1、實驗三 測試裝置動態(tài)特性的測量實驗指導(dǎo)書實驗項目名稱：測試裝置動態(tài)特性的測量實驗項目性質(zhì)：綜合性所屬課程名稱：測試技術(shù)實驗實驗計劃學(xué)時：2一實驗?zāi)康?了解差動變壓器式位移傳感器的工作原理2掌握測試裝置動態(tài)特性的測試3掌握m-k-c二階系統(tǒng)動態(tài)特性參數(shù)的影響因素二實驗內(nèi)容和要求1. 差動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量三實驗主要的儀器設(shè)備和材料 該實驗需要的主要儀器設(shè)備有：彈簧振子實驗臺、計算機、采集卡、電源。1彈簧振子實驗臺彈簧振子實驗臺的原理如圖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

2、鐵心運動副組成，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)。實驗臺為一典型的m-k-c二階系統(tǒng)，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為 系統(tǒng)的無阻尼固有頻率為 系統(tǒng)的無因次阻尼比為 系統(tǒng)的有阻尼固有頻率 圖1 彈簧振子實驗臺原理圖彈簧k振子m傳感器臺架阻尼cUSB數(shù)據(jù)采集儀計算機調(diào)節(jié)器2測量原理1) 原理根據(jù)測量出的彈簧振子欠阻尼二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線來求系統(tǒng)的動態(tài)特性：固有頻率和阻尼比。關(guān)于該方法的詳細說明可參見教材。 2) 實驗步驟先將質(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)的輸出并傳輸給計算機，該輸出曲線如圖2所示。該輸出是由初

3、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)。圖2 欠阻尼二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)TdTdM1M2M3(1) 求有阻尼固有頻率階躍響應(yīng)的振蕩頻率為系統(tǒng)的有阻尼固有頻率。根據(jù)圖2中的曲線的振蕩周期，可測得 (2) 求阻尼比利用任意兩個超調(diào)量和可求出其阻尼比，n是該兩個峰值相隔的某一整周期數(shù)。計算公式為 其中 當(dāng)時，可采用下面的簡化公式 (3) 求無阻尼固有頻率計算出有阻尼固有頻率、阻尼比之后，根據(jù)公式(4)可求出系統(tǒng)的固有頻率 (4) 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。

4、式中，m為U型質(zhì)量塊的質(zhì)量，為將U型質(zhì)量塊疊放在振子上之后彈簧長度的變化量。求出系統(tǒng)的無阻尼固有頻率和彈簧剛度K之后，就可以根據(jù)公式得出振子組件的質(zhì)量mz， 3系統(tǒng)的組成質(zhì)量振子在平衡位置的振動位移由計算機實現(xiàn)自動采集。計算機采集系統(tǒng)的原理框圖如圖3所示。差動變壓器質(zhì)量振子臺架+12V(紅)-12V（綠）地線(白）信號線(蘭)USB數(shù)據(jù)采集儀(A/D)±12V直流電源計算機圖3 計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖USB(1) 差動變壓器該系統(tǒng)利用差動變壓器位移傳感器來檢測質(zhì)量振子的位移。差動變壓器的工作原理參見教材及傳感器的說明書。該位移傳感器的測量范圍為±60mm，滿量程輸出為

5、77;10V直流電壓信號。其工作電源為±12V直流電源。該位移傳感器的電纜線由4根線組成，紅色的接+12V電源，綠色線接-12V電源，白色線為地線，蘭色線為信號線。(2) USB7325A數(shù)據(jù)采集儀USB7325A數(shù)據(jù)采集儀可同時采集16路信號，但面板上只接出了其中10個通道?？蛇x用其中任何一個通道來采集位移傳感器的輸出。USB7325A數(shù)據(jù)采集儀接受差動變壓器輸出的±10V范圍內(nèi)的模擬直流電壓信號，在采集儀的內(nèi)部進行A/D轉(zhuǎn)換之后，將得到的數(shù)字量電壓信號通過USB接口發(fā)送給計算機。(3) 計算機及實驗軟件運行于計算機的實驗軟件可實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的自動采集、保存、顯示和處理等。

6、實驗軟件可實現(xiàn)采集通道的選擇和采集速度等設(shè)置。計算機采集得到的是差動變壓器輸出的電壓信號，而我們需要的是位移信號。因此，在實驗軟件里，將采集得到的電壓信號除以傳感器的靈敏度S后，即可得到質(zhì)量振子的位移信號。4系統(tǒng)參數(shù)的說明: 質(zhì)量振子組件(包括振子、水平滑桿、阻尼器)的質(zhì)量, 具體數(shù)值未知。: 1號U型質(zhì)量塊（長度約為40mm），其質(zhì)量約為mu1=130克（無標(biāo)注）或mu1=115克(有標(biāo)注): 2號U型質(zhì)量塊（長度約為60mm），其質(zhì)量約為mu2=210克。：1號彈簧（剛度小、直徑約為12mm）的剛度，具體數(shù)值未知。：2號彈簧（剛度大、直徑約為10mm）的剛度，具體數(shù)值未知。: 阻尼器放在空

7、氣中時系統(tǒng)的阻尼，具體數(shù)值未知。: 阻尼器放在水中時系統(tǒng)的阻尼，具體數(shù)值未知。四、實驗程序的操作(1) 啟動實驗軟件“測試裝置動態(tài)特性測試.exe”。(2) 用鼠標(biāo)單擊屏幕上“采集”框內(nèi)“采樣設(shè)置”按鈕，進行實驗軟件的參數(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。 (3) 單擊“采集”框內(nèi)的“開始采樣”按鈕，啟動數(shù)據(jù)采集，傳感器輸出的電壓信號被實時采集到計算機里并以數(shù)字和曲線的形式顯示在屏幕上。(4) 利用振子位置調(diào)節(jié)器，調(diào)整振子的平衡位置，使傳感器的輸出接近為零。(5) 用手將振子往下拉，使其偏離平衡位置一定距離后松手，振子將會振動起來。實驗指導(dǎo)書實驗項目名稱：虛擬儀

8、器（Labview）上機實驗實驗項目性質(zhì)：綜合性所屬課程名稱：測試技術(shù)實驗實驗計劃學(xué)時：2一、實驗?zāi)康?掌握LabView的編程和上機調(diào)試；2了解熱電偶溫度傳感器和應(yīng)變片式力傳感器的工作原理、特點和應(yīng)用；3掌握溫度和壓力的測量。二、實驗內(nèi)容和要求1LabView的編程和調(diào)試、運行；2利用LabView實現(xiàn)溫度和壓力的測量。三、實驗主要儀器設(shè)備和材料 本實驗的主要儀器設(shè)備有：虛擬儀器開發(fā)平臺LabView8.2，機械轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，USB數(shù)據(jù)采集卡，熱電偶溫度傳感器，應(yīng)變片式力傳感器，計算機。四實驗方法和步驟(7325A采集卡)（一）溫度測量編程與調(diào)試。說明：一個完整的VI程序包括程序前面板和程序框圖

9、兩大部分。簡單的采集過程為：打開采集卡初始化讀取采集結(jié)果。1、啟動LabView8.2編程環(huán)境。從開始程序National Instruments LabVIEW 8.2或者雙擊桌面快捷圖標(biāo) 。2、新建溫度測試VI。在LabView8.2開始界面左上角文件新建欄，單擊VI。則生一對空白的前面板和框圖窗口。如圖示： 3、在框圖面板中放置順序結(jié)構(gòu)。方法：在框圖面板任意空白位置單擊右鍵，彈出函數(shù)選擇框，單擊選中編程結(jié)構(gòu)層疊式順序結(jié)構(gòu)，在框圖中空白處單擊以確定順序結(jié)構(gòu)放置的坐上角點，向右下拖動鼠標(biāo)，再次單擊以確定順序結(jié)構(gòu)放置的右下角點，可以通過拖動邊框來改變結(jié)構(gòu)位置和大小（類似結(jié)構(gòu)放置方法一樣）。在邊

10、框上單擊右鍵，選中彈出菜單中的“在后面添加幀”項。這樣操作兩次后，就生成了具有三幀的層疊式順序結(jié)構(gòu)，編號依次為0、1、2。如圖示： 4、創(chuàng)建參數(shù)傳遞簇。在前面板空白處單擊右鍵，在控件選擇菜中單擊選中新式數(shù)組、矩陣簇，放置于前面板，雙擊標(biāo)簽“簇”，修改為BS。選中新式數(shù)值數(shù)值輸入控件，放置于剛才創(chuàng)建的簇中，并更改數(shù)值控件標(biāo)簽為lIndex。右鍵單擊數(shù)值控件，在彈出的菜單中，選中表示法I32（長整型）。按照同樣的方法在簇BS中創(chuàng)建其余五個數(shù)值控件，數(shù)據(jù)類型均為I32（長整型），標(biāo)簽分別為：lIndex、hHandle、nCh、lData、plData、lCode，輸入初值分別為：0、0、6、512

11、、0、1536。在前面板創(chuàng)建打開結(jié)果的數(shù)值顯示控件，標(biāo)簽設(shè)置為“打開”，數(shù)據(jù)類型為I32（長整型）。建好后的BS簇如圖示： 建好簇BS后，在程序框圖中將簇BS圖標(biāo)拖到順序結(jié)構(gòu)外面，“打開”顯示控件放在順序結(jié)構(gòu)里。 5、打開采集設(shè)備程序。選擇順序結(jié)構(gòu)的第0幀為當(dāng)前工作幀（可參照第3步的圖示，前面打鉤的為當(dāng)前工作幀）。在空白處單擊右鍵，在彈出的程序選中菜單中選中選擇，通過彈出的選種對話框選擇D:/labview上機實驗/Open7325A.VI，置于順序結(jié)構(gòu)的第0幀。用鼠標(biāo)單擊，連接簇BS端子和Open7325A子VI的輸入端子，Open7325A子VI的輸出端子和“打開”顯示控件。如圖示：6、初

12、始化采集設(shè)備程序。切換到順序結(jié)構(gòu)的第1幀。在前面板創(chuàng)建“初始化”顯示控件，數(shù)據(jù)類型為I32（長整型）。用與上述類似的方法加載Init7325A.VI，其路徑為：D:/labview上機實驗/Init7325A.VI，并連線至如圖所示：7、讀數(shù)、處理程序。要連續(xù)地從采集卡中讀取數(shù)據(jù)就必須將整個讀數(shù)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序放置在循環(huán)結(jié)構(gòu)中。切換至順序幀的第2幀，并創(chuàng)建“讀數(shù)”顯示控件，數(shù)據(jù)類型為I32（長整型）。在程序菜單中選中編程結(jié)構(gòu)While循環(huán)，置于第二幀中（中間留出較大空間）。在While循環(huán)內(nèi)，調(diào)用Read7325A.VI。連接簇BS和子VI。在程序選擇菜單中選擇編程簇與變體按名稱解除捆綁，與簇B

13、S連接，單擊該解綁函數(shù)，選擇所要的元素lData。選擇編程數(shù)組初始化數(shù)組，在編程數(shù)值數(shù)值常數(shù)，改常數(shù)值為2048。連線至圖示。選擇編程數(shù)值商與余數(shù)、除、乘、減 函數(shù)和常數(shù)，并按圖示連接。選擇編程數(shù)組抽取一維數(shù)組 ，放置好后，拖動其下邊框使得其有十個輸出端子，輸出數(shù)據(jù)從第六路引出（溫度采集為第六通道）。選取編程數(shù)組索引數(shù)組 函數(shù)、數(shù)值常數(shù)，按圖示連接。8、在前面板創(chuàng)建新式圖形波形圖表，改其標(biāo)簽為“電壓（V）”。同樣，創(chuàng)建標(biāo)簽為“溫度()”的波形圖表。創(chuàng)建“電壓（V）”和“溫度()”數(shù)值顯示控件，用來實時顯示電壓和溫度值。創(chuàng)建啟停按鈕，新式布爾開關(guān)按鈕。 9、數(shù)據(jù)保存程序。選擇編程數(shù)組創(chuàng)建數(shù)組，拖

14、動其下邊框使其具有兩個輸入端子。分別連接電壓和溫度值。選擇編程文件/寫入電子表格文件。在前面板創(chuàng)建路徑輸入控件，選擇新式字符串與路徑文件路徑輸入控件，并將其值寫為：D:labview上機實驗溫度測量數(shù)據(jù).txt。連接至寫入電子表格文件函數(shù)的“文件路徑”端子。在程序選擇菜單選擇編程布爾真常量，連接至寫入電子表格文件函數(shù)的“添加至文件？”端子。10、程序調(diào)試運行。編好程序后，前面板和程序框圖的菜單欄中“運行”圖標(biāo)由變成狀，表示程序編寫正確。打開數(shù)據(jù)采集設(shè)備電源。啟動直流電機，調(diào)速至一個穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速。單擊前面板的“起?！卑粹o使之呈高亮態(tài)，再單擊工具欄上“運行”按鈕開始采集。正常情況下前面板波形圖表顯示

15、為：從圖上可以看出，電壓和溫度變化幅值波動較大，其實不然（從右邊的數(shù)值顯示控件可以看出）。原因是兩個波形圖表的縱坐標(biāo)（Y軸）設(shè)置了較高的分辨率?？赏ㄟ^修改屬性的方法來調(diào)整。在“電壓（V）”波形圖表 中單擊右鍵，在彈出的菜單中選擇屬性 ，選擇“標(biāo)尺”頁，設(shè)置如圖所示。同理設(shè)置“溫度”波形圖表 ，如圖示。 運行結(jié)果如下：（二）壓力測量程序編寫與調(diào)試。16、與溫度測量實驗一樣。7、While循環(huán)的建立、各數(shù)值常數(shù)和運算符的創(chuàng)建等方法都和前面一樣。在對采集的信號進行后續(xù)的處理中，篩選正壓力值的功能是靠一個條件結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的。其位置在編程結(jié)構(gòu)條件結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建方法與順序結(jié)構(gòu)一樣。條件結(jié)構(gòu)有兩幀（真和假），當(dāng)外

16、面的條件表達式為真時，執(zhí)行“真”幀中的程序，反之執(zhí)行“假”幀中的程序。這里的條件表達式中包含了一個比較函數(shù)，其位置為編程比較大于，將其輸出結(jié)果連接至條件結(jié)構(gòu)的條件端子。 第2幀的連接圖如下所示：8、程序編寫無誤后。檢查簇BS的參數(shù)設(shè)置，各元素值可參照圖示。打開采集設(shè)備，點擊“起?！卑粹o至高亮態(tài)，再點擊工具欄上“運行”按鈕開始運行。試驗臺靜止時測試結(jié)果如下圖所示：啟動試驗臺在某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時，測試結(jié)果如下：五實驗方法和步驟(MP421采集卡)（一）溫度測量編程與調(diào)試。說明：一個完整的VI程序包括程序前面板和程序框圖兩大部分。簡單的采集過程為：打開采集卡初始化讀取采集結(jié)果。1啟動LabView編

17、程環(huán)境從開始程序National Instruments LabVIEW或者雙擊桌面快捷圖標(biāo) 。2新建溫度測試VI。在LabView開始界面左上角文件新建欄，單擊VI。則生一對空白的前面板和程序框圖窗口。如圖8.1所示。圖8.13在程序框圖窗口中放置順序結(jié)構(gòu)。在程序框圖窗口的任意空白位置單擊右鍵，彈出函數(shù)選擇框，單擊選中“編程結(jié)構(gòu)層疊式順序結(jié)構(gòu)”（圖8.2），在框圖中空白處單擊以確定順序結(jié)構(gòu)放置的坐上角點，向右下拖動鼠標(biāo)，再次單擊以確定順序結(jié)構(gòu)放置的右下角點，可以通過拖動邊框來改變結(jié)構(gòu)位置和大?。愃平Y(jié)構(gòu)放置方法一樣）。在邊框上單擊右鍵，選中彈出菜單中的“在后面添加幀”項，如圖8.3所示。這樣

18、操作兩次后，就生成了具有三幀的層疊式順序結(jié)構(gòu)，編號依次為0、1、2。如圖8.4所示。圖8.2圖8.3圖8.44調(diào)用“打開采集設(shè)備”子程序，完成采集卡的打開。選擇順序結(jié)構(gòu)的第0幀為當(dāng)前工作幀（可參照圖8.4所示，前面打鉤的為當(dāng)前工作幀）。在當(dāng)前工作幀的空白處單擊右鍵，在彈出的程序選中菜單中選中“選擇VI”，通過彈出對話框選擇F：/labview上機實驗/MP421 MP421_OpenDevice.vi。將MP421_OpenDevice子程序的圖標(biāo)放在當(dāng)前工作幀的空白處，見圖8.5。右鍵點擊子程序圖標(biāo)，在彈出的右鍵菜單中取消“顯示為圖標(biāo)”，見圖8.6。用鼠標(biāo)拉長之后，則子程序標(biāo)記由圖標(biāo)變成了如

19、圖8.7所示的程序方框；該子程序顯示出了其需要的輸入端口為dev_num（設(shè)備號），輸出端口為hDevice(open)（設(shè)備句柄），見圖8.7。圖8.5圖8.6圖8.7右鍵單擊程序方框中的dev_num格，在彈出菜單中點擊“創(chuàng)建/輸入控件”，為打開設(shè)備子程序新建一個輸入控件dev_num(設(shè)備號)。如只有一塊MP421采集卡，則該輸入控件的值取0。在空白處單擊右鍵，在彈出菜單中選中“選擇VI”，通過彈出的對話框選擇全局變量子程序F：/labview上機實驗/hDvice.vi，該子程序中定義了全局變量hDevice。將全部變量hDevice子程序與打開采集設(shè)備子程序的輸出端口hDevice(

20、open)相連。該全部變量用于保存“打開采集卡”子程序返回的采集卡句柄，在順序結(jié)構(gòu)的其它幀需要調(diào)用。最后得到的順序結(jié)構(gòu)第0幀的程序框圖如圖8.8所示。圖8.8圖8.95. 調(diào)用“數(shù)據(jù)采集”子程序選擇順序結(jié)構(gòu)的第1幀為當(dāng)前工作幀（可參照圖8.4所示，前面打鉤的為當(dāng)前工作幀）。在當(dāng)前工作幀的空白處單擊右鍵，在彈出菜單中選“選擇VI”，通過彈出對話框選擇F：/labview上機實驗/MP421_ADS.vi。取消“顯示為圖標(biāo)”和拉長之后，得到如圖8.9所示的程序框圖。該子程序有chan(采樣通道)、hDevice(句柄)、tdata(采樣速度控制字)等3個輸入端口。采集卡的采樣頻率=10000/td

21、ata(KHz)。分別為MP421_ADS子程序的chan、tdata這2個輸入端口新建兩個輸入控件。hDevice(句柄)輸入端口應(yīng)該與全局變量hDevice相連。因此，先插入全局變量子程序hDevice.vi。右擊hDevice圖標(biāo)，在彈出菜單中選擇“轉(zhuǎn)換為讀取”之后，hDvice圖標(biāo)的連接端口由輸入變成輸出。于是就可以將hDevice全局變量與MP421_ADS子程序的hDevice(in)輸入端口相連。再MP421_ADS子程序的“元素”輸出端口創(chuàng)建輸出顯示控件?！霸亍倍丝谳敵龅木褪遣杉玫诫妷簲?shù)據(jù), 將“元素”顯示控件的標(biāo)簽名改為“電壓(V)”。最終得到如圖8.11所示的程序框圖。

22、圖8.10圖8.116數(shù)據(jù)的處理 在前面板創(chuàng)建“新式圖形波形圖表”，改其標(biāo)簽為“電壓（V）”。同樣，創(chuàng)建標(biāo)簽為“溫度()”的波形圖表。創(chuàng)建標(biāo)簽為“靈敏度（/V）”的數(shù)值輸入控件，用于實現(xiàn)電壓與溫度間的轉(zhuǎn)換。創(chuàng)建標(biāo)簽為“溫度()”的數(shù)值顯示控件，用來實時顯示溫度值。 進入程序框圖窗口，選擇順序結(jié)構(gòu)的第1幀為當(dāng)前工作幀。選擇“編程數(shù)值乘”，按圖8.12所示連接。這樣，“乘”程序圖標(biāo)輸出的就是轉(zhuǎn)換之后為溫度值。 7.數(shù)據(jù)的保存在前面板，選擇“新式布爾開關(guān)按鈕”, 創(chuàng)建數(shù)據(jù)保存的開關(guān)按鈕。將開關(guān)的標(biāo)簽由“布爾”改為“保存”。 進入程序框圖窗口，選擇順序結(jié)構(gòu)的第1幀為當(dāng)前工作幀。在程序框圖窗口右邊的空白

23、位置處單擊右鍵，彈出函數(shù)選擇框，單擊選中“編程結(jié)構(gòu)條件結(jié)構(gòu)”，在框圖中右邊空白處單擊以確定條件結(jié)構(gòu)放置的坐上角點，向右下拖動鼠標(biāo)，再次單擊以確定條件結(jié)構(gòu)放置的右下角點，可以通過拖動邊框來改變結(jié)構(gòu)位置和大小。 將“保存”開關(guān)按鈕與條件結(jié)構(gòu)的左邊框的“分支選擇器”相連。單擊條件結(jié)構(gòu)的上邊框中間的“選擇器標(biāo)簽”，將其值改為“真”。在條件結(jié)構(gòu)框內(nèi)，選擇“編程數(shù)組創(chuàng)建數(shù)組”，拖動其下邊框使其具有兩個輸入端子，分別連接電壓和溫度值。選擇“編程文件/寫入電子表格文件 ”。在前面板創(chuàng)建路徑輸入控件，選擇“新式字符串與路徑文件路徑輸入控件”，并將其值寫為：D:溫度測量數(shù)據(jù).txt。轉(zhuǎn)換到程序框圖窗口，將“路徑”圖標(biāo)放入“條件結(jié)構(gòu)”方框內(nèi)，連接“路徑”圖標(biāo)輸出端口至寫入電子表格文件函數(shù)的“文件路徑”端子。選擇“編程布爾真常量”，連接至寫入電子表格文件函數(shù)的“添加至文件？”端子。圖8.12圖8.13 至此，順序結(jié)構(gòu)的第1幀的編程已經(jīng)完成，如圖8.14所示。在此幀程序中，主要完成了數(shù)據(jù)的采集、處理和保存。8. 采集卡的關(guān)閉選擇順序結(jié)構(gòu)的第2幀為當(dāng)前工作幀（可參照圖8.4所示，前面打鉤的為當(dāng)前工作幀）。 在當(dāng)前工作幀的空白處單擊右鍵，在彈出菜單中選“選擇VI”，通過彈出對話框選擇F：/labview上機實驗/MP421_