廣束2常大努 《测试技术实验》 实验指导书 肖体兵段宏 机电工程学院 二0一八年十二月印
《测试技术实验》 实验指导书 肖体兵 段宏 机电工程学院 二０一八年十二月印
《工程测试技术实验》实验指导书 目录 实验一测试装置动态特性的测量.3 实验二机械转子底座的振动测量和分析13 实验三虚拟仪器(Labview)上机实验..17 附1实验报告书格式… …33 附2实验报告内容34
《工程测试技术实验》实验指导书 2 目 录 实验一 测试装置动态特性的测量………………..…..3 实验二 机械转子底座的振动测量和分析……………13 实验三 虚拟仪器（Labview）上机实验………………17 附 1 实验报告书格式………………………………33 附 2 实验报告内容……………………………...……34
实验二测试装置动态特性的测量 实验指导书 实验项目名称：测试装置动态特性的测量 实验项目性质：综合性 所属课程名称：测试技术实验 实验计划学时：2 一.实验目的 1.了解差动变压器式位移传感器的工作原理 2.掌握测试装置动态特性的测试 3.掌握m-k-c二阶系统动态特性参数的影响因素 二.实验内容和要求 1.差动变压器式位移传感器的标定 2.弹簧振子二阶系统的阻尼比和固有频率的测量 三.实验主要的仪器设备和材料 该实验需要的主要仪器设备有：弹簧振子实验台、计算机、采 集卡、电源。 1.弹簧振子实验台 弹簧振子实验台的原理如图2-1所示，主要由弹簧k、质量振 子m、阻尼器c、传感器、台架、振子位置调节器等组成。阻尼 器由阻尼薄片和介质阻尼及传感器铁心运动副组成，更换不同面 积的阻尼薄片和介质，可获得不同的阻尼系数。 实验台为一典型的-k-c二阶系统，系统的传递函数为 1 G(s)= (1) ms2 +cs+k 3
实验二 测试装置动态特性的测量 3 实验指导书 实验项目名称：测试装置动态特性的测量 实验项目性质：综合性 所属课程名称：测试技术实验 实验计划学时：2 一．实验目的 1．了解差动变压器式位移传感器的工作原理 2．掌握测试装置动态特性的测试 3．掌握m-k-c二阶系统动态特性参数的影响因素 二．实验内容和要求 1. 差动变压器式位移传感器的标定 2．弹簧振子二阶系统的阻尼比和固有频率的测量 三．实验主要的仪器设备和材料 该实验需要的主要仪器设备有：弹簧振子实验台、计算机、采 集卡、电源。 1．弹簧振子实验台 弹簧振子实验台的原理如图 2-1 所示，主要由弹簧 k、质量振 子 m、阻尼器 c、传感器、台架、振子位置调节器等组成。阻尼 器由阻尼薄片和介质阻尼及传感器铁心运动副组成，更换不同面 积的阻尼薄片和介质，可获得不同的阻尼系数。 实验台为一典型的 m-k-c 二阶系统，系统的传递函数为 2 1 G s( ) ms cs k (1)
《工程测试技术实验》实验指导书 系统的无阻尼固有频率为 e,=风 (2) 系统的无因次阻尼比为 62 (3) 系统的有阻尼固有频率 0,=0nV1-5 (4) 台架 计算机 调节器力 振子m USB数据 采集仪 传感器 阻尼c 图2-1弹簧振子实验 2.测量原理 1)原理 根据测量出的弹簧振子欠阻尼二阶系统的阶跃响应曲线来求 系统的动态特性：固有频率o,和阻尼比5。关于该方法的详细说 明可参见教材。 2)实验步骤 先将质量振子偏离平衡，具有一定的初始位移，然后松开。 该二阶系统在初始位移的作用下，产生一定的输出，位移传感器
《工程测试技术实验》实验指导书 4 系统的无阻尼固有频率为 n k m (2) 系统的无因次阻尼比为 2 c mk (3) 系统的有阻尼固有频率 2 1 d n (4) 2．测量原理 1) 原理 根据测量出的弹簧振子欠阻尼二阶系统的阶跃响应曲线来求 系统的动态特性：固有频率n 和阻尼比 。关于该方法的详细说 明可参见教材。 2) 实验步骤 先将质量振子偏离平衡，具有一定的初始位移，然后松开。 该二阶系统在初始位移的作用下，产生一定的输出，位移传感器 图 2-1 弹簧振子实验 弹簧 k 振子 m 传感器 台架 阻尼 c USB 数据 采集仪 计算机 调节器
实验二测试装置动态特性的测量 采集到系统的输出并传输给计算机，该输出曲线如图2-2所示。 该输出是由初始状态引起的，可称之为零输入响应，也可看作是 由初始位置到零的阶跃响应。 Ta 0.5 -0.5 6 8 10 图2-2欠阻尼二阶系统的阶跃响 (1)求有阻尼固有频率o 阶跃响应的振荡频率为系统的有阻尼固有频率o。根据图2 中的曲线的振荡周期，可测得 2π 0a= (5) (2)求阻尼比5 利用任意两个超调量M和Mn可求出其阻尼比，n是该两个峰 值相隔的某一整周期数。计算公式为 6品 (6) V62+4π2n2 其中 d,=n4 (7) 当5<0.3时，可采用下面的简化公式 5
实验二 测试装置动态特性的测量 5 采集到系统的输出并传输给计算机，该输出曲线如图 2-2 所示。 该输出是由初始状态引起的，可称之为零输入响应，也可看作是 由初始位置到零的阶跃响应。 (1) 求有阻尼固有频率d 阶跃响应的振荡频率为系统的有阻尼固有频率d 。根据图 2 中的曲线的振荡周期，可测得 2 d Td (5) (2) 求阻尼比 利用任意两个超调量Mi和Mi n 可求出其阻尼比，n 是该两个峰 值相隔的某一整周期数。计算公式为 2 2 22 4 n n n (6) 其中 ln i n i n M M (7) 当 0.3时，可采用下面的简化公式 图 2-2 欠阻尼二阶系统的阶跃响 Td Td M1 M2 M3
《工程测试技术实验》实验指导书 M In- in (8) 2πn (3)求无阻尼固有频率o. 计算出有阻尼固有频率0、阻尼比5之后，根据公式(4)可求 出系统的固有频率o, @d 0n= (9) V1-5 (4)求弹簧的刚度和振子组件的质量 振子组件主要由振子、滑杆、振子位置调节器、阻尼片、传 感器连接杆等组成。 利用己知质量的U型质量块，求出弹簧的刚度K。 K=mg (10) △x 式中，m为U型质量块的质量，△x为将U型质量块叠放在振子 上之后弹簧长度的变化量。 求出系统的无阻尼固有频率o,和弹簧刚度K之后，就可以根 据公式得出振子组件的质量m2, K m.= (11) 3.系统的组成 质量振子在平衡位置的振动位移由计算机实现自动采集。计算 机采集系统的原理框图如图2-3所示。 +12V(红) 质 差 动 2V(绿) ±12V直 量 台架 流电源 变 子 地线（白） USB数据采 USB 器 计算机 信号线（兰） 集仪(AD) 图23计算机数据采集系统框图 (1)差动变压器 6
《工程测试技术实验》实验指导书 6 ln 2 i i n M M n (8) (3) 求无阻尼固有频率n 计算出有阻尼固有频率d 、阻尼比 之后，根据公式(4)可求 出系统的固有频率n 2 1 d n (9) (4) 求弹簧的刚度和振子组件的质量 振子组件主要由振子、滑杆、振子位置调节器、阻尼片、传 感器连接杆等组成。 利用已知质量的 U 型质量块，求出弹簧的刚度 K。 mg K x (10) 式中，m 为 U 型质量块的质量，x为将 U 型质量块叠放在振子 上之后弹簧长度的变化量。 求出系统的无阻尼固有频率n和弹簧刚度 K 之后，就可以根 据公式得出振子组件的质量 mz， z 2 n K m (11) 3．系统的组成 质量振子在平衡位置的振动位移由计算机实现自动采集。计算 机采集系统的原理框图如图 2-3 所示。 (1) 差动变压器 差 动 变 压 器 质 量 振 子 台架 +12V(红) -12V（绿） 地线(白） 信号线(兰) USB 数据采 集仪(A/D) ±12V 直 流电源 计算机 图 2-3 计算机数据采集系统框图 USB
实验二测试装置动态特性的测量 该系统利用差动变压器位移传感器来检测质量振子的位移。 差动变压器的工作原理参见教材及传感器的说明书。 该位移传感器的测量范围为±60mm,满量程输出为±10V直流 电压信号。其工作电源为士12V直流电源。该位移传感器的电缆线 由4根线组成，红色的接+12V电源，绿色线接-12V电源，白色 线为地线，兰色线为信号线。 (2)USB7325A数据采集仪 USB7325A数据采集仪可同时采集16路信号，但面板上只接 出了其中10个通道。可选用其中任何一个通道来采集位移传感器 的输出。 USB7325A数据采集仪接受差动变压器输出的±10V范围内 的模拟直流电压信号，在采集仪的内部进行AD转换之后，将得 到的数字量电压信号通过USB接口发送给计算机。 (3)计算机及实验软件 运行于计算机的实验软件可实现实验数据的自动采集、保存、 显示和处理等。实验软件可实现采集通道的选择和采集速度等设 置。 计算机采集得到的是差动变压器输出的电压信号，而我们需 要的是位移信号。因此，在实验软件里，将采集得到的电压信号 除以传感器的灵敏度S后，即可得到质量振子的位移信号。 4.系统参数的说明 m：质量振子组件（包括振子、水平滑杆、阻尼器）的质量，具体数 值未知。 m:1号U型质量块（长度约为40mm),其质量约为mu1=130克 (无标注)或mu=115克（有标注） m2:2号U型质量块（长度约为60mm),其质量约为mu2=210克。 K:1号弹簧（刚度小、直径约为12mm)的刚度，具体数值未知。 K,:2号弹簧（刚度大、直径约为10mm)的刚度，具体数值未知。 C:阻尼器放在空气中时系统的阻尼，具体数值未知。 C：阻尼器放在水中时系统的阻尼，具体数值未知
实验二 测试装置动态特性的测量 7 该系统利用差动变压器位移传感器来检测质量振子的位移。 差动变压器的工作原理参见教材及传感器的说明书。 该位移传感器的测量范围为±60mm，满量程输出为±10V 直流 电压信号。其工作电源为±12V 直流电源。该位移传感器的电缆线 由 4 根线组成，红色的接+12V 电源，绿色线接-12V 电源，白色 线为地线，兰色线为信号线。 (2) USB7325A 数据采集仪 USB7325A 数据采集仪可同时采集 16 路信号，但面板上只接 出了其中 10 个通道。可选用其中任何一个通道来采集位移传感器 的输出。 USB7325A 数据采集仪接受差动变压器输出的±10V 范围内 的模拟直流电压信号，在采集仪的内部进行 A/D 转换之后，将得 到的数字量电压信号通过 USB 接口发送给计算机。 (3) 计算机及实验软件 运行于计算机的实验软件可实现实验数据的自动采集、保存、 显示和处理等。实验软件可实现采集通道的选择和采集速度等设 置。 计算机采集得到的是差动变压器输出的电压信号，而我们需 要的是位移信号。因此，在实验软件里，将采集得到的电压信号 除以传感器的灵敏度 S 后，即可得到质量振子的位移信号。 4．系统参数的说明 mz : 质量振子组件(包括振子、水平滑杆、阻尼器)的质量, 具体数 值未知。 mu1 : 1 号 U 型质量块（长度约为 40mm），其质量约为 mu1=130 克 （无标注）或 mu1=115 克(有标注) mu2 : 2 号 U 型质量块（长度约为 60mm），其质量约为 mu2=210 克。 K1：1 号弹簧（刚度小、直径约为 12mm）的刚度，具体数值未知。 K2：2 号弹簧（刚度大、直径约为 10mm）的刚度，具体数值未知。 1 c : 阻尼器放在空气中时系统的阻尼，具体数值未知。 2 c : 阻尼器放在水中时系统的阻尼，具体数值未知
《工程测试技术实验》实验指导书 四、实验步骤 1.系统动态参数的测量 完成如下5种情况下系统阶跃响应的测量，建议每种情况至少 要采集2次。同组同学都需采集不同的数据，不能共用相同的数据。 1)质量振子组件+1号弹簧+阻尼器放在空气中 m=m.: 系统的质量为质量振子组件的质量m。 K=K:系统的刚度为1号弹簧的刚度K。 c=c:阻尼器放在空气中，系统的阻尼为c1。 (1)将振子的位移调到0附近（如果调不到零位而存在偏移值， 可将测量的数据统一减掉偏移值)： (2)用手往下拉质量振子，使其偏离平衡位置一定的距离： (3)单击“数据”框内的暂存按钮，然后松开弹簧振子，质 量振子就会在平衡位置附近作衰减震荡运动，采集到的数 据被暂时保存在内存里； (4)当质量振子停下来之后，先单击“数据”框内的“停止暂 存按钮，停止保存数据。然后再单击“采集”框内的“停 止采样”按钮，停止数据采集； (⑤)单击“数据”框内的回放按钮，将采集到的数据全部显 示在屏幕中的图形显示区中；单击“数据”框内的“回放设 置可设置回放的数据范围，即可只显示其中一部分数据： (6)单击“数据”框内的保存为文件按钮，在弹出的对话框 中设置数据保存的路径和文件名，将回放的数据保存为文 本文件，得到第①组数据。 2)改变系统的阻尼 质量振子组件+1号弹簧+阻尼器放在水中 m=m.:系统的质量等于质量振子组件的质量m.。 K=K:系统的刚度等于1号弹簧的刚度。 c=c,:阻尼器放在水中，系统的阻尼为c2。 重复步骤1)，得到第②组数据。 3)改变系统的质量： 8
《工程测试技术实验》实验指导书 8 四、实验步骤 1. 系统动态参数的测量 完成如下 5 种情况下系统阶跃响应的测量，建议每种情况至少 要采集 2 次。同组同学都需采集不同的数据，不能共用相同的数据。 1) 质量振子组件+1 号弹簧+阻尼器放在空气中 m m z：系统的质量为质量振子组件的质量mz 。 K K1：系统的刚度为 1 号弹簧的刚度K1。 1 c c ： 阻尼器放在空气中，系统的阻尼为 c1。 (1) 将振子的位移调到 0 附近（如果调不到零位而存在偏移值， 可将测量的数据统一减掉偏移值）； (2) 用手往下拉质量振子，使其偏离平衡位置一定的距离； (3) 单击“数据”框内的“暂存”按钮，然后松开弹簧振子，质 量振子就会在平衡位置附近作衰减震荡运动，采集到的数 据被暂时保存在内存里； (4) 当质量振子停下来之后，先单击“数据”框内的“停止暂 存”按钮，停止保存数据。然后再单击“采集”框内的“停 止采样”按钮，停止数据采集； (5) 单击“数据”框内的“回放”按钮，将采集到的数据全部显 示在屏幕中的图形显示区中；单击“数据”框内的“回放设 置”可设置回放的数据范围，即可只显示其中一部分数据； (6) 单击“数据”框内的“保存为文件”按钮，在弹出的对话框 中设置数据保存的路径和文件名，将回放的数据保存为文 本文件，得到第①组数据。 2) 改变系统的阻尼 质量振子组件+1 号弹簧+阻尼器放在水中 m m z：系统的质量等于质量振子组件的质量mz 。 K K1：系统的刚度等于 1 号弹簧的刚度。 2 c c ：阻尼器放在水中，系统的阻尼为 c2。 重复步骤 1)，得到第②组数据。 3) 改变系统的质量：
实验二测试装置动态特性的测量 (质量振子组件+1号U型质量块)+1号弹簧+阻尼器放在水中 m=m.+m:系统质量为振子组件的质量与1号U型质量块 的质量之和。 K=K：系统的刚度等于1号弹簧的刚度。 c=C,:阻尼器放在水中，系统的阻尼为c2。 重复步骤1)，得到第③组数据。 4)更换为2号弹簧，改变系统的弹簧刚度 (质量振子组件+1号U型质量块)+2号弹簧+阻尼器放在水中 m=m.+m:系统的为质量振子组件的质量与1号U型质 量块的质量之和。 K=K:系统的刚度等于2号弹簧的刚度。 c=C,:阻尼器放在水中，系统的阻尼为c2。 重复步骤1)，得到第④组数据。 5)改变系统的质量 (质量振子组件+2号U型质量块)+2号弹簧+阻尼器放在水中 m=m.+m2:系统的为质量振子组件的质量与2号U型质 量块的质量之和。 K=K,:系统的刚度等于2号弹簧的刚度。 c=c,:阻尼器放在水中，系统的阻尼为c2 重复步骤2)，得到第⑤组数据。 6)用优盘拷贝自己保存的数据文件。 2.实验数据处理和分析 1)计算出上述5种情况下系统的动态特性参数(o,5)。 (1)打开保存有数据的文本文件 (2)利用最后的部分数据计算出系统阶跃响应的稳态值 (3)找出各个峰值及其对应的时间 (4)峰值减去稳态值即可得到各个超调量 (⑤)根据各个超调量及其时间，利用相关公式，即可计算出 系统的动态特性参数。 2)利用matlab绘出5种情况下系统的阶跃响应曲线 (1)启动matlab (2)打开保存有数据的文本文件，如打开文件“3104000402 张三Nol(mzK1C1)txt”,将该文件另存为“Nol.txt”后
实验二 测试装置动态特性的测量 9 (质量振子组件+1 号 U 型质量块)+1 号弹簧+阻尼器放在水中 mm m z u1：系统质量为振子组件的质量与 1 号 U 型质量块 的质量之和。 K K1：系统的刚度等于 1 号弹簧的刚度。 2 c c ：阻尼器放在水中，系统的阻尼为 c2。 重复步骤 1)，得到第③组数据。 4) 更换为 2 号弹簧，改变系统的弹簧刚度 (质量振子组件+1 号 U 型质量块)+2 号弹簧+阻尼器放在水中 mm m z u1：系统的为质量振子组件的质量与 1 号 U 型质 量块的质量之和。 K K2：系统的刚度等于 2 号弹簧的刚度。 2 c c ：阻尼器放在水中，系统的阻尼为 2 c 。 重复步骤 1)，得到第④组数据。 5) 改变系统的质量 (质量振子组件+2 号 U 型质量块)+2 号弹簧+阻尼器放在水中 mm m z u2：系统的为质量振子组件的质量与 2 号 U 型质 量块的质量之和。 K K2：系统的刚度等于 2 号弹簧的刚度。 2 c c ：阻尼器放在水中，系统的阻尼为 c2。 重复步骤 2)，得到第⑤组数据。 6) 用优盘拷贝自己保存的数据文件。 2. 实验数据处理和分析 1) 计算出上述 5 种情况下系统的动态特性参数( , n )。 (1) 打开保存有数据的文本文件 (2) 利用最后的部分数据计算出系统阶跃响应的稳态值 (3) 找出各个峰值及其对应的时间 (4) 峰值减去稳态值即可得到各个超调量 (5) 根据各个超调量及其时间，利用相关公式，即可计算出 系统的动态特性参数。 2) 利用 matlab 绘出 5 种情况下系统的阶跃响应曲线 (1) 启动 matlab (2) 打开保存有数据的文本文件，如打开文件“3104000402_ 张三_No1(mz_K1_C1).txt”, 将该文件另存为“No1.txt”后
《工程测试技术实验》实验指导书 删除文本文件“No1.xt”开头包含有汉字的几行。删除了开头 几行汉字的“No1.xt”文本文件的开头如图2-4所示。 (3)将文本文件Nol.txt复制到matlab的当前工作目录下或 将Nol.txt所在的文件夹设为matlab的当前工作目录。 (4)在matlab的命令窗口中输入： load Nol.txt; 通过上述命令将文本文件“Nol.txt”中的数据导入matlab 的工作空间，生成一个名为No1的多行5列的数组，可利用 whos命令查看，如图2-5所示。 B01-2事本 日回☒ 石▣☒ 文并)漏城)格式创)查看心形动的 7.5820 1489585 10110 -7.1618 148959 101时 -48.2696 -6.7116 1896 18110 Commu nd Window X -37.3512 6.2252 1489614 1011g -33.8580 -5.6430 1489625 18181e -30.5352 -5.s92 1489635 101时g To get started,select WATLAB Help"fron the Help nenu -27.30 -4.550 148965 11时8 -23.3952 -3.892 1489654 1811g >load Nol.txt -19.1820 -3.1970 1489665 18101g 》h0s 10 -15.3312 -2.5552 1489675 111e Bytes Class -11.3820 -1.8970 1489685 1时时0 -7.380 -1.2180 1489696 11时g 1397x5 .2.736日 -日.560 148g70g 181010 秀 559e0dogb1。rrsy +1hg 1489715 1a1时g Grand total is 6985 elenents using 55880 bytes 图2-4 图2-5 (5)绘制位移曲线。 横坐标为时间，是数组No1中的第4列，利用No1(:,4)提 取数组中的第4列。由于第4列保存的是采样时计算机的系 统时间，单位为毫秒(s),不是从零开始的。利用 No1(:,4)-No1(1,4)*0.001将时间调整为从零开始，乘以0.001 是将时间单位换成秒(s)。 纵坐标为位移，是数组No1中的第2列。利用No1(:,2) 提取数组中的第2列。 在命令窗口输入： plot((No1:,4)-No1(1,4)*0.001,No1(:,2)
《工程测试技术实验》实验指导书 10 删除文本文件“No1.txt”开头包含有汉字的几行。删除了开头 几行汉字的“No1.txt”文本文件的开头如图 2-4 所示。 (3) 将文本文件 No1.txt 复制到 matlab 的当前工作目录下或 将 No1.txt 所在的文件夹设为 matlab 的当前工作目录。 (4) 在 matlab 的命令窗口中输入: load No1.txt; 通过上述命令将文本文件“No1.txt”中的数据导入 matlab 的工作空间，生成一个名为 No1 的多行 5 列的数组，可利用 whos 命令查看，如图 2-5 所示。 (5)绘制位移曲线。 横坐标为时间，是数组 No1 中的第 4 列,利用 No1(:,4)提 取数组中的第 4 列。由于第 4 列保存的是采样时计算机的系 统时间，单位为毫秒（ ms ），不是从零开始的。利用 (No1(:,4)-No1(1,4))*0.001 将时间调整为从零开始，乘以 0.001 是将时间单位换成秒（s）。 纵坐标为位移，是数组 No1 中的第 2 列。利用 No1(:,2) 提取数组中的第 2 列。 在命令窗口输入： plot((No1(:,4)-No1(1,4))*0.001,No1(:,2)) 图 2-4 图 2-5