附件10理论力学A实验指导书附件10理论力学A实验指导书实验一电荷放大器的使用和加速度传感器灵敏度的校准一、实验目的1.了解振动传感器原理；2.掌握振动测量传感器校准的绝对校准法：3.掌握振动测量传感器校准的相对校准法；4.了解振动测试系统的校准方法；5.掌握振动测试系统的使用方法与电荷放大器的正确使用方法。二、实验对象、实验仪器与实验原理框图1.实验对象：加速度传感器标准电荷采集箱计算机放大器2.原理框图工作电荷放大器传感器实验软件信号源振动台功率放大器3.实验仪器1)激振设备：信号源、功率放大器和振动台。2)标准校准组件：校准用的高精度标准加速度传感器和电荷放大器。用作参考基准的加速度传感器称为标准传感器，是被经过绝对校准法或高一级精度的相对校准法校准后的加速度传感器。3)工作组件：待校准的加速度传感器和电荷放大器。待校准的加速度传感器和电荷放大器成为工作传感器和工作电荷放大器。4)动态信号采集箱、信号处理软件和计算机。5)读数显微镜。三、振动传感器原理参阅：附录二振动传感器的机械接收原理。附录三压电式加速度传感器的机电变换原理。四、振动测试系统的校准1
附件 10 理论力学 A 实验指导书 1 附件 10 理论力学 A 实验指导书 实验一 电荷放大器的使用和加速度传感器灵敏度的校准 一、实验目的 1．了解振动传感器原理； 2．掌握振动测量传感器校准的绝对校准法； 3．掌握振动测量传感器校准的相对校准法； 4．了解振动测试系统的校准方法； 5．掌握振动测试系统的使用方法与电荷放大器的正确使用方法。 二、实验对象、实验仪器与实验原理框图 1．实验对象： 加速度传感器 2．原理框图 3．实验仪器 1)激振设备：信号源、功率放大器和振动台。 2)标准校准组件：校准用的高精度标准加速度传感器和电荷放大器。用作参考基准的加速度传 感器称为标准传感器，是被经过绝对校准法或高一级精度的相对校准法校准后的加速度传感器。 3)工作组件：待校准的加速度传感器和电荷放大器。待校准的加速度传感器和电荷放大器成为 工作传感器和工作电荷放大器。 4)动态信号采集箱、信号处理软件和计算机。 5)读数显微镜。 三、振动传感器原理 参阅：附录二 振动传感器的机械接收原理。 附录三 压电式加速度传感器的机电变换原理。 四、振动测试系统的校准 振动台 标准电荷 放大器 工作电荷 放大器 采集箱 计算机 功率放大器 信号源 传感器 实验软件
附件10理论力学A实验指导书参阅：附录一电荷放大器的使用方法。附录四振动测试仪器的校准。五、实验步骤1.按照实验原理框图连接实验仪器。2.将工作传感器和标准传感器并排安放在振动台的台面上，使它们经受相同的振动。安装时必须注意保证两传感器的共同重心落在振动台台面的中心线上。实验时将两个传感器的安装位置互换如果它们的输出电压之比值不变，则表明它们所感受的振动相同，否则，要调整安装位置。3.仔细检查各仪器间的连线有无短路、输出旋钮是否在最小位置，并确认无误。4.设置标准电荷放大器的增益在0.1V/unitout,其灵敏度旋钮按照标准传感器的标定书设置。5.依次打开信号源、功率放大器和振动台、计算机、采集箱的电源开关和电荷放大器的电源开关，预热30分钟。6．启动动态信号采集软件，设置硬件采样频率、电压范围、校正因子等参数，选择工程单位。7.按照记录表一给定的频率调整信号源频率，调整信号源输出信号幅度和功率放大器输出信号幅度使振动台振动加速度为合适值，比如使标准传感器的输出加速度有效值为10m/s。8.调整工作电荷放大器的灵敏度旋钮，使工作传感器的输出也为10m/s2，此时工作电荷放大器的灵敏度即为被校准的工作传感器的电荷灵敏度。9.设工作电荷放大器的灵敏度为Swg，由工作通道测量得到的加速度有效值为αwrmsm/s，由标准通道测量得到的加速度有效值为asrmsm/s2，则工作传感器的灵敏度S。可由下式计算,-s-(1)10.根据式（1）计算得到的工作传感器灵敏度，设置工作电荷放大器的灵敏度，在表二中记录两个通道的测量结果。11.式（1）中的S。也可以采用绝对校准法获得，与相对校准法不同的是绝对校准法采用下面的方法获得被测点的绝对加速度：用读数显微镜测量被测点的振动幅值A，单位为mm，由频率计测量振动信号的频率f，单位为Hz，然后由式（2）计算asrms，并记录在表三中。asms= 4x(20)m/s2(2)1000/212.根据绝对校准法计算得到的工作传感器灵敏度，设置工作电荷放大器的灵敏度，在表四中记录两个通道的测量结果。六、实验结果记录1.标准组件1)电荷放大器灵敏度：2
附件 10 理论力学 A 实验指导书 2 参阅：附录一 电荷放大器的使用方法。 附录四 振动测试仪器的校准。 五、实验步骤 1．按照实验原理框图连接实验仪器。 2．将工作传感器和标准传感器并排安放在振动台的台面上，使它们经受相同的振动。安装时必 须注意保证两传感器的共同重心落在振动台台面的中心线上。实验时将两个传感器的安装位置互换， 如果它们的输出电压之比值不变，则表明它们所感受的振动相同，否则，要调整安装位置。 3．仔细检查各仪器间的连线有无短路、输出旋钮是否在最小位置，并确认无误。 4．设置标准电荷放大器的增益在 0.1V/unit out ,其灵敏度旋钮按照标准传感器的标定书设置。 5．依次打开信号源、功率放大器和振动台、计算机、采集箱的电源开关和电荷放大器的电源开 关，预热 30 分钟。 6．启动动态信号采集软件,设置硬件采样频率、电压范围、校正因子等参数，选择工程单位。 7．按照记录表一给定的频率调整信号源频率，调整信号源输出信号幅度和功率放大器输出信号 幅度使振动台振动加速度为合适值，比如使标准传感器的输出加速度有效值为 10m/s2。 8．调整工作电荷放大器的灵敏度旋钮，使工作传感器的输出也为 10m/s2，此时工作电荷放大器 的灵敏度即为被校准的工作传感器的电荷灵敏度。 9．设工作电荷放大器的灵敏度为 Swq ，由工作通道测量得到的加速度有效值为 awrms m/s2，由标 准通道测量得到的加速度有效值为 srms a m/s2，则工作传感器的灵敏度 q S 可由下式计算 srms wrms q wq a a S = S （1） 10．根据式（1）计算得到的工作传感器灵敏度，设置工作电荷放大器的灵敏度，在表二中记录 两个通道的测量结果。 11．式（1）中的 q S 也可以采用绝对校准法获得，与相对校准法不同的是绝对校准法采用下面的 方法获得被测点的绝对加速度：用读数显微镜测量被测点的振动幅值 A ，单位为 mm，由频率计测 量振动信号的频率 f ，单位为 Hz，然后由式（2）计算 asrms ，并记录在表三中。 1000 2 2 2 A ( f ) asrms = m/s2 （2） 12．根据绝对校准法计算得到的工作传感器灵敏度，设置工作电荷放大器的灵敏度，在表四中 记录两个通道的测量结果。 六、实验结果记录 1．标准组件 1)电荷放大器灵敏度：
附件10理论力学A实验指导书2)加速度传感器灵敏度：3)标准传感器编号：2.相对校准实验记录1)工作传感器编号：表一相对校准实验记录表标准通道测量加工作通道测量加工作电荷放大器工作传感器计算信号频率(Hz)速度值速度值灵敏度灵敏度(m/s)(m/s*)3050901603.工作传感器相对法测量灵敏度验证实验记录表二工作传感器相对法测量灵敏度验证实验记录工作通道测量加标准通道测量加工作电荷放大器工作传感器速度值速度值信号频率(Hz)灵敏度灵敏度(m/s*)(m/s2)3050901604.绝对校准实验记录表三绝对校准实验记录被测点工作通道测量被测点振动绝信号频率工作电荷放大工作传感器计对加速度值加速度值振动幅值(Hz)器灵敏度算灵敏度(m/s)(m/s)(mm)3050 905.工作传感器绝对法测量灵敏度验证实验记录表四工作传感器绝对法测量灵敏度验证实验记录标准通道测量加工作通道测量加工作电荷放大器工作传感器速度值速度值信号频率(Hz)灵敏度灵敏度(m/s)(m/s)303
附件 10 理论力学 A 实验指导书 3 2)加速度传感器灵敏度： 3)标准传感器编号： 2．相对校准实验记录 1)工作传感器编号： 表一 相对校准实验记录表 信号频率 (Hz) 标准通道测量加 速度值 (m/s2 ) 工作通道测量加 速度值 (m/s2 ) 工作电荷放大器 灵敏度 工作传感器计算 灵敏度 30 50 90 160 3．工作传感器相对法测量灵敏度验证实验记录 表二 工作传感器相对法测量灵敏度验证实验记录 信号频率 (Hz) 标准通道测量加 速度值 (m/s2 ) 工作通道测量加 速度值 (m/s2 ) 工作电荷放大器 灵敏度 工作传感器 灵敏度 30 50 90 160 4．绝对校准实验记录 表三 绝对校准实验记录 信号频率 (Hz) 被测点 振动幅值 (mm) 被测点振动绝 对加速度值 (m/s2 ) 工作通道测量 加速度值 (m/s2 ) 工作电荷放大 器灵敏度 工作传感器计 算灵敏度 30 50 90 5．工作传感器绝对法测量灵敏度验证实验记录 表四 工作传感器绝对法测量灵敏度验证实验记录 信号频率 (Hz) 标准通道测量加 速度值 (m/s2 ) 工作通道测量加 速度值 (m/s2 ) 工作电荷放大器 灵敏度 工作传感器 灵敏度 30
附件10理论力学A实验指导书5090七、实验小结1.根据实验结果，总结绝对校准法和相对校准法的特点。2.分析相对校准法中，工作传感器和标准传感器的不同安装方法对实验结果的影响，并结合运动学知识进行理论分析。3．实验结果误差分析。4
附件 10 理论力学 A 实验指导书 4 50 90 七、实验小结 1．根据实验结果，总结绝对校准法和相对校准法的特点。 2．分析相对校准法中，工作传感器和标准传感器的不同安装方法对实验结果的影响，并结合运 动学知识进行理论分析。 3．实验结果误差分析
附件10理论力学A实验指导书附录一：电荷放大器使用说明一、概述CA-3型积分电荷放大器与压电加速度计等传感器配合，用来检测冲击振动信号，与记录分析仪器联接，可组成冲击振动测量系统。由于采用电荷变换成电压再滤波放大的原理，它适于配用各种电荷输出的振动冲击传感器，并可以滤除不必要的信号分量。电荷变换原理的采用，可使传感器与电荷放大器间的连线距离很长而不衰减被测信号。本系统加入了电荷灵敏度适调开关，使不同电荷灵敏度的传感器，相同的被测量（例如：加速度）输入具有相同大小的输出量，达到输出量归一化的目的。CA-3型积分电荷放大器与通常的电荷放大器相比有所改进，最显著的特征是，各个增益挡的低频特性基本相同，都有较低的低频截止点。另一个重要特点是，高增益挡在较潮湿气候条件下不会像传统电荷放大器那样出现明显的不稳定或输出波形失真。CA-3型积分电荷放大器可以是多通道的，也可以是单通道的：主要用于与压电加速度计连接来测量冲击、振动加速度。二、电荷放大器原理1、压电加速度计根据压电效应原理，压电加速度传感器是可以把机械量（作用于其上的加速度或压力）转换成电荷量的高阻抗转换器，压电加速度传感器的电荷等效电路示于图2.1其中Q-压电加速度计在加速度a的作用下产生的电荷S压电加速度计的电荷灵敏度Cr-压电加速度计的固有电容a-作用于压电加速度计上的加速度从图2.1可看出输出反映的是电压Vo，而V。-%，SaVe4Q=Sq'a图2.1S-代表电压灵敏度(单位VIms2）则有如用aV-Sva-SaCS.=S.C.SESC.5
附件 10 理论力学 A 实验指导书 5 附录一：电荷放大器使用说明
附件10理论力学A实验指导书从图2.1可看出，对与压电加速度计连接的电荷放大器有如下要求：①由于压电加速度计可视为一高内阻信号源（一般达10"2）这就要求电荷放大器有相应高的输入阻抗。②要求电荷放大器输出电压不受压电加速度计自身电容C和长电缆及等效电容的影响。2、电荷放大器原理电荷放大器为图2.2虚线框内所示。OeSVKCFC2图2.2电荷放大器是一种具有电容反馈的高增益运算放大器，其输出电压与压电加速计两端所产生的电荷成正比。根据密勒效应，反馈电容折合到输入端的有效电容量是C=（1+Ko)Ch其中K为运放的开环增益，C为反馈电容。从图2.2可看出电荷变换级的输出电压V.为：-OK.Vo"C,+C.+C(I+k.)".(5)当K>>1时，（C+C）<<C（I+K。），（5）式可简化为：0K（6)C由（6）可看出，电荷放大器的输出电压仅由压电加速度计两端所产生的电荷和友馈电容决定，而与压电加速度计的固有电容和电缆及等效电容无关。三、线路说明酒话低通美甲积分一积分级滤波指出高通2图过荷滤液级输出图3.16
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附件10理论力学A实验指导书1、电荷变换级原理见二2节2、低通滤波器由高阻抗运放组成二阶伯特沃斯滤波器具有平坦的频率特性可有效消除高频干扰信号对有效信号的影响。旋钮上示值为下降3dB土1dB频率点。3、适调级由适调开关和适调放大器组成，此级作用是在应用不同灵敏度的压电加速度计时，整个仪器有归一化的电压输出。根据运算放大器原理，由图3.2可看出有9RRu图3.2LoR+R若压电加速度计电荷灵敏度在10~110pc/ms?之间，VRoi+RzC=1000PF①当输入电荷灵敏度为100pc/ms，则适调级输入电压灵敏度为Sw--100pC/ms=0.1Vims*Cr1000pF适调开关置于10-0-0，即Ra+R2=1K+9K=10KLe-.10k -.10kV输出电压灵敏度S-（-1）×0.1V/ms②当S=86.2PC/ms，C/仍为1000PF时Sa-86.2pClms2SM-0.0862V/ms2Ct1000pF适调开关置于8-6-2则Rar+R2=8X1k+6X0.1k+2X0.01k=8.62k20$w= 100v/ms --0.1V/ms1
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附件10理论力学A实验指导书由上述二种情况可以看出：虽然传感器电荷灵敏度值不同，只要有相同的输入量，可以通过改变适调电阻值来改变适调放大器的放大倍数，以求得到归一化输出。4、输出级本级可通过波段开关转换完成×1，X×10，×100，×1K倍增益转换。5、过荷电路当输出级或二个积分放大器的电压输出峰值超过土10V时，过荷电路红色发光二极管发光，此时仪器为不正常运行状态，必须等发光停正时方可正常测量（如发光仍不停止应减小增益mV/UnitOut）。6、积分器仪器内由运放组成两个独立的积分电路，通过波段开关可以完成加速度、速度、位移的转换测量，通过波段开关也可以选择积分器的最低频率积分起始点，分为IHz和10Hz二挡。7、高通滤波器高通滤波器通常用来滤除传感器引入的湿度扰动造成的低频于扰。开关上的标志值为下降3dB士1dB的频率点。四、各旋钮使用说明1、灵敏度选择PC/Unit（Unit为物理量单位，如ms.g.Pa）此三位拨码开关是按从左向右规定为由高位向低位设置的十进制灵敏度指示，三位拨码开关刻度示值从左到右分别按0~90~9、0~9改变，三位拨码开关合起来可适应1-0-0至9-9-9的灵敏度变化范围，CA-3型积分电荷放大器设置的基本灵敏度范围为1.00~9.99PCUnit，面板上的“mV/UnitOut”旋钮上方数字1、10、100、1K四挡是对应基本灵敏度范围设置的，也就是说使用的传感器灵敏度在1.00~9.99PC/Unit之间，被测信号的每个单位物理量输出电压值对应mV/UnitOut”旋钮的指示值（1mV、10mV、100mV、1000mV）。例如使用灵敏度值为6.78PC/ms的传感器时，把三位拨码分别置于6-7-8位置，“mV/UnitOut”旋钮指向“1”时，如测出此时仪器输出电压为10mV，那么被测信号为10ms（10mV一1mV/ms=10ms）；如“mV/UnitOut”旋钮指向“10”，被测信号不变时，此时仪器输出电压应为100mV，那么被测信号仍为10ms（(100mV-10mV/ms=10ms）。如使用的传感器灵敏度范围在10.0~99.9PC/Unit间，“mV/UnitOut”旋钮上之值1、10、100、1K应按分别增长10倍对待，即10、100、1000、10000，例如使用灵敏度值为67.8PC/ms传感器时，把三位拨码分别置于6-7-8位置，“mVlUnitOut”旋钮指向“1”时（此时“1”应按增大10倍看待，为10mV/ms），如测出此时仪器输出电压为100mV，那么被测信号为10ms（100mV一10mVlms-10ms）如“mV/UnitOut”旋钮指向“10”（此时“10”应按增大10倍看待，为100mV/ms），被测信号不变时，此时仪器输出电压应为1000mV，那么被测信号仍为10ms（1000mV+100mV/ms=10ms）。同理对0.1~0.999PC/ms范圖的传感器“mV/UnitOut”旋钮上方数字应分别按缩小10倍对等。其它灵敏度范围类推。8
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附件10理论力学A实验指导书2、高频上限：低通滤波器分为0.1k，1k，3k，10k，30k,Lin(100K）线性六挡，阻带特性为-3dB±1dB。3、功能选择旋钮分为加速度，速度1Hz、速度10Hz，位移1Hz、位移10Hz五挡，各挡分别对应输出单位是1m/s、0.01m/s、0.01m/s、1mm、0.1mm。4、mV/UnitOut:分为×1、×10、×100、×1K倍四挡“mV/UnitOut”表示每个单位物理量输出的电压值，从整个仪器输出电压值（mV）除以“mV/UnitOut”钮指示位置所标之值即得出被测物理量值大小。具体使用“灵敏度选择”中已说明。5、低通滤波器旋钮上方的数值为下降-3dB的频率点，即对应于“中频点”下降到0.707倍处，通常低通滤波挡放在被测信号最高频率分量的3~5倍处。100,lk,3型号CA-3低通滤波(Hz)10k,30kLin(100)3电话调1.5%(A)准确度2%V)检测量加速度，这度，位移3%(D)高通滤波(Hz)0.1,1,10加速度炎度(mV-IVIUnit(增益)噪声15mvA.0.1-100k220V50Hz电源频带(H2)V.2-10k或DC12VD.2~1k2通道数五、主要技术指标六、面板结构1、前面板图(1)图（2）图（3)CA-3积分电荷放大器更敏度FC/es?足敏度rC/n213.1013.1019100121003300-1KO0.17OOLin0.140*Lir达荷过荷低通（K日）低通（KHE）增益选择增益选择电源g2/s2DinpnDipe1OaO0000.1O010OOOveitvot.AcetinnAce&mn电微输入2高通（R2)电荷输入！高通（)功能选择功能选择图（8）图（7)图(6)图（5)图(4)9
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附件10理论力学A实验指导书传感器灵敏度开关图(1)图（2)低通滤波器图（3)增益选择开关图(4)仪器通电指示灯图（5）积分转换开关图（6)高通滤波器开关传感器电荷输入端图(7)图（8)仪器过载指示灯仪器左半边为第一通道，仪器右半边为第二通道，各旋钮作用同第一通道。2、后面板北戴河电子仪器厂直流600输出1输出】交流AC220VDC12V电源七、注意事项一般应在相对湿度不超过80%条件下1、电荷放大器输入级是高阻抗电路，保存和使用。使用前应预热15~30分钟。2、前后面板上同时具有输入插座的机型，不使用的插座应拧上屏蔽帽，以减少外界干扰。3、信号过大时过荷灯亮，应逆时针方向减小系统增益。4、本仪器为交直流两用，使用交流电源供电时，不要接直流电源线，并且开关打在交流和通；使用直流电源供电时，不要接交流电源线，并且开关打在直流。5、直流电源线：红色为正，白色为地。八、附件1、每台电荷放大器附带交流电源线和直流电源线各一条2、每通道附带一条输出线。3、说明书一份。10
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