測試技術實驗報告3-2023

實驗題目：《測試裝置動態(tài)特性的測量》實驗報告第3組姓名+學號：胡孝義2111701272付青云2111701146黃飛2111701306黃光燦2111701322柯桂浩2111701321李婿2111701346鄺祎程2111701312實驗時間：2023年12月29日實驗班級：實驗教師：鄒大鵬教授成績評定：_______教師簽名：_______機電學院工程測試技術實驗室廣東工業(yè)大學廣東工業(yè)大學實驗報告一、預習報告：（進入實驗室之前完成）1.實驗目的與要求:目的：1）．了解差動變壓器式位移傳感器的工作原理2）．掌握測試裝置動態(tài)特性的測試3）．掌握m-k-c二階系統(tǒng)動態(tài)特性參數(shù)的影響因素要求：1).差動變壓器式位移傳感器的標定2）．彈簧振子二階系統(tǒng)的阻尼比和固有頻率的測量2.初定設計方案:根據(jù)測量出的彈簧振子欠阻尼二階系統(tǒng)的階躍響應曲線來求系統(tǒng)的動態(tài)特性：固有頻率ωn和阻尼比ξ。實驗時確定的設計方案:先將質量振子偏離平衡，具有一定的初始位移，然后松開。該二階系統(tǒng)在初始位移的作用下，產(chǎn)生一定的輸出，位移傳感器采集到系統(tǒng)的輸出并傳輸給計算機，生成階躍響應曲線。該輸出是由初始狀態(tài)引起的，可稱之為零輸入響應，也可看作是由初始位置到零的階躍響應。(1)求有阻尼固有頻率ωdωd=2π/Td（2）求阻尼比ξ利用任意兩個超調量M和M可求出其阻尼比，n是該兩個峰值相隔的某一整周期數(shù)。計算公式為ξ=(3)求無阻尼固有頻率ωn計算出有阻尼固有頻率ωd，阻尼比ξ之后，根據(jù)公式可求出系統(tǒng)的固有頻率ωnωd=求彈簧的剛度和振子組件的質量振子組件主要由振子、滑桿、振子位置調節(jié)器、阻尼片、傳感器連接桿等組成。利用已知質量的U型質量塊，求出彈簧的剛度K。K=式中，m為U型質量塊的質量，Δx為將U型質量塊疊放在振子上之后彈簧長度的變化量。求出系統(tǒng)的無阻尼固有頻率ωn彈簧剛度K之后，就可以根據(jù)公式得出振子組件的質量mz。mz=3.實驗室提供的儀器設備、元器件和材料該實驗需要的主要儀器設備有：彈簧振子實驗臺、計算機、采集卡、電源。彈簧振子實驗臺的原理如圖1所示，主要由彈簧k、質量振子m、阻尼器c，傳感器、臺架、振子位置調節(jié)器等組成。阻尼器由阻尼薄片和介質阻尼及傳感器鐵心運動副組成，更換不同面積的阻尼薄片和介質，可獲得不同的阻尼系數(shù)。二、實驗后確定的實驗報告1.實驗時確定的設計方案:根據(jù)測量出的彈簧振子欠阻尼二階系統(tǒng)的階躍響應曲線來求系統(tǒng)的動態(tài)特性：固有頻率ωn和阻尼比ξ。先將質量振子偏離平衡，具有一定的初始位移，然后松開。該二階系統(tǒng)在初始位移的作用下，產(chǎn)生一定的輸出，位移傳感器采集到系統(tǒng)的輸出并傳輸給計算機，生成階躍響應曲線。該輸出是由初始狀態(tài)引起的，可稱之為零輸入響應，也可看作是由初始位置到零的階躍響應。(1)求有阻尼固有頻率ωdωd=2π/Td（2）求阻尼比ξ利用任意兩個超調量M和M可求出其阻尼比，n是該兩個峰值相隔的某一整周期數(shù)。計算公式為ξ=(3)求無阻尼固有頻率ωn計算出有阻尼固有頻率ωd，阻尼比ξ之后，根據(jù)公式可求出系統(tǒng)的固有頻率ωnωd=求彈簧的剛度和振子組件的質量振子組件主要由振子、滑桿、振子位置調節(jié)器、阻尼片、傳感器連接桿等組成。利用已知質量的U型質量塊，求出彈簧的剛度K。K=式中，m為U型質量塊的質量，Δx為將U型質量塊疊放在振子上之后彈簧長度的變化量。求出系統(tǒng)的無阻尼固有頻率ωn彈簧剛度K之后，就可以根據(jù)公式得出振子組件的質量mz。mz=2.實驗步驟、實驗結果和數(shù)據(jù):實驗步驟：1.差動變壓器傳感器的標定(1)啟動實驗軟件“測試裝置動態(tài)特性測試.exe”。(2)用鼠標單擊屏幕上“采集”框內(nèi)“采樣設置”按鈕，進行實驗軟件的參數(shù)設置，如采樣頻率和所選用的數(shù)據(jù)采集儀的采用通道、傳感器的靈敏度等。由于傳感器的靈敏度S未知，先將其設為1V/mm。(3)單擊“采集”框內(nèi)的“開始采樣”按鈕，啟動數(shù)據(jù)采集，傳感器輸出的電壓信號被實時采集到計算機里并以數(shù)字和曲線的形式顯示在屏幕上。此時，由于S=1,則“位移”框內(nèi)顯示的也是電壓值。(4)利用振子位置調節(jié)器，調整振子的平衡位置，使傳感器的輸出為零。(5)轉動振子位置調節(jié)器或用手拉，使振子組件偏離平衡位置，傳感器的輸出電壓也會隨之變化；利用安裝在臺架立柱內(nèi)側的鋼尺，記錄振子組件在不同位置Y時，傳感器的輸出電壓。建議每變化10mm,記錄一次電壓。表1位移Y電壓U（6）利用表1中的數(shù)據(jù)，計算出傳感器的靈敏度S。完成差動變壓器位移傳感器的標定，得到傳感器的靈敏度S(V/mm)。先求每一點的靈敏度SiSi=對各點靈敏度取平均，得到傳感器的靈敏度S。S=(7）點擊“采樣設置”，修改傳感器的靈敏度。此時，“位移”框內(nèi)顯示的是振子的實際位移。2．彈簧剛度的測量1)1號彈簧剛度K2的測量(1)m=mz記下此時傳感器的輸出位移，填入表中(2)m=mz+m1u將1號U型質量塊疊放在振子組件上，系統(tǒng)質量為振子組件的質量與1號U型質量塊的質量之和。等振子穩(wěn)定下來后，記下此時傳感器的輸出位移，填入表中。(3)m=mz+m2u卸下1號U型質量塊，將2號U型質量塊疊放在振子組件上，此時系統(tǒng)質量為振子組件的質量與2號U型質量塊的質量之和。等振子穩(wěn)定下來后，記下此時傳感器的輸出位移，填入表中。質量mzmz+mu1mz+mu2剛度(N/m)位移（mm）35.1212.26-0.2558.1(4)根據(jù)上表數(shù)據(jù)，計算彈簧的剛度。打開“彈簧剛度的測量.xls”,輸入相關數(shù)據(jù)，可自動計算彈簧的剛度。2）2號彈簧剛度K2的測量，方法和步驟同上。質量mzmz+mu1mz+mu2剛度位移011.0017.0279.63.系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)的測量完成如下5情況下的系統(tǒng)的階躍響應的測量，建議每種情況至少要采集2次。同組的幾位同學都需要采集不同的數(shù)據(jù)，不能共用相同的數(shù)據(jù)。用鼠標單擊屏幕上“采集”框內(nèi)的“采樣設置”按鈕，輸入計算得到的傳感器的靈敏度S。質量振子組件+1號彈簧+阻尼器放在空氣中m=mz：系統(tǒng)的質量為質量振子組件的質量mz。K=K1：系統(tǒng)的剛度為1號彈簧的剛度K1。c=c1：阻尼器放在空氣中，系統(tǒng)的阻尼為c1。(1)將振子的位移調到0附近(2)用手往下拉質量振子，使其偏離平衡位置一定的距離。(3)單擊“數(shù)據(jù)”框內(nèi)的“暫存”按鈕，然后松開彈簧振子，質量振子就會在平衡位置附近作衰減震蕩運動，采集到的數(shù)據(jù)被暫時保存在內(nèi)存里。(4)當質量振子停下來之后，先單擊“數(shù)據(jù)”框內(nèi)的“停止暫存”按鈕，停止保存數(shù)據(jù)。然后再單擊“采集”框內(nèi)的“停止采樣”按鈕，停止數(shù)據(jù)采集。(5)單擊“數(shù)據(jù)”框內(nèi)的“回放”按鈕，將采集到的數(shù)據(jù)全部顯示在屏幕中的圖形顯示區(qū)中。單擊“數(shù)據(jù)”框內(nèi)的“回放設置”可設置回放的數(shù)據(jù)范圍，即可只顯示其中一部分數(shù)據(jù)。(6)單擊“數(shù)據(jù)”框內(nèi)的“保存為文件”按鈕，在彈出的對話框中設置數(shù)據(jù)保存的路徑和文件名，將回放的數(shù)據(jù)保存為文本文件，得到第①組數(shù)據(jù)。2)改變系統(tǒng)的阻尼質量振子組件+1號彈簧+阻尼器放在水中m=mz：系統(tǒng)的質量等于質量振子組件的質量mz。K=K1：系統(tǒng)的剛度等于1號彈簧的剛度。c=c2：阻尼器放在水中，系統(tǒng)的阻尼為c2。重復步驟1)，得到第②組數(shù)據(jù)。3)改變系統(tǒng)的質量：(質量振子組件+1號U型質量塊)+1號彈簧+阻尼器放在水中m=mz+m1u：系統(tǒng)質量為振子組件的質量與1號U型質量塊的質量之和。K=K1：系統(tǒng)的剛度等于1號彈簧的剛度。c=c2：阻尼器放在水中，系統(tǒng)的阻尼為c2。重復步驟1)，得到第③組數(shù)據(jù)。4)更換為2號彈簧，改變系統(tǒng)的彈簧剛度(質量振子組件+1號U型質量塊)+2號彈簧+阻尼器放在水中m=mz+m1u：系統(tǒng)的為質量振子組件的質量與1號U型質量塊的質量之和。K=K2：系統(tǒng)的剛度等于1號彈簧的剛度。c=c2：阻尼器放在水中，系統(tǒng)的阻尼為c2。重復步驟1)，得到第④組數(shù)據(jù)。5)改變系統(tǒng)的質量(質量振子組件+2號U型質量塊)+2號彈簧+阻尼器放在水中m=mz+m2u：系統(tǒng)的為質量振子組件的質量與2號U型質量塊的質量之和。K=K2：系統(tǒng)的剛度等于2號彈簧的剛度。c=c2：阻尼器放在水中，系統(tǒng)的阻尼為c2。重復步驟2)，得到第⑤組數(shù)據(jù)。用優(yōu)盤拷貝自己保存的數(shù)據(jù)文件。4.實驗數(shù)據(jù)處理和分析1)計算出上述5種情況下系統(tǒng)的動態(tài)特性參數(shù)(ωd、ξ）(1)打開保存有數(shù)據(jù)的文本文件(2)利用最后的部分數(shù)據(jù)計算出系統(tǒng)階躍響應的穩(wěn)態(tài)值(3)找出各個峰值及其對應的時間(4)峰值減去穩(wěn)態(tài)值即可得到各個超調量(5)根據(jù)各個超調量及其時間，利用相關公式，即可計算出系統(tǒng)的動態(tài)特性參數(shù)。2)繪出5種情況下系統(tǒng)的階躍響應曲線建議利用matlab完成。(1)啟動matlab(2)打開保存有數(shù)據(jù)的文本文件，如打開文件“3104000402_張三_No1(mz_K1_C1).txt”,將該文件另存為“No1.txt”后，選中并刪除文本文件“No1.txt”開頭包含有漢字的前7行（有5行漢字，2個空格行）。刪除了開頭幾行漢字的“No1.txt”文本文件的開頭如圖1所示。(3)將文本文件No1.txt復制到matlab的當前工作目錄下或將No1.txt所在的文件夾設為matlab的當前工作目錄。(4)在matlab的命令窗口中輸入:loadNo1.txt;通過上述命令將文本文件“No1.txt”中的數(shù)據(jù)導入matlab的工作空間，生成一個名為No1的多行5列的數(shù)組，可利用whos命令查看，如圖2所示。(5)繪制位移曲線。橫坐標為時間，是數(shù)組No1中的第4列,利用No1(:,4)提取數(shù)組中的第4列。由于第4列保存的是采樣時計算機的系統(tǒng)時間，單位為毫秒（ms），不是從零開始的。利用(No1(:,4)-No1(1,4))*0.001將時間調整為從零開始，乘以0.001是將時間單位換成秒（s）?？v坐標為位移，是數(shù)組No1中的第2列。利用No1(:,2)提取數(shù)組中的第2列。在命令窗口輸入：plot((No1(:,4)-No1(1,4))*0.001,No1(:,2))即可繪出系統(tǒng)的位移曲線。如圖3所示。(6)plot命令會得到一個后綴為.fig的圖形文件。對fig圖形文件的處理參見實驗“典型信號的合成與分解”的相關內(nèi)容。主要是將背景改為白色。3）根據(jù)計算結果，結合階躍響應曲線，進行分析(1)比較第①和②組數(shù)據(jù)的計算結果，分析阻尼c對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響。(2)比較第②和③、④和⑤組數(shù)據(jù)的計算結果，分析振子的質量m對系動態(tài)特性的影響。(3)比較第③和④組數(shù)據(jù)的計算結果，分析彈簧剛度K對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響。4）計算振子組件的質量mz3)系統(tǒng)的位移曲線（1）質量振子組件+1號彈簧+阻尼器放在空氣中m=mz：系統(tǒng)位移曲線13.結論（含結果分析）:（1）比較第①和②組數(shù)據(jù)的計算結果，分析阻尼c對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響。答：比較第①和②組數(shù)據(jù)，二階測量系統(tǒng)的階躍響應呈衰減的SIN函數(shù)振蕩，并隨時間的增長而趨于穩(wěn)態(tài)輸出。可以看出增加阻尼c,當振子質量m與彈簧剛度K不變時，阻尼比ξ=將增大，使上升時間tr、峰值時間tp增大，系統(tǒng)響應速度降低；減小超調量σ%，調節(jié)時間ts減小，降低系統(tǒng)振蕩。問題與討論:要求:必須提出2個以上與本次實驗有關的問題進行討論。1.m-k-c二階系統(tǒng)的響應速度主要用調整時間來衡量，能否通過增加彈簧的剛度K來提高m-k-c二階系統(tǒng)的響