測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告3-2023

實(shí)驗(yàn)題目：《測(cè)試裝置動(dòng)態(tài)特性的測(cè)量》實(shí)驗(yàn)報(bào)告第3組姓名+學(xué)號(hào)：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(shí)驗(yàn)時(shí)間：2023年12月29日實(shí)驗(yàn)班級(jí)：實(shí)驗(yàn)教師：鄒大鵬教授成績(jī)?cè)u(píng)定：_______教師簽名：_______機(jī)電學(xué)院工程測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)室廣東工業(yè)大學(xué)廣東工業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、預(yù)習(xí)報(bào)告：（進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室之前完成）1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求:目的：1）．了解差動(dòng)變壓器式位移傳感器的工作原理2）．掌握測(cè)試裝置動(dòng)態(tài)特性的測(cè)試3）．掌握m-k-c二階系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的影響因素要求：1).差動(dòng)變壓器式位移傳感器的標(biāo)定2）．彈簧振子二階系統(tǒng)的阻尼比和固有頻率的測(cè)量2.初定設(shè)計(jì)方案:根據(jù)測(cè)量出的彈簧振子欠阻尼二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線來(lái)求系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性：固有頻率ωn和阻尼比ξ。實(shí)驗(yàn)時(shí)確定的設(shè)計(jì)方案:先將質(zhì)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(jì)算機(jī)，生成階躍響應(yīng)曲線。該輸出是由初始狀態(tài)引起的，可稱之為零輸入響應(yīng)，也可看作是由初始位置到零的階躍響應(yīng)。(1)求有阻尼固有頻率ωdωd=2π/Td（2）求阻尼比ξ利用任意兩個(gè)超調(diào)量M和M可求出其阻尼比，n是該兩個(gè)峰值相隔的某一整周期數(shù)。計(jì)算公式為ξ=(3)求無(wú)阻尼固有頻率ωn計(jì)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(zhì)量振子組件主要由振子、滑桿、振子位置調(diào)節(jié)器、阻尼片、傳感器連接桿等組成。利用已知質(zhì)量的U型質(zhì)量塊，求出彈簧的剛度K。K=式中，m為U型質(zhì)量塊的質(zhì)量，Δx為將U型質(zhì)量塊疊放在振子上之后彈簧長(zhǎng)度的變化量。求出系統(tǒng)的無(wú)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(zhì)量mz。mz=3.實(shí)驗(yàn)室提供的儀器設(shè)備、元器件和材料該實(shí)驗(yàn)需要的主要儀器設(shè)備有：彈簧振子實(shí)驗(yàn)臺(tái)、計(jì)算機(jī)、采集卡、電源。彈簧振子實(shí)驗(yàn)臺(tái)的原理如圖1所示，主要由彈簧k、質(zhì)量振子m、阻尼器c，傳感器、臺(tái)架、振子位置調(diào)節(jié)器等組成。阻尼器由阻尼薄片和介質(zhì)阻尼及傳感器鐵心運(yùn)動(dòng)副組成，更換不同面積的阻尼薄片和介質(zhì)，可獲得不同的阻尼系數(shù)。二、實(shí)驗(yàn)后確定的實(shí)驗(yàn)報(bào)告1.實(shí)驗(yàn)時(shí)確定的設(shè)計(jì)方案:根據(jù)測(cè)量出的彈簧振子欠阻尼二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線來(lái)求系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性：固有頻率ωn和阻尼比ξ。先將質(zhì)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(jì)算機(jī)，生成階躍響應(yīng)曲線。該輸出是由初始狀態(tài)引起的，可稱之為零輸入響應(yīng)，也可看作是由初始位置到零的階躍響應(yīng)。(1)求有阻尼固有頻率ωdωd=2π/Td（2）求阻尼比ξ利用任意兩個(gè)超調(diào)量M和M可求出其阻尼比，n是該兩個(gè)峰值相隔的某一整周期數(shù)。計(jì)算公式為ξ=(3)求無(wú)阻尼固有頻率ωn計(jì)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(zhì)量振子組件主要由振子、滑桿、振子位置調(diào)節(jié)器、阻尼片、傳感器連接桿等組成。利用已知質(zhì)量的U型質(zhì)量塊，求出彈簧的剛度K。K=式中，m為U型質(zhì)量塊的質(zhì)量，Δx為將U型質(zhì)量塊疊放在振子上之后彈簧長(zhǎng)度的變化量。求出系統(tǒng)的無(wú)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(zhì)量mz。mz=2.實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù):實(shí)驗(yàn)步驟：1.差動(dòng)變壓器傳感器的標(biāo)定(1)啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)軟件“測(cè)試裝置動(dòng)態(tài)特性測(cè)試.exe”。(2)用鼠標(biāo)單擊屏幕上“采集”框內(nèi)“采樣設(shè)置”按鈕，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)軟件的參數(shù)設(shè)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(shè)為1V/mm。(3)單擊“采集”框內(nèi)的“開始采樣”按鈕，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集，傳感器輸出的電壓信號(hào)被實(shí)時(shí)采集到計(jì)算機(jī)里并以數(shù)字和曲線的形式顯示在屏幕上。此時(shí)，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(diào)節(jié)器，調(diào)整振子的平衡位置，使傳感器的輸出為零。(5)轉(zhuǎn)動(dòng)振子位置調(diào)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(huì)隨之變化；利用安裝在臺(tái)架立柱內(nèi)側(cè)的鋼尺，記錄振子組件在不同位置Y時(shí)，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(jì)算出傳感器的靈敏度S。完成差動(dòng)變壓器位移傳感器的標(biāo)定，得到傳感器的靈敏度S(V/mm)。先求每一點(diǎn)的靈敏度SiSi=對(duì)各點(diǎn)靈敏度取平均，得到傳感器的靈敏度S。S=(7）點(diǎn)擊“采樣設(shè)置”，修改傳感器的靈敏度。此時(shí)，“位移”框內(nèi)顯示的是振子的實(shí)際位移。2．彈簧剛度的測(cè)量1)1號(hào)彈簧剛度K2的測(cè)量(1)m=mz記下此時(shí)傳感器的輸出位移，填入表中(2)m=mz+m1u將1號(hào)U型質(zhì)量塊疊放在振子組件上，系統(tǒng)質(zhì)量為振子組件的質(zhì)量與1號(hào)U型質(zhì)量塊的質(zhì)量之和。等振子穩(wěn)定下來(lái)后，記下此時(shí)傳感器的輸出位移，填入表中。(3)m=mz+m2u卸下1號(hào)U型質(zhì)量塊，將2號(hào)U型質(zhì)量塊疊放在振子組件上，此時(shí)系統(tǒng)質(zhì)量為振子組件的質(zhì)量與2號(hào)U型質(zhì)量塊的質(zhì)量之和。等振子穩(wěn)定下來(lái)后，記下此時(shí)傳感器的輸出位移，填入表中。質(zhì)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(jì)算彈簧的剛度。打開“彈簧剛度的測(cè)量.xls”,輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，可自動(dòng)計(jì)算彈簧的剛度。2）2號(hào)彈簧剛度K2的測(cè)量，方法和步驟同上。質(zhì)量mzmz+mu1mz+mu2剛度位移011.0017.0279.63.系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)的測(cè)量完成如下5情況下的系統(tǒng)的階躍響應(yīng)的測(cè)量，建議每種情況至少要采集2次。同組的幾位同學(xué)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(biāo)單擊屏幕上“采集”框內(nèi)的“采樣設(shè)置”按鈕，輸入計(jì)算得到的傳感器的靈敏度S。質(zhì)量振子組件+1號(hào)彈簧+阻尼器放在空氣中m=mz：系統(tǒng)的質(zhì)量為質(zhì)量振子組件的質(zhì)量mz。K=K1：系統(tǒng)的剛度為1號(hào)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(diào)到0附近(2)用手往下拉質(zhì)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(zhì)量振子就會(huì)在平衡位置附近作衰減震蕩運(yùn)動(dòng)，采集到的數(shù)據(jù)被暫時(shí)保存在內(nèi)存里。(4)當(dāng)質(zhì)量振子停下來(lái)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(shè)置”可設(shè)置回放的數(shù)據(jù)范圍，即可只顯示其中一部分?jǐn)?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(duì)話框中設(shè)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(zhì)量振子組件+1號(hào)彈簧+阻尼器放在水中m=mz：系統(tǒng)的質(zhì)量等于質(zhì)量振子組件的質(zhì)量mz。K=K1：系統(tǒng)的剛度等于1號(hào)彈簧的剛度。c=c2：阻尼器放在水中，系統(tǒng)的阻尼為c2。重復(fù)步驟1)，得到第②組數(shù)據(jù)。3)改變系統(tǒng)的質(zhì)量：(質(zhì)量振子組件+1號(hào)U型質(zhì)量塊)+1號(hào)彈簧+阻尼器放在水中m=mz+m1u：系統(tǒng)質(zhì)量為振子組件的質(zhì)量與1號(hào)U型質(zhì)量塊的質(zhì)量之和。K=K1：系統(tǒng)的剛度等于1號(hào)彈簧的剛度。c=c2：阻尼器放在水中，系統(tǒng)的阻尼為c2。重復(fù)步驟1)，得到第③組數(shù)據(jù)。4)更換為2號(hào)彈簧，改變系統(tǒng)的彈簧剛度(質(zhì)量振子組件+1號(hào)U型質(zhì)量塊)+2號(hào)彈簧+阻尼器放在水中m=mz+m1u：系統(tǒng)的為質(zhì)量振子組件的質(zhì)量與1號(hào)U型質(zhì)量塊的質(zhì)量之和。K=K2：系統(tǒng)的剛度等于1號(hào)彈簧的剛度。c=c2：阻尼器放在水中，系統(tǒng)的阻尼為c2。重復(fù)步驟1)，得到第④組數(shù)據(jù)。5)改變系統(tǒng)的質(zhì)量(質(zhì)量振子組件+2號(hào)U型質(zhì)量塊)+2號(hào)彈簧+阻尼器放在水中m=mz+m2u：系統(tǒng)的為質(zhì)量振子組件的質(zhì)量與2號(hào)U型質(zhì)量塊的質(zhì)量之和。K=K2：系統(tǒng)的剛度等于2號(hào)彈簧的剛度。c=c2：阻尼器放在水中，系統(tǒng)的阻尼為c2。重復(fù)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析1)計(jì)算出上述5種情況下系統(tǒng)的動(dòng)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?jǐn)?shù)據(jù)計(jì)算出系統(tǒng)階躍響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值(3)找出各個(gè)峰值及其對(duì)應(yīng)的時(shí)間(4)峰值減去穩(wěn)態(tài)值即可得到各個(gè)超調(diào)量(5)根據(jù)各個(gè)超調(diào)量及其時(shí)間，利用相關(guān)公式，即可計(jì)算出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。2)繪出5種情況下系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線建議利用matlab完成。(1)啟動(dòng)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(gè)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(fù)制到matlab的當(dāng)前工作目錄下或?qū)o1.txt所在的文件夾設(shè)為matlab的當(dāng)前工作目錄。(4)在matlab的命令窗口中輸入:loadNo1.txt;通過(guò)上述命令將文本文件“No1.txt”中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入matlab的工作空間，生成一個(gè)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(biāo)為時(shí)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(shí)計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)時(shí)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(shí)間調(diào)整為從零開始，乘以0.001是將時(shí)間單位換成秒（s）。縱坐標(biāo)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(huì)得到一個(gè)后綴為.fig的圖形文件。對(duì)fig圖形文件的處理參見實(shí)驗(yàn)“典型信號(hào)的合成與分解”的相關(guān)內(nèi)容。主要是將背景改為白色。3）根據(jù)計(jì)算結(jié)果，結(jié)合階躍響應(yīng)曲線，進(jìn)行分析(1)比較第①和②組數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果，分析阻尼c對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響。(2)比較第②和③、④和⑤組數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果，分析振子的質(zhì)量m對(duì)系動(dòng)態(tài)特性的影響。(3)比較第③和④組數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果，分析彈簧剛度K對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響。4）計(jì)算振子組件的質(zhì)量mz3)系統(tǒng)的位移曲線（1）質(zhì)量振子組件+1號(hào)彈簧+阻尼器放在空氣中m=mz：系統(tǒng)位移曲線13.結(jié)論（含結(jié)果分析）:（1）比較第①和②組數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果，分析阻尼c對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響。答：比較第①和②組數(shù)據(jù)，二階測(cè)量系統(tǒng)的階躍響應(yīng)呈衰減的SIN函數(shù)振蕩，并隨時(shí)間的增長(zhǎng)而趨于穩(wěn)態(tài)輸出?？梢钥闯鲈黾幼枘醕,當(dāng)振子質(zhì)量m與彈簧剛度K不變時(shí)，阻尼比ξ=將增大，使上升時(shí)間tr、峰值時(shí)間tp增大，系統(tǒng)響應(yīng)速度降低；減小超調(diào)量σ%，調(diào)節(jié)時(shí)間ts減小，降低系統(tǒng)振蕩。問(wèn)題與討論:要求:必須提出2個(gè)以上與本次實(shí)驗(yàn)有關(guān)的問(wèn)題進(jìn)行討論。1.m-k-c二階系統(tǒng)的響應(yīng)速度主要用調(diào)整時(shí)間來(lái)衡量，能否通過(guò)增加彈簧的剛度K來(lái)提高m-k-c二階系統(tǒng)的響