【導讀】在知識內容、實驗儀器、實驗方法等方面都發(fā)生了意義深遠的變革與更新，行選擇測量裝置，搭建測試系統(tǒng)，確定試驗方法步驟等。求，我學科組重新編制了“傳感器與測試技術實驗指導書”。不同層次的教學任務，可按大綱要求自行選擇部分實驗內容。自學與復習，本書按教材章節(jié)順序編寫實驗內容。因時間倉促，水平所限，難免有錯誤與不妥之處，懇請讀者批評指正，并愿廣泛征求反饋意見，進一步修改完善，推出正式版本。2．掌握快速正弦掃頻激振測試及實驗數(shù)據(jù)處理；4．完成實驗過程，記錄實驗數(shù)據(jù)。數(shù)，并加以分析；2)熟悉典型信號，如方波、三角波、鋸齒波等的分解與合成過程。5)逐步增加合成諧波分量的數(shù)目，重新合成，觀察合成波形的變化，6)同樣，在典型信號中選擇其它信號，重復上述操作。1)任選某一種典型信號，推導其傅立葉級數(shù)；1）打開“測試實驗軟件”，進入實驗二；2）在典型周期信號中選擇方波，單擊頻譜分析，觀察其幅、相頻譜；

　　

【正文】 4）在典型信號中分別選擇正弦信號和矩形波，觀察兩個信號的互功率譜； 5）給定一個系統(tǒng)的輸入和輸出，分別求其自功率譜和互功率譜，然后確定系統(tǒng)的頻率響應函數(shù)，及相干函數(shù)。 實驗報告要求（包括思考題）： 1）畫出正弦信號的自功率譜； 2）畫出正弦信號 +噪聲的自功率譜； 3）畫出正弦信號和矩形波的互功率譜； 4）總結自功率譜、互功率譜的性質； 5）為什么用互功率譜求頻率響應函數(shù)，可以消除噪聲影響？ 6）為什么相干函數(shù)可反映系統(tǒng)的輸入、輸出之間的關系？ 37 第二篇 工程測試應用實驗 第六章 振動的測試 （ 22）振動信號測試實驗 試驗目的： 1）掌握常用振動測試傳感器及前置放大器的使用方法； 2）掌握振動信號采集儀器的使用方法； 3）熟悉實測振動信號的分析方法。 實驗儀器與系統(tǒng)框圖： 1）振動實驗臺； 2）壓電加速度傳感器； 3）電荷放大器（包括抗混疊濾波器，一 次積分功能）； 4）導線若干； 5）計算機，信號采集分析系統(tǒng) SDAS2； 6）系統(tǒng)框圖為： 實驗原理： 1）常用的振動測試傳感器為渦流位移傳感器、磁電式速度計、壓電式加速度計。 其中壓電式加速度計是最常用的。 屬于絕對式、接觸式拾振器，用于測量振動加速度。 其工作原理為：根據(jù)基礎運動所引起的受迫振動原理，首先由慣性系統(tǒng)將被測物體的振動轉換為質量塊 殼體的相對運動，而后用壓電片將與相對位移成正比的彈簧力轉換為電荷輸出。 低端截止頻率取決于壓電材料的壓電特性（約為 1Hz）；上限頻率則取決于質量塊系 統(tǒng)的共振頻率（可高達 10kHz），與傳感器的固定方式有關。 鋼螺栓連接，共振頻率最高；絕緣螺栓 +云母墊片連接，用于需要絕緣振動實驗臺 計算機 信號采集分析系統(tǒng)SDAS2 壓電加速度傳感器 電荷 放大器 38 的場合；粘結劑連接，但軟性粘結劑會顯著降低共振頻率；永久磁鐵固定，使用方便，可使加速度計與被測對象絕緣，多在低頻測量中使用；手持探針方法，使用上限頻率一般不超過 1000Hz，在多點測試時使用方便，但測量誤差較大，重復性差。 靈敏度有電荷靈敏度和電壓靈敏度之分，分別后接電荷放大器和電壓放大器。一般常用的 壓電式加速度計為電荷輸出，其靈敏度標為 電荷靈敏度，需后接 電荷放大器。若 壓電式加速度計為電 壓輸出，其靈敏度標為 電壓靈敏度，需后接電壓放大器。 2）荷放大器的的主要作用是將傳感器輸出的微弱信號進行放大，并進行阻抗變換。 電荷放大器的主要參數(shù)為靈敏度的調節(jié)，針對配套使用的壓電式加速度計，調節(jié)電荷放大器的靈敏度，與壓電式加速度計的電荷靈敏度一樣。 大概估計被測信號的最高頻率，然后設置抗混疊濾波器的參數(shù)，濾掉被測信號中高頻噪聲，以保證下一步采樣不會出現(xiàn)混疊現(xiàn)象。 壓電式加速度計直接測量得到的是振動加速度，若想得到振動速度，必須經過一次積分放大器。同樣，若想得到振動位移，須經過二次積分放大器。但是，積分放 大器存在一定的誤差，將降低儀器的使用范圍。 3）信號采集分析系統(tǒng)的作用是將實際測量的模擬信號數(shù)字化，然后用數(shù)字信號處理方法對其進行分析。 首先，信號采集分析系統(tǒng)將實際測量的模擬信號轉化為數(shù)字信號，存入計算機。這部分功能是由 A/D 轉換器 +計算機來實現(xiàn)的，即插在計算機擴展槽內的數(shù)據(jù)采集卡。采樣速度取決于 A/D 轉換器的速度，量化精度取決于A/D 轉換器的長度。 然后，數(shù)字信號的處理是由軟件實現(xiàn)的，其核心是離散傅立葉變換 DFT。 4）振動實驗臺的作用是產生振動信號。一切可以產生振動信號的物體，都可以作為被測對象，也即 都可以作為振動實驗臺。 實驗內容與步驟： 1）選擇被測對象，固定壓電加速度傳感器； 2）根據(jù)系統(tǒng)框圖連線，按照要求設置電荷放大器、抗混疊濾波器、積分放大器； 3）打開信號采集分析系統(tǒng) SDAS2，首先設置采樣參數(shù)； 39 4）單擊 開始采樣 ，開始采樣，觀察振動信號的時域波形； 5）對已經存入硬盤的振動數(shù)據(jù)，進行各種分析，如幅值譜、功率譜等（詳細可參加第一章、第五章基礎理論實驗）。 實驗報告要求（包括思考題）： 1）畫出系統(tǒng)框圖，簡要說明各部分的功能； 2）針對某一次采樣，畫出時域波形及各種分析結果圖形； 3） 壓電加速度傳感器的固定方式有幾種？ 4）為什么壓電加速度傳感器的上限使用頻率和傳感器的固定方式有關？ 5）為什么要設置抗混疊濾波器？ （ 23）機械結構的振動參數(shù)測試實驗 試驗目的： 1）掌握常用激振器、功放、信號發(fā)生器的使用方法； 2）掌握常用振動測試傳感器及前置放大器的使用方法； 3）掌握振動信號采集儀器（ SDAS2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）的使用方法； 4）掌握快速正弦掃頻激振的實驗方法及實驗數(shù)據(jù)處理方法； 5）了解錘擊激振的實驗方法及實驗數(shù)據(jù)處理方法。 實驗儀器與系統(tǒng)框圖： 1）被測機械結構 —— 懸臂梁； 2） JZ1 激振器、 GF10 功率放大器； 3）激振錘； 4） YJZ1 壓電加速度傳感器、 FDH4 電荷放大器（包括抗混疊濾波器，一次積分功能）； 5）計算機，信號采集分析系統(tǒng) SDAS2； 6）系統(tǒng)框圖為： 快速正弦掃頻激振 振動實驗臺 計算機 信號采集分析系統(tǒng) 信號發(fā)生器SDAS2 壓電加速度傳感器 電荷放大器 功率放大器 激振器 40 錘擊激振 實驗原理： 1）常用的振動測試傳感器為渦流位移傳感器、磁電式速度計、壓電式加速度計。 其中壓電式加速度計是最常用的。 屬于絕對式、接觸式拾振器，用于測量振動加速度。 其工作原理為：根據(jù)基礎運動所引起的受迫振動原理，首先由 慣性系統(tǒng)將被測物體的振動轉換為質量塊 殼體的相對運動，而后用壓電片將與相對位移成正比的彈簧力轉換為電荷輸出。 低端截止頻率取決于壓電材料的壓電特性（約為 1Hz）；上限頻率則取決于質量塊系統(tǒng)的共振頻率（可高達 10kHz），與傳感器的固定方式有關。 鋼螺栓連接，共振頻率最高；絕緣螺栓 +云母墊片連接，用于需要絕緣的場合；粘結劑連接，但軟性粘結劑會顯著降低共振頻率；永久磁鐵固定，使用方便，可使加速度計與被測對象絕緣，多在低頻測量中使用；手持探針方振動實驗臺 計算機 信號采集分析系統(tǒng)SDAS2 壓電加速度傳感器 電荷放大器 激振錘 懸臂梁 加速度計 FDH— 4 電荷放大器 SDAS— II 數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng) A B 計算機 打印機 JZ— 1 激振器 SF— 10 功率放大器 41 法，使用上限頻率一般不超過 1000Hz，在多點測試時使用方便，但測量誤 差較大，重復性差。 靈敏度有電荷靈敏度和電壓靈敏度之分，分別后接電荷放大器和電壓放大器。一般常用的 壓電式加速度計為電荷輸出，其靈敏度標為 電荷靈敏度，需后接 電荷放大器。若 壓電式加速度計為電壓輸出，其靈敏度標為 電壓靈敏度，需后接電壓放大器。 2）電荷放大器的的主要作用是將傳感器輸出的微弱信號進行放大，并進行阻抗變換。 電荷放大器的主要參數(shù)為靈敏度的調節(jié)，針對配套使用的壓電式加速度計，調節(jié)電荷放大器的靈敏度，與壓電式加速度計的電荷靈敏度一樣。 大概估計被測信號的最高頻率，然后設置抗混疊濾波器的參數(shù)，濾掉被測信號中 高頻噪聲，以保證下一步采樣不會出現(xiàn)混疊現(xiàn)象。 壓電式加速度計直接測量得到的是振動加速度，若想得到振動速度，必須經過一次積分放大器。同樣，若想得到振動位移，須經過二次積分放大器。但是，積分放大器存在一定的誤差，將降低儀器的使用范圍。 3）信號采集分析系統(tǒng)的作用是將實際測量的模擬信號數(shù)字化，然后用數(shù)字信號處理方法對其進行分析。 如圖所示為 SDAS2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。 由 CPU 通過 ISA 總線把數(shù)字量輸入經 DA 轉換器，轉換為模擬電壓量，控制壓控振蕩器產生正弦波、方波、三角波或掃頻信號輸出，實現(xiàn)信號發(fā)生器功能。由 此輸出的掃頻正弦信號經功率放大器、激振器，激起被測結構產生強迫振動，并由壓電加速度計拾取振動信號，經過預處理輸入 AD 轉換器，變?yōu)閿?shù)字量經 ISA 總線輸入計算機。 計算機通過底層接口程序實現(xiàn)對 ISA 插槽上數(shù)據(jù)采集卡的控制，完成數(shù)據(jù)采集及模擬信號輸出功能，采集后的信號輸入計算機由分析處理程序完成各種分析功能，分析后的結果在屏幕上動態(tài)刷新圖形顯示，并可將圖形、數(shù)據(jù)存儲或打印輸出。 被 測 結 構 加速度計 激振器 功 放 信號發(fā)生 信號預處理 PC插卡 A/D模塊 D/A模塊 PC機 ISA總線 顯示 存儲 打印 測 控 分 析 軟 件 計 算 機 A B 42 4）以懸臂梁為被測機械結構。實際上，一切可以產生振動信號的物體，都 可 以 作 為 被 測 對 象 。 懸 臂 梁 一 階 固 有 頻 率 的 理 論 計 算 公 式 為? ?HZSEILAf n ?? ?? 022 式中 E梁的彈性模量 E= 1011Pa Io梁橫截面慣性矩 Io= 1010m4 L懸臂梁長度 L= S。梁的橫截面積 S= 106m2 A振型常數(shù) A=（一階） ρ 梁材料單位體積 質量 ρ = 103kg/m3 5）激振方式分為 穩(wěn)態(tài)正弦激振、隨機激振、瞬態(tài)激振。穩(wěn)態(tài)正弦激振的精度最高，但分析速度稍慢。瞬態(tài)激振又包括穩(wěn)態(tài)正弦掃描激振、錘擊激振、階躍激振，最常用的是前兩種。 6）信號發(fā)生器的作用是產生所需要的激勵信號。功率放大器的作用則是放大信號發(fā)生器的輸出信號，產生足夠的功率，去驅動激振器。激振器是激勵的實施者，使振動實驗臺產生必須的振動。 實驗內容與步驟： 1）選擇被測對象，固定壓電加速度傳感器，連接激振器； 2）根據(jù)系統(tǒng)框圖連線，按照要求設置電荷放大器、抗混疊濾波器、 積分放大器，以及信號發(fā)生器、功率放大器； 3）打開信號采集分析系統(tǒng) SDAS2，首先設置采樣參數(shù)； 4）對于正弦掃頻激振，設置 正弦激振 ， 5）對于錘擊激振，設置 錘擊激振 ， 6）單擊 開始采樣 ，開始采樣，觀察振動信號的時域波形； 7）對已經存入硬盤的振動數(shù)據(jù)，進行頻率響應函數(shù)分析，得到被測對象的幅頻特性曲線、相頻特性曲線； 8）根據(jù)測得的幅頻特性曲線、相頻特性曲線，估計被測對象的固有頻 43 率、阻尼比。 實驗報告要求（包括思考題）： 1）畫出系統(tǒng)框圖，簡要說明各部分的功能； 2）畫出測得的幅頻特性曲線、相頻特性曲線 ； 3）說明如何根據(jù)幅頻特性曲線、相頻特性曲線估計系統(tǒng)的固有頻率、阻尼比。 4）為什么高頻激振時，激振器和基礎之間要彈性連接？ 5）為什么激振器和被測對象要用一個彈性桿連接？ 6）對于大型工件（如車床床身等）采用什么樣的激振方式？ 44 第七章 其他動態(tài)參量的測試 （ 24）回轉軸徑向運動誤差測試實驗 試驗目的： 1）了解回轉軸徑向運動誤差的產生； 2）掌握用電渦流傳感器測量回轉軸徑向運動誤差的方法。 實驗儀器與系統(tǒng)框圖： 1）電渦流傳感器 2）計算機 3） INV303B 采集器 4） DASP 信號采集分析 軟件 實驗原理： 1）回轉軸徑向運動誤差是指在回轉過程中回轉軸線偏離理想位置而出現(xiàn)的附加運動。 理想的回轉運動只允許回轉軸有繞 z 軸旋轉這一自由度，而其余五個自由度均應受到約束，它們的（直線或角）位移都應為零。但實際上，由于存在軸承、軸頸和支承孔的加工誤差，軸承靜、動載荷的變化等原因，回轉軸線的空間位置是在不斷變化的，即回轉軸現(xiàn)在其余五個自由度上的位移并不為零，產生了“不需要”的運動。將這些運動統(tǒng)稱為回轉軸的運動誤差。 運動誤差使回轉軸上任何一點產生與軸線平行的移 動和在垂直軸線的平面內的移動。前一點的移動稱為該點的端面運動誤差。后一種移動稱為該點的徑向運動誤差。端面運動誤差因測量點所在半徑位置不同而異，徑向運動誤差則因測量點所在的軸向位置不同而異。所以在討論運動誤差時，應指明測量點的位置。 回轉軸徑向運動誤差的測量和控制，是各種精密設備及大型、高速、重載設備的重要技術問題之一。通過回轉軸徑向運動誤差的測定，可了解回轉軸的運動狀態(tài)和判斷產生誤差運動的原因。 回轉徑