懸臂梁固有頻率測(cè)量

1、上海第二工業(yè)大學(xué)名稱：傳感器與測(cè)試技術(shù)技能實(shí)習(xí)專業(yè)：機(jī)械電子工程班級(jí)：13機(jī)工A1姓名：學(xué)號(hào)：2013481指導(dǎo)老師：楊淑珍 孫芳方 實(shí)訓(xùn)地點(diǎn)：14#407目錄一、技能實(shí)習(xí)內(nèi)容及要求1二、總體方案設(shè)計(jì)22-1. 測(cè)量原理22-2. 測(cè)試系統(tǒng)組成22-3. 激勵(lì)方法3三、實(shí)驗(yàn)硬的件選用33-1、懸臂梁33-2.傳感器43-3、電荷放大器53-4、采集卡6四、 硬件電路的設(shè)計(jì)6五、測(cè)量軟件設(shè)計(jì)9六、小結(jié)和體會(huì)16一、技能實(shí)習(xí)內(nèi)容及要求1-1. 內(nèi)容：設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)試懸臂梁固有頻率的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，懸臂梁如下所示：具體技術(shù)要求：能顯示相應(yīng)所采集到的波形圖、頻譜圖等相關(guān)圖能顯示固有頻率能對(duì)固有頻率進(jìn)行超限報(bào)

2、警，上下限制用戶可設(shè)定生成當(dāng)前測(cè)試報(bào)告，（包括相應(yīng)波形圖和固有頻率值以及合格狀態(tài)）1-2. 實(shí)訓(xùn)要求：1、提出設(shè)計(jì)方案（提出測(cè)量原理，傳感器選用和安裝，構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng)）2、設(shè)計(jì)測(cè)量電路（包括放大，濾波電路，制作濾波電路）3、測(cè)試軟件設(shè)計(jì)：利用Labview或其它開發(fā)程序（VB、VC等），設(shè)計(jì)測(cè)量 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析4、調(diào)試5、撰寫實(shí)訓(xùn)報(bào)告1-3. 報(bào)告要求：1實(shí)訓(xùn)內(nèi)容2.撰寫總體設(shè)計(jì)方案3.硬件選用（包括傳感器、采集卡的選用和安裝等）4.電路設(shè)計(jì)（包括測(cè)量電路設(shè)計(jì)，系統(tǒng)總電路）5.測(cè)量軟件設(shè)計(jì)（包括軟件設(shè)計(jì)流程圖，各功能實(shí)現(xiàn)方法和代碼，包括個(gè)主程序，子程序描述以及相應(yīng)的重要參數(shù)設(shè)置如采樣通道

3、，采樣頻率，采樣點(diǎn)數(shù)）6.小結(jié)和體會(huì)（可包含調(diào)試中遇到的問題）二、總體設(shè)計(jì)方案2-1測(cè)量原理：在測(cè)試的過程中，通過脈沖錘敲擊懸臂梁的橫梁產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)。信號(hào)會(huì)逐漸衰減，在衰減過程中會(huì)有一個(gè)時(shí)刻衰減到的頻率和懸臂梁的固有頻率相同，我們要找到的就是這個(gè)相同的頻率，這個(gè)頻率與懸臂梁固有頻率形成共振，那時(shí)候的復(fù)制達(dá)到最大，用labview分析這個(gè)值，就可以測(cè)出懸臂梁的固有頻率。2-2測(cè)試系統(tǒng)的組成：圖1測(cè)試系統(tǒng)組成圖測(cè)試系統(tǒng)包括下述三個(gè)主要部分：激勵(lì)部分：實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)系統(tǒng)的激勵(lì)（輸入），使系統(tǒng)發(fā)生振動(dòng)。它主要由激勵(lì)信號(hào)源、功率放大器和激振器組成。拾振部分：檢測(cè)并放大被測(cè)系統(tǒng)的輸入、輸出信號(hào)，并將信號(hào)轉(zhuǎn)

4、換成一定的形式（通常為電信號(hào)）。它主要由傳感器、放大器組成。分析記錄部分：將拾振部分傳來的信號(hào)記錄下來供分析處理并記下處理結(jié)果。它主要由各種記錄設(shè)備和頻譜分析設(shè)備組成。2-3. 激勵(lì)方法：脈沖激勵(lì)（脈沖錘）三、實(shí)驗(yàn)硬件的選用3-1、懸臂梁（圖2）梁的一端為不產(chǎn)生軸向、垂直位移和轉(zhuǎn)動(dòng)的固定支座，另一端為自由端（可以產(chǎn)生平行于軸向和垂直于軸向的力）。 在工程力學(xué)受力分析中，比較典型的簡(jiǎn)化模型。在實(shí)際工程分析中，大部分實(shí)際工程受力部件都可以簡(jiǎn)化為懸臂梁。本次實(shí)驗(yàn)所要測(cè)得的就是懸臂梁的固有頻率。圖2懸臂梁3-2、傳感器 工作原理：壓電式加速度傳感器是基于壓電晶體的壓電效應(yīng)工作的。某些晶體在一定方向上受

5、力變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力去除后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為“壓電效應(yīng)”，具有“壓電效應(yīng)”的晶體稱為壓電晶體。常用的壓電晶體有石英、壓電陶瓷等。固定方法：其中采用鋼螺栓固定，是使共振頻率能達(dá)到出廠共振頻率的最好方法。螺栓不得全部擰入基座螺孔，以免引起基座 變形，影響加速度計(jì)的輸出。本次實(shí)習(xí)采用的是CA-YD-188 壓電式加速度傳感器。結(jié)構(gòu)圖及實(shí)物圖見圖3-1、圖3-2、圖3-3。CA-YD-188 壓電式加速度傳感器圖 3-1結(jié)構(gòu)圖技術(shù)指標(biāo)：靈敏度：500mV/g 量程：10g 頻率范圍：4-4000Hz 安裝諧振點(diǎn):15kHz

6、分辨力：0.00004g 重量：40g 安裝螺紋：M5 mm 線性：1%圖 3-2圖 3-3實(shí)物圖圖 3-2實(shí)物圖3-3、電荷放大器電荷放大器由電荷變換級(jí)、適調(diào)級(jí)、低通濾波器、高通濾波器、末級(jí)功放、電源幾部分組成?？梢詫鞲衅鬏敵龅奈⑷跣盘?hào)進(jìn)行放大，使之容易采集。本次選用的電荷放大器型號(hào)：DHF-7。實(shí)物圖及原理圖見圖4.DHF-7型電荷放大器是一種高性能的小型、簡(jiǎn)易、低價(jià)格的電荷電壓轉(zhuǎn)換器。 主要性能參數(shù)： 電荷靈敏度：10mV100mV/pC工作頻率：0.3Hz50Hz精度：2%（160Hz） 最大輸入電荷：1000pC 最大輸出電壓：±10V 最大輸出電流：±5mA

7、交流噪聲：2mV 直流零漂：5mV 工作電源：外接±直流電壓 外形尺寸：80×60×30mm圖4實(shí)物圖及原理圖 3-4、采集卡圖5采集卡實(shí)物圖 數(shù)據(jù)采集(DAQ)，是指從傳感器和其它待測(cè)設(shè)備等模擬和數(shù)字被測(cè)單元中自動(dòng)采非電量或者電量信號(hào)，送到上位機(jī)中進(jìn)行分析，處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計(jì)算機(jī)或者其他專用測(cè)試平臺(tái)的測(cè)量軟硬件產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測(cè)量系統(tǒng)。 采集卡主要是捕獲外界光電、視頻、音頻等模擬信號(hào)并將其數(shù)字化導(dǎo)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字處理的捕獲設(shè)備，主要用圖像采集卡、視頻采集卡、音頻采集卡（比如聲卡）、數(shù)據(jù)采集卡等。本次實(shí)習(xí)采用的Advantech USB-

8、4704型采集卡。單通道輸入。實(shí)物圖見圖5、圖6。Advantech USB-4704性能參數(shù)：1）、支持USB2.02）、便攜式3）、總線供電4）、8通道模擬輸入圖6采集卡實(shí)物圖5）、14位分辨率AI6）、采樣率達(dá)48kS/s7）、8通道DI/8通道DO, 2通道AO,1個(gè)32位計(jì)數(shù)器8）、模塊端子螺絲可拆卸9）、適于DIN導(dǎo)軌安裝4、 硬件電路設(shè)計(jì)4-1、硬件電路示意圖圖 7硬件電路示意圖硬件電路實(shí)際組裝圖圖 8硬件電路實(shí)際組裝圖接AGND接AI024V+24V- 五、測(cè)量軟件設(shè)計(jì)5-1軟件設(shè)計(jì)流程圖圖9程序設(shè)計(jì)流程圖5-2. 信號(hào)采集、分析、顯示通過labview軟件進(jìn)行信號(hào)采樣，數(shù)據(jù)處

9、理。圖 10程序前面板圖原始信號(hào)波形圖圖 11原始信號(hào)波形圖濾波后的信號(hào)波形圖圖 12濾波后波形圖頻譜圖圖 13頻譜圖5-3.labview軟件介紹 labview軟件介紹LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司研制開發(fā)，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都是采用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語(yǔ)言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。 LabVIEW軟件是NI設(shè)計(jì)平臺(tái)的核心，也是開發(fā)測(cè)量或控制系統(tǒng)的理想選擇。 LabVIEW開發(fā)環(huán)境集成了工程師和科學(xué)家快速構(gòu)建各種應(yīng)用所需的所有工具，旨在幫助

10、工程師和科學(xué)家解決問題、提高生產(chǎn)力和不斷創(chuàng)新。 LabVIEW （Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語(yǔ)言。傳統(tǒng)文本編程語(yǔ)言根據(jù)語(yǔ)句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而 LabVIEW 則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。VI指虛擬儀器，是 LabVIEW 的程序模塊。5-4. 采樣程序VI圖14采樣程序VI5-5. 信號(hào)處理圖圖15信號(hào)處理圖1）采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)圖16采樣參數(shù)2）、幅值測(cè)試裝置測(cè)試系統(tǒng)振動(dòng)的幅值大小，在測(cè)試系統(tǒng)

11、中反映了是否有激振信號(hào)輸入。力錘敲擊懸臂梁后會(huì)引起幅值變化，將其和一固定值進(jìn)行比較，當(dāng)幅值大于設(shè)定值是開始進(jìn)行信號(hào)處理。圖17幅值測(cè)量VI3）、帶通濾波器本測(cè)試系統(tǒng)中使用帶通濾波器將原始輸入信號(hào)進(jìn)行濾波，經(jīng)處理后將信號(hào)輸出到下一環(huán)節(jié)。圖18濾波器VI4）、頻譜測(cè)量裝置將濾波后的信號(hào)經(jīng)過傅立葉轉(zhuǎn)換后得出它的頻譜圖，用示波器將頻譜圖顯示，并輸出到下一環(huán)節(jié)。圖19頻譜測(cè)量VI5）、統(tǒng)計(jì)裝置獲取固有頻率，并輸出到顯示裝置，將固有頻率顯示。圖20統(tǒng)計(jì)VI6）報(bào)警程序 用于固有頻率的超上限與低下限作對(duì)比，起到報(bào)警作用，安全實(shí)驗(yàn)。圖21報(bào)警程序5-6. 總程序圖圖22總程序圖6、 小結(jié)和體會(huì)時(shí)光飛逝，歲月荏

12、苒，轉(zhuǎn)眼間，實(shí)訓(xùn)課就結(jié)束了，在這短的幾天里，使我受益匪淺。在這次實(shí)訓(xùn)課中，老師給我們小組布置的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目是懸臂梁固有頻率測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)。一開始，當(dāng)我們大致看了一下任務(wù)書里所要我們的東西的時(shí)候，因?yàn)檫@個(gè)項(xiàng)目，之前老師有在課堂上提到過，我們心想或許我們這個(gè)項(xiàng)目是所有項(xiàng)目里屬于簡(jiǎn)單一類的，畢竟因?yàn)檎n上說過，還不算陌生?？墒牵任覀冮_始行動(dòng)，進(jìn)行接線編程的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)許多的問題接踵而至，首先課堂上的內(nèi)容通過實(shí)踐行動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，這個(gè)過渡就很痛苦，因?yàn)榈谝淮蝿?dòng)手操作，很多地方需要不斷嘗試，所以在選硬件上，我們還是通過老師耐心的幫助才選定的。并且在老師的指導(dǎo)下我們才知道只有將電荷放大器接入數(shù)據(jù)采集卡，在由數(shù)據(jù)采集卡通過USB接入電腦，并使用LabVIEW軟件才能測(cè)出固有頻率。接完線，我們開始逐步進(jìn)行在LabVIEW上已有的模板上進(jìn)行添加并連線其它元件。在使用LABVIEW軟件的時(shí)候，我們遇到了一些問題，不如當(dāng)使用脈沖錘對(duì)懸臂梁敲擊完，我們只有通過停止按鈕才能停止頻率圖，并且同時(shí)波形圖也會(huì)停止，只有重新啟動(dòng)，才能開始第二次試驗(yàn)，當(dāng)我們完成的時(shí)候，我們抱著僥幸的心理向老師詢問這樣做是否合格，可后來還是被老師的火眼金睛發(fā)現(xiàn)了，并十分明確的指出這樣做是不符合要求的，在老師細(xì)心的點(diǎn)撥下，我們?cè)黾恿艘粋€(gè)頻率范圍，使系統(tǒng)能自動(dòng)判斷濾波后的波形圖的頻率是否達(dá)到我們所需要的數(shù)值