悬臂梁固有频率测量

上海第二工业大学

名称：传感器与测试技术技能实习

专业：机械电子工程

班级：13机工A1

姓名：

学号：2013481

指导老师：杨淑珍孙芳方

实训地点：14#407

目录

一、技能实习内容及要求 (1)

二、总体方案设计 (2)

2-1. 测量原理 (2)

2-2. 测试系统组成 (2)

2-3. 激励方法 (3)

三、实验硬的件选用 (3)

3-1、悬臂梁 (3)

3-2.传感器 (4)

3-3、电荷放大器 (5)

3-4、采集卡 (6)

四、硬件电路的设计 (6)

五、测量软件设计 (9)

六、小结和体会 (16)

一、技能实习内容及要求

1-1. 内容：

设计一个测试悬臂梁固有频率的自动测试系统，悬臂梁如下所示：

具体技术要求：

能显示相应所采集到的波形图、频谱图等相关图

能显示固有频率

能对固有频率进行超限报警，上下限制用户可设定

生成当前测试报告，（包括相应波形图和固有频率值以及合格状态）

1-2. 实训要求：

1、提出设计方案（提出测量原理，传感器选用和安装，构建测试系统）

2、设计测量电路（包括放大，滤波电路，制作滤波电路）

3、测试软件设计：利用Labview或其它开发程序（VB、VC等），设计测量软件进行数据采集和分析

4、调试

5、撰写实训报告

1-3. 报告要求：

1．实训内容

2.撰写总体设计方案

3.硬件选用（包括传感器、采集卡的选用和安装等）

4.电路设计（包括测量电路设计，系统总电路）

5.测量软件设计（包括软件设计流程图，各功能实现方法和代码，包括个主程序，子程序描述以及相应的重要参数设置如采样通道，采样频率，采样点数）

6.小结和体会（可包含调试中遇到的问题）

二、总体设计方案

2-1．测量原理：

在测试的过程中，通过脉冲锤敲击悬臂梁的横梁产生一个脉冲信号。信号会逐渐衰减，在衰减过程中会有一个时刻衰减到的频率和悬臂梁的固有频率相同，我们要找到的就是这个相同的频率，这个频率与悬臂梁固有频率形成共振，那时候的复制达到最大，用labview分析这个值，就可以测出悬臂梁的固有频率。

2-2．测试系统的组成：

图1测试系统组成图

测试系统包括下述三个主要部分：

激励部分：

实现对被测系统的激励（输入），使系统发生振动。它主要由激励信号源、功率放大器和激振器组成。

拾振部分：

检测并放大被测系统的输入、输出信号，并将信号转换成一定的形式（通常为电信号）。它主要由传感器、放大器组成。

分析记录部分：

将拾振部分传来的信号记录下来供分析处理并记下处理结果。它主要由各种记录设备和频谱分析设备组成。

2-3. 激励方法：脉冲激励（脉冲锤）

三、实验硬件的选用

3-1、悬臂梁（图2）

梁的一端为不产生轴向、垂直位移和转动

的固定支座，另一端为自由端（可以产生平行

于轴向和垂直于轴向的力）。在工程力学受

力分析中，比较典型的简化模型。在实际工程

分析中，大部分实际工程受力部件都可以简化

为悬臂梁。本次实验所要测得的就是悬臂梁的

固有频率。

3-2、传感器

工作原理：压电式加速度传感器是基于压电晶体的压电效应工作的。某些晶体在一定方向上受力变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去除后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称为“压电效应”，具有“压电效应”的晶体称为压电晶体。常用的压电晶体有石英、压电陶瓷等。

固定方法：其中采用钢螺栓固定，是使共振频率能达到出厂共振频率的最好方法。螺栓不得全部拧入基座螺孔，以免引起基座变形，影响加速度计的输出。本次实习采用的是CA-YD-188 压电式加速度传感器。结构图及实物图见图3-1、图3-2、图3-3。

CA-YD-188 压电式加速度传感器

技术指标：灵敏度：500mV/g

量程：10g

频率范围：4-4000Hz

安装谐振点:15kHz

分辨力：0.00004g

重量：40g

图3-1结构图安装螺纹：M5 mm

线性：≤1%

图3-3实物图

图3-2实物图

3-3、电荷放大器

电荷放大器由电荷变换级、适调级、低通滤波器、高通滤波器、末级功放、电源几部分组成。可以将传感器输出的微弱信号进行放大，使之容易采集。

本次选用的电荷放大器型号：DHF-7。实物图及原理图见图4.

DHF-7型电荷放大器是一种高性能的小型、简易、低价格的电荷电压转换器。主要性能参数：

电荷灵敏度：10mV～100mV/pC

工作频率：0.3Hz～50Hz

精度：≤2%（160Hz）

最大输入电荷：1000pC

最大输出电压：±10V

最大输出电流：±5mA

交流噪声：≤2mV

直流零漂：≤5mV

工作电源：≤外接±直流电压

外形尺寸：80×60×30mm

图4实物图及原理图

3-4、采集卡

数据采集(DAQ)，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采非电量或者电量信号，送到上位机中进行分析，处理。数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台

的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。 采集卡主要是捕获外界光电、视频、音频等模拟信号并将其数字化导入计算机进行数字处理的捕获设备，主要用图像采集卡、视频采集卡、音频采集卡（比如声卡）、数据采集卡等。本次实习采用的Advantech USB-4704型采集卡。单通道输入。 实物图见图5、图6。

Advantech USB-4704性能参数：

1）、支持USB2.0 2）、便携式 3）、总线供电 4）、8通道模拟输入 5）、14位分辨率AI 6）、采样率达48kS/s

7）、8通道DI/8通道DO, 2通道AO,1个32位计数器 8）、模块端子螺丝可拆卸 9）、适于DIN 导轨安装

图5采集卡实物图

图6采集卡实物图