加窗分别进行实验,记录不各参数及输出结果(截取合成的图像,以Word形式完成实验报告):
取截取信号整周期内Tm=1,不加窗和加窗进行比较;
取截取信号非整周期内Tm≠1,不加窗和加窗进行比较;
五、实验报告要求
1、实验输入数据及输出波形要记录正确、完备、清晰,实验结束前交辅导老师审阅;
2、比较谐波个数增加后对波形的的影响,分析原因,写出本次实验的体会;
3、对不加窗和加窗的数字信号的波形进行比较,写出前后变化,说明加窗的作用。
实验二电涡流传感器特性测试及应用
一、实验目的
1、了解电涡流传感器的结构、特点,掌握其工作原理和使用方法;
2、通过测量电涡流传感器的输入输出关系曲线,深入理解电涡流传感器的特性及其指标的含义;
3、了解电涡流传感器的静态特性,利用传感器进行位移测量,并进行误差分析;
4、利用机械结构、传感器、数据采集卡、虚拟仪器平台构建测试系统。
二、实验原理
1、电涡流的形成原理
如图1-1所示,由物理学知识可知,若在线圈中通入交变电流I,在线圈周围的空间就产生了交变磁场Фi,将金属导体置于此交变磁场范围内,导体表面层产生涡电流,涡电流的高频磁场Фe以反作用于传感器电感线圈,从而改变了线圈的阻抗ZL或线圈的电感和品质因素。
ZL的变化取于线圈到金属板之间的距离x、金属板的电阻率δ、磁导率μ以及激励电流的幅值A和频率f。
图2-1电涡流传感器的工作原理
2、电涡流位移传感器原理
电涡流位移传感器是以高频电涡流效应为原理的非接触式位移传感器。
前置器内产生的高频振荡电流通过同轴电缆流入探头线圈中,线圈将产生一个高频电磁场。
当被测金属体靠近该线圈时,由于高频电磁场的作用,在金属表面上就产生感应电流,即电涡流。
该电流产生一个交变磁场,方向与线圈磁场方向相反,这两个磁场相互叠加就改变了原线圈的阻抗。
这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。
通常假定金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性,则线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率б、磁导率ξ、尺寸因子τ、头部体线圈与金属导体表面的距离D、电流强度I和频率ω参数来描述。
则线圈特征阻抗可用Z=F(τ,ξ,б,D,I,ω)函数来表示。
通常我们能做到控制τ,ξ,б,I,ω这几个参数在一定范围内不变,则线圈的特征阻抗Z就成为距离D的单值函数,虽然它整个函数是一非线性的,其函数特征为“S”型曲线,但可以选取它近似为线性的一段。
于此,通过前置器对信号进行处理,将线圈阻抗Z的变化,即头部体线圈与金属导体的距离D的变化转化成电压或电流的变化。
输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距的变化而变化,电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。
当被测金属与探头之间的距离发生变化时,探头中线圈的磁场强度也发生变化,磁场强度的变化引起振荡电压幅度的变化,而这个随距离变化的振荡电压经过检波、滤波、线性补偿、放大归一处理转化成电压(电流)变化,最终完成机械位移(间隙)转换成电压(电流)。
所以探头与被测金属体表面距离的变化可通过探头线圈阻抗的变化来测量。
前置器根据探头线圈阻抗的变化输出一个与距离成正比的直流电压。
图1-2为电涡流传感器的工作原理示意图。
图2-2电涡流传感器工作示意图
主要技术指标:
供电电压
探头直径
线性量程
输出方式
+24V
11mm
4mm
1-5V
3、最小二乘法拟合原理:
给定平面上一组点(xi,f(xi))(i=1,2,3…n),用直线拟合。
即求得f(x),使得偏差△Vm达到最小。
三、实验仪器和设备
1.计算机1台
2.LabVIEW8.2以上版本1套
3.多传感器特性试验模块1个
4.DRLab基础实验平台1套
四、实验内容与实验步骤
1.准备工作
①关闭DRLab基础实验平台的直流电源部分的开关。
将24V电源适配器连接到实验模块上。
②将电涡流传感器的信号线连接到数据采集仪或扩展模块的通道4上(注:
在对实验设备进行操作时请先把电源关闭,再进行操作,带电插拔会对设备造成损坏)。
③打开DRLab基础实验平台直流电源部分的开关,打开直流电源开关。
将千分尺归零,此时滑块上反射圆片紧紧靠在电涡流探头表面上。
⑦滑块渐渐远离传感器,观察电压数值的变化,观测传感器的最大测量距离。
初步估计实验所选的电涡流传感器的线性区,不在此测量范围内时,其函数曲线将不成线性关系。
2、测绘并求出传感器的线性区范围:
电涡流传感器的线性区定义为:
不在此测量范围内时,其函数将不成线性关系。
①在“多传感器特性实验模块”文件夹中打开“电涡流传感器静态特性与位移测量实验.vi”程序,点击如下图1-3所示的“运行”按钮,程序界面如图2-4所示。
运行按钮
图2-3程序运行按钮
图2-4静态特性测量程序运行界面
②从初始位移为0开始,采集电压值。
设置每次移动千分尺的距离为0.5mm,将千分尺读书填写到“距离值”处,同时点击“设定”按钮,数据栏会同时显示电压值和距离值。
依次移动千分尺,直至输出电压接近5v并不再发生变化。
数据采集完成后,将程序显示的采集到的位移和电压数据填写到如表2-1的excel表格中,并绘制全段的特性曲线。
表2-1静态特性测量原始数据及曲线
位移(mm)
电压(mv)
0
0.25
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
……
表2-2电压-距离函数关系式(v=kx+b,x-距离(mm),v-电压(mv))
拟合直线表达式
斜率k值
截距b值
3、利用测得结果进行距离测量和误差分析:
保持程序运行界面不变,在线性区重新进行距离测量。
转动千分尺,距离值从1.5mm开始,采样间隔0.5mm,依次记录“电涡流传感器标定测量值”填写表2-3.
表2-3位移测量和相对误差分析
实验次数
千分尺读数
传感器测量结果
相对误差
1
2
3
……
(注:
相对误差=|测量值-计算值|/计算值×100%)
五、实验报告要求
1、静态特性测绘的原始数据及曲线(打印)(表2-1)。
2、线性拟合的运行结果截图(打印)(图2-4)。
3、线性拟合的函数式及斜率K和截距b。
(表2-2)
4、距离测量的数据结果(表2-3)。
5、传感器的测量结果和千分尺的读数(实际位移值)之间存在一定的误差,分析误差产生的原因。
6、通过理论学习和实验说明电涡流传感器还可以用来测量哪些物理量?
实验三转子不平衡量测量
一、实验目的
1.通过实验了解并掌握机械振动速度测量的基本方法。
2.掌握了解和掌握采用磁电传感器测量转速的基本原理和方法。
3.掌握转速测量的基本方法。
4.掌握用应变测力环对物体进行称重的原理和方法。
5.了解转子不平衡量的测量方法以及原理
二、实验内容和原理
1.转子实验台简介
DRZZS-A型多功能转子试验台由:
1底座、2主轴、3飞轮、4直流电机、5主轴支座、
6含油轴承及油杯、7电机支座、8连轴器及护罩、9RS9008电涡流传感器支架、10磁电转
速传感器支架、11测速齿轮(15齿)、12保护挡板支架,几部分组成,如图1所示。
图3-1多功能转子试验台安装位置示意图
图3-2多功能转子试验台实物图
(1)主要技术指标为:
可调转速范围:
0~30000转/分,无级
电源:
DC12V
主轴长度:
500mm
主轴直径:
12mm
外形尺寸:
640×140×160mm
重量:
12.5kg
(2)与LabviEW软件平台相结合,可以完成以下实验
1)加速度传感器振动测量
2)速度传感器振动测量
3)磁电传感器转速测量
4)光电传感器转速测量
5)转子轴心轨迹测量
6)力传感器标定及称重实验
7)转子不平衡量测量
本次涉及的内容包括:
速度传感器振动测量、磁电传感器转速测量、力传感器标定及称重实验、转子不平衡量测量
2.速度传感器振动量测量
CD-21振动速度传感器的基本原理是基于一个惯性质量(线圈组件)和壳体,壳体中固定有磁铁,惯性质量用弹性元件悬挂在壳体上工作时,将传感器壳体固定在振动体上,这样当振动体振动时,在传感器工资频率范围内,线圈与磁铁相对运动,切割磁力线,在线圈内产生感应电压,该电压值正比于振动速度值,这就是振动速度传感器的工作原理。
图3-3是CD-21振动速度传感器的内部结构示意图。
图3-3磁电式振动速度传感器结构示意图
CD-21振动速度传感器的测量范围是10~1000Hz,灵敏度约是200mv/cm·s-1,并且灵
敏度K也是随着振动频率的改变而改变的,这个数据需要参考传感器的检定证书。
另外,
随DRMU-ME-B型综合实验台提供的转子实验模块内对速度传感器的信号也进行了放大,
放大器的增益是10倍。
3.磁电传感器转速测量
DRCD-12-A型磁电转速传感器采用了RS9001-1型无源磁电转速传感器作为敏感探头,为了适应采集卡对信号幅度的要求,在探头的处理电路中使用了限幅放大电路、比较器等电路,最后将幅值与转速成正比的类正弦(与发讯齿轮的齿形有关系)脉冲信号,处理成幅值在0~+5V的方波信号。
传感器的探头与转子实验模块通过BNC连接器连接,探头本身就是一个完整的RS9001-1型工业用无源磁电转速传感器。
探头的工作信号可以接到模拟示波器上进行观察。
据资料,RS9001-1型无源磁电转速传感器的测量范围在10~10000rpm(60齿),发讯齿轮的齿形最好是渐开线齿形,模数2~4。
输出的波形是近似正弦波。
如果使用大模数的齿轮或者用其他齿形将会产生巨大的波形畸变,妨碍精确测量。
DRZZS-A型转子实验台的发讯齿轮齿数为16,为了安全的考虑,并没有将齿轮做成标准的渐开线齿形,而是做成了圆顶。
磁电传感器的内部结构请参考图4-1,它的核心部件有衔铁、磁钢、线圈几个部分,衔铁的后部与磁性很强的磁钢相接,衔铁的前端有固定片,其材料是黄铜,不导磁。
线圈缠绕
在骨架上并固定在传感器内部。
为了传感器的可靠性,在传感器的后部填入了环氧树脂以固
定引线和内部结构。
图3-4磁电传感器的内部结构
使用时,磁电转速传感器是和测速(发讯)齿轮配合使用的,如图4-2。
测速齿轮的材
料是导磁的软磁材料,如钢、铁、镍等金属或者合金。
测速齿轮的齿顶与传感器的距离d
比较小,通常按照传感器的安装要求,d约为1mm。
齿轮的齿数为定值(通常为60齿)。
这样,当测速齿轮随被测旋转轴同步旋转的时候,齿轮的齿顶和齿根会均匀的经过传感器的
表面,引起磁隙变化。
在探头线圈中产生感生电动势,在一定的转速范围内,其幅度与转速
成正比,转速越高输出的电压越高,输出频率与转速成正比。
图3-5直射式光电传感器的工作方式
那么,在已知发讯齿轮齿数的情况下,测得脉冲的频率就可以计算出测速齿轮的转速。
如设齿轮齿数为N,转速为n,脉冲频率为f,则有:
通常,转速的单位是转/分钟(rpm),所以要在上述公式的得数再乘以60,才能得到以
rpm为单位的转速数据,即n=60×f/N。
在使用60齿的发讯齿轮时,就可以得到一个简单的
转速公式n=f。
所以,就可以使用频率计测量转速。
这就是在工业中转速测量中发讯齿轮多
为60齿的原因。
4.力传感器标定及称重
DRCZ-A型称重台由应变式力传感器、底座、支架和托盘构成,如图3-6所示。
其中,
力传感器由测力环和4个应变片构成的全桥电路组成。
当物料加到载物台后,4个应变片会
发生变形,通过电桥放大后产生电压输出。
图3-6称重实验台结构示意图
DRCZ-A型称重台具有精度高、复现性好的特点。
需要特别强调的是:
由于力传感器的
过载能力有限(150%),所以,在实际使用过程中应尽量避免用力压传感器的头部或冲击传
感器。
否则,极易导致传感器因过载而损坏!
电阻应变片是利用物体线性长度发生变形时其阻值会发生改变的原理制成的,其电阻丝
一般用康铜材料,它具有高稳定性及良好的温度、蠕变补偿性能。
测量电路普遍采用惠斯通
电桥(如图3-7所示),利用的是欧姆定律,测试输出量是电压差。
图3-7电阻应变片惠斯通电桥测量电路
本实验采用的电阻应变计采用的是惠斯通全桥电路,当物料加到载物台后,4个应变片
会发生变形,产生电压输出,经采样后送到计算机由DRVI快速可重组虚拟仪器平台软件处
理。
因为电桥在生产时有一些误差,不可能保证每一个电桥的电阻阻值和斜率保持一致。
所
以,传感器在使用之前必须要经过线性校正,这是由于计算机得到的是经过采样后的数字量,
与真实质量之间是一种线性关系,需要由标定来得到这个关系。
5.转子不平衡量测量
在转子的加工制造过程中,飞轮质量的分布不一定能够完全均匀,由于在运输的过程中
对转子也会产生一定的影响。
假设转子上有一不平衡量m,所处角度为α,用分量xm,ym表示不平衡量。
为了确定不平衡量m的大小和位置α,启动转子在工作转速下,采集震动速度信号,
并换算成振动速度,设震动速度为0V,则存在下列关系
式中K为比例系数。
在
点加重M,启动转子到工作转速,测得振动振速1V1,有如下关系:
用同样的方式分别在P2点
加试重,并测得振动值V2、V3,有如下关系
图3-8示意图
三、实验设备
1.计算机1台
2.LabvieW虚拟仪器平台1套
3.速度传感器(CD-21)1套
4.磁电转速传感器(DRCD-12-A
5.称重台(DRCZ-A)1台
6.基础实验平台1套
7.5芯-BNC转接线1条
8.转子实验台(DRZZS-A)1台
9.转子实验模块1套
四、实验内容和步骤
1.振动速度测量
1)将速度传感器通过配套的磁座吸附在转子实验台底座上,然后通过一根带五芯航空插头-BNC转接电缆连接到模块对应的接口上。
2)开启DRVI数据采集仪电源,启动电脑,运行“转子实验台-振动速度传感器振动测量实验”,如图3-9所示,启动电机,调整到一个稳定的转速,点击软件中“开关”按钮,观察和分析振动信号波形和频谱的变化情况。
图3-9振动速度测量实验界面
3)调节转速旋钮,调整电机转动速度,观察和分析所得到振动信号的波形和频谱。
关闭电机。
2.磁电传感器测速实验
1)将磁电传感器安装在转子试验台上专用的传感器架上,使其探头对准测齿轮的中部,调节探头与齿顶的距离,使测试距离为1mm,然后将其连接到模块对应的通道上。
2)开启DRVI数据采集仪电源,启动电脑,运行“转子实验台--磁电传感器转速测量实验”,如图所示,点击软件中“开关”按钮。
。
图3-10磁电传感器转速测量实验界面
3)启动转子实验台,调节转速旋钮使电机达到某一稳定转速
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