第十二部分传感器技术
0 预备知识
传感器在机电一体化系统乃至整个现代科学技术领域占有极其重要的地位，当今信息时代，如果没有传感器，现代科学技术将无法发展。为了适应这一时代发展的需要，全国各大中专院校及各类职业技术学校都相继将传感器及实验教学纳入教学任务，作为物理、电子、测控以及自动化类专业的一门必修课。
传感器是机电一体化中各种设备和装置的“感觉器官”，是检测系统的第一个环节。它以一定的精度把被测量（各种各样形态各异的信息量）转换成与之有确定关系的、便于应用的某种量值的测量装置。顾名思义，传感器的功能是一感二传，即感受被测信息，并传送出去。根据传感器的功能特点，一般由三部分组成：敏感元件、转换元件、测量电路。
敏感元件：能够灵敏地感受被测量并作出响应的元件。如金属或半导体应变片，能感受压力的大小而引起形变，形变程度就是对压力大小的响应。铂电阻能感受温度的升降而改变其阻值，阻值的变化就是对温度升降的响应，所以铂电阻就是一种温度敏感元件，而金属或半导体应变片，就是一种压力敏感元件。
转换元件：将敏感元件感受的被测量转换成电路参数的元件。如果敏感元件本身就能直接将被测量变成电路参数，那么，该敏感元件就是具有了敏感和转换两个功能。如热敏电阻，它不仅能直接感受温度的变化，而且能将温度变化转换成电阻的变化，也就是将非电路参数（温度）直接变成了电路参数（电阻）。
测量电路：将转换元件转换的电学量进行测量的电路。
传感器的种类较多，根据被测物理量可分为：速度传感器、位移传感器、加速度传感器、温度传感器、压力传感器、光纤传感器等。根据工作原理分为：应变式、电压式、电容式、涡流式、差动变压器式等。根据能量的传递方式分为：有源的和无源的传感器。
了解和掌握一定的传感器技术对每个科技工作者来说是十分必要的。本部分内容通过两个实验的实际应用，使学生对传感器有一个初步了解
实验仅通过金属箔式电阻应变片的一种实际应用而使学生对传感器有一个初步了解。
实验一用金属箔式电阻应变片作交流全桥的应用
——振动测量实验
一、实验目的
1.了解金属箔式电阻应变片的结构和工作原理；
2.熟悉非平衡电桥的输出灵敏度特性；
3.掌握利用交流电桥测量动态应变参数的原理与方法。
二、实验内容
1．金属箔式电阻应变片的结构和工作原理
应变式电阻传感器的核心元件是电阻应变计，它能将机械物件上的应变的变化转换成电阻值的变化。通过对电阻值变化量的测量即可得知机械构件的应变情况，从而可以求出引起该变化的物理量的大小。其构造简图如图12-1所示。排成网状的高阻金属丝，栅状金属箔
或半导体片构成的敏感栅，用合适的粘合剂贴在绝缘的基片2上，敏感栅上贴有保护片3，栅丝较细，一般为0.015~0.06mm （或厚度为 0.003~0.010mm 的金属箔）。其两端焊有较粗（0.1~0.2mm ）的低阻铜丝4 作为与电路相连的引线。
图 12-1 电阻丝应变片结构示意图
1、电阻丝
2、基片
3、覆盖层
4、引出线
使用时，选择合适的粘合剂将应变计贴在被测试件表面。试件形变引起敏感栅变形，于是其阻值发生变化，通过测量电路可将敏感栅的阻值变化转换为电压或电流的变化。如果将二片相同的应变计粘贴在平行梁上同一位置的正、反两面，则该平行梁形变所引起的二片应变计的电阻变化刚好相反，即：
△R 上=-△R 下
对于一根长为L ，截面积为S （直径为d ），电阻率为ρ的金属丝，其电阻R 为
S
L
R ρ
= 两边取对数，再微分得
S dS L dL d R dR -+=ρρ
将S=π.d 2
/4代入上式，并将微分写成增量式。
d d
L L R R ?-?+?=?2ρρ
由材料力学知，在弹性范围内金属丝沿长度方向伸长时，横向尺寸缩小，反之亦然。即纵向应变εx 与径向应变εr 存在下列关系：εr =－μ.εx (μ为材料的泊松比)。设
x
L L
ε=? r d d ε=?
ρ
ρ
εμμεερ
ρ
?+
+=++?=?x x x R R )21(2
由此可见，电阻丝的电阻变化由两部分组成：第一部分是材料的几何形变引起，即应变效应；第二部分是电阻率的变化引起的，即压阻效应。对金属材料而言，应变效应是主要的，
其灵
敏度K 0=1+2μ≈1.5~2.0。对于半导体材料，压阻效应是主要的，在制造工艺虽然比金属复杂，但灵敏度比金属约大50~100倍，甚至可以不用放大器而直接由电压表或示波器显示测量结果。对于金属材料，上式可进一步写成[1]
x
S K R R
ε+=?
式中，K S 对某一种金属材料在一定应变范围内为一常数，可见，金属材料电阻值的相对变化在一定范围内与应变成正比。
由于应变片电阻的阻值受环境温度的影响较大，在实际应用中要采用适当的方法对温度引起的误差进行补偿。通常因温度变化而引起应变片阻值变化的主要因素有两个：一是应变片的电阻丝具有一定的温度系数；二是电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。 2．电阻应变式传感器的转换电路
在电阻应变式传感器中，应变计是敏感元件，它将应变量εx 转换成电阻的相对变化 ，该量要经转换元件转换成电学量后，再由测量电路进行测量。电桥就是一种常用的转换测量电路，其基本形式如下：
图 12-3 电桥电路 图 12-4 全桥差动电路
由图12-3电桥电路中，根据戴维南定理可算出输出电压U O 为：
E U R R R R R R U ?+-+=)4
33
212(
在预平衡状态下（即U O =0），各臂电阻满足R1*R3=R2*R4。
通常电阻应变片的检测电路采用非平衡电桥，由非平衡电桥电路的特性可知：在采用全桥差动输入的情况下，其输出电压最大，且与电阻的变化成正比，（设ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4=ΔR ）还可以起到温度补偿的作用。
E U R R
U ??=
1
0 3.实验原理
全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，不同的接入邻边。已知单全桥电路的∑R 分别为4
R
R
?。根据戴维南定理可以得出单臂电桥的输出电压近似等于
14
O EKu
U
，于是对应全桥的电压灵敏度为EKu 。由此可知，当E 和电阻相对变化一定时，电桥及电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。从而灵敏度提高了，非线性误差和温度误差均得到改善。
此外，实验中将交流应变信号用交流电桥来测量，桥路输出的波形为一调制波，不能直接显示其应变值，只有通过移相、相敏检波和滤波电路后才能得到变化的应变信号，此信号可以从示波器或用交流电压表读得。
三、实验仪器
该实验是在ZY13Sens12SB 型传感器技术实验台上进行的。 1. ZY13Sens12SB 型传感器实验台
ZY13Sens12SB 型传感器实验台主要由音频振荡器、低频振荡器、应变式传感器实验模板、相敏检波器模板、振动源、三源板上等组成。实验台的结构及面板示意图如图12-5所示。
图12-5 ZY13Sens12SB 型传感器技术实验台
2. 应变式传感器结构示意图
应变式传感器主要由应变片、弹性体、模板、托盘、固定垫等组成，其结构示意图为图12-6。
图12-6 应变式传感器结构示意图
3．实验连线图
四、实验步骤
1、模块上的传感器不用，改为三源板板上振动梁的应变片，即台面上的应变输出。
2、将台面三源板上的应变插座用连接线插入应变传感器实验模板上。因振动梁上的四片应变片已组成全桥，引出线为四芯线，因此可直接接入实验模板面上已联成电桥的四个插孔上。接线时应注意连接线上每个插头的意义，对角线的阻值为350Ω，若二组对角线阻值均为350Ω则接法正确（万用表测量）。
3、根据图7－1，接好交流电桥调平衡电路及系统，R8、RW1w、C、RW2为交流电桥调平衡网络。检查接线无误后，合上主控台电源开关，将音频振荡器的频率调节到1KHz左右，幅度调节到10Vp-p，（频率可用数显表Fin监测，幅度用示波器监测）
4、将低频振荡器输出接入三源板振动单元中的低频输入插孔，调低频输出幅度和频率使振动台（圆盘）明显感到振动。
5、固定低频振荡器幅度旋钮位置不变，低频输出端接入数显单元的Fin，把数显表的切换开关打到频率档监测低频频率，调低频频率，用示波器读出频率改变时低通滤波器输出
从实验数据得振动梁的自振频率为 HZ。
五、实验注意事项
不用应变模块上的传感器，用专用的连接线将三源板上的应变输出和模块上的插孔连接起来。应变线的接线可参考图12-6。
六、实验思考题
1.分析移相器的工作原理。
2. 传感器不受外力作用时，理论上电桥应处于初始平衡状态，但实际测量时，电桥总是有点不平衡，为什么？
3.实验中采用移相、相敏检波和滤波电路有何作用？
参考文献
[1] 王化祥.张淑英编著.传感器原理及应用. 天津大学出版社. 1999.2第2版19-35.
[2]余成波.胡新宇编著.传感器与自动检测技术.高等教育出版社2004.2 第1版200-210
实验二光纤传感器的位移特性实验
光纤传感器(FOS Fiber Optical Sensor)是20世纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质区别,光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质,可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量。本实验通过测量光纤传感器的位移特性来，对熟悉和掌握光纤传感器十分必要。
一、实验目的
1.理解光纤传感器的工作原理；
2.理解传光型光纤传感器的工作原理；
3.了解光纤位移传感器性能。
二、实验仪器
光纤传感器、光纤传感器实验模板、数显单元、测微头、直流源、反射面（用电涡流传感器的铁测片做反射面）等组成，如图所示。
图1 实验仪器图
三、实验原理
传光型光纤传感器是由光检测元件与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。在传光型光纤传感器中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为结构型或非功能型光纤传感器。光纤仅仅起传输光信号的光学通路的作用，被测参数均在光纤之外，由外置敏感元件调制到光信号中去。
传光型传感器又叫结构型光纤传感器，或者非功能型光纤传感器，在这类传感器中，光纤的作用只是传输光，需要加上其他敏感元件，才能构成完整的传感器，为了得到较大受光量和传输的光功率，传光型光纤传感器通常采用竖直孔径和大的阶跃型多模光纤，它的结构比较简单，并且能够充分利用光电元件和光纤本身的特点，应用比较广，它的缺点是灵敏度比传感型光纤传感器要低，测量精度也较差。
案例：光纤位移传感器
上图所示为反射式光纤位移传感器，这种类型的传感器将发射光纤和接收光纤绑在一起，从发射光纤发射出的光经被测物体表面直接或者间接反射后，再经接收光纤照射到光敏元件上，光敏元件所接收到的光亮会随被测物体表面与传感器端面的相对位移的变化而变化。那么相对光强和相对位移之间的关系如下图所示。
从图上我们可以看出，当d 很小的时候，接收到的光亮也很小，随着物体与光纤端面d 的增大，接收到的光亮随着增加，到达某一值后，接收到的光亮由最大随着d 的增大开始减小，图中曲线的A 段，也就是光强由0到最大这段区间内，传感器所测位移较小，灵敏度高、适用与测量微米级的微小位移、震动或者是材料表面状态等；那么曲线中的B 段，所测位移较大，但灵敏度低。
本实验采用的是传光型光纤，它由两束光纤混合后，组成Y 型光纤，半园分布即双D 型一束光纤端部与光源相接发射光束，
另一束端部与光电转换器相接接
收光束。两光束混合后的端部是工作端亦称探头，它与被测体相距X，由光源发出的光纤传到端部出射后再经被测体反射回来，另一束光纤接收光信号由光电转换器转换成电量，而光电转换器转换的电量大小与间距X有关，因此可用于测量位移。
五、实验注意事项
1、实验时注意光纤探头与反射面保持平行，调整光纤探头使其位于反射面的圆心上。
2、实验前应用纸巾擦拭反射面，以保证反射效果。
六、实验步骤
1、根据图9－1安装光纤位移传感器，二束光纤插入实验板上的座孔上。其内部已和发光管D及光电转换管T 相接。
图9－1 光纤传感器安装示意图
2、将光纤实验模板输出端VO1与数显单元相连，见图9－2。
图9－2光纤传感器位移实验接线图
3、调节测微头，使探头与反射面圆平板接触。
4、实验模板接入±15V电源，合上主控台电源开关，调RW使数显表显示值最小，然后微调测微头使数显表显示为0.000（电压选择置2V档）。
6、根据上表数据，作光纤位移传感器的位移——输出曲线图。计算在量程1mm时灵敏度和非线性误差。
七、实验报告
在实验报告中填写《实验报告二十五》，详细记录实验过程中的原始记录（数据、图表、波形等）并结合原始记录进一步理解实验原理。
八、实验思考题
根据实验步骤（6）中的光纤位移传感器的位移——输出曲线图，分析其原理。
实验三机械手接近觉实验
机器人运动学描述了机器人关节与组成机器人的各刚体之间的运动关系。主要包括机器人末端手的位姿分析、速度分析、加速度分析等。当已知所有关节变量时，可用正运动学来确定机器人末端手的位姿。如果要使机器人末端手放在特定的点上并且具有特定的姿态，可用逆运动学来计算出每一关节变量的值，以此来实现对机器人进行运动分析、离线编程、轨迹规划等工作。机械手是应用计算机控制技术的教学实验装置本实验装置是一种具有接近觉、接触觉、滑动觉、力觉、热觉等五种感觉的两自由度智能机械手，所有感觉集中于手爪部位，通过手爪对模拟工件的操作，实现感觉信息的测量。在该实验装置上，可单独完成以下机器人感觉实验：
·接近觉实验
·接触觉实验
·滑动觉实验
·力觉实验
·热觉实验
·示教和再现操作（工作方式类同于一般示教再现机器人）
·自适应抓取实验（抓取鸡蛋、玻璃瓶等易碎物）
·多信息融合算法实践
作为实验装置，它使学生直接面对科学研究前沿，除多个实验可做生动的演示外，在信息处理部分可以融入自己的算法思想。在技术上，它具有控制方式灵活、人机界面友好、实验系统结构开放等特点。可作为“机械制造及其自动化”、“自动化”、“电子信息工程”等本科专业《机器人技术》课程的实验装置，也可用作相关专业研究生实践及研究开发平台。
整个实验装置由机械手本体、控制器、计算机等三部分组成，系统组成示意图如图0-1所示。
机械手本体由多感觉手爪（其中力传感器装在腕部）、升降筒、支撑力柱和底座工作平台等组成，手爪的张开与闭合及手臂的升降均由步进电机驱动。手爪为丝杠螺母传动，带动一平移夹持机构实现手爪开合。升降是滚珠丝杠传动，螺母与升降筒固定在一起，由直线导轨保持其运动精度。
控制器由控制面板（含液晶显示）、传感器信号处理板、机械手控制板、电机驱动器、直流电源等组成。控制面板（含液晶显示）是人机界面，由按键输入，液晶输出。传感器信号处理板完成各种感觉信息的模拟信号处理，分别输出到PC机和机械手控制板。机械手控制板包括感觉信号的A/D转换、键盘输入处理
和各种实验功能的实现（含手爪及升降电机的控制）。
计算机是各种感觉信息的演示界面，用LABVIEW软件开发，能用多个窗口观察各个感觉信息的实时变化，并进行多感觉信息融合算法的实践。
实验主菜单界面
首先将介绍具体的软件运行界面，以及菜单的使用方法。在打开多感觉机械手实验装置软件后，将直接弹出如图0-2所示的实验菜单界面：
标题框
菜单框
图0-2 实验菜单界面
由图0-2可知，实验菜单界面主要由标题框和菜单框组成。其中菜单框共包含7个菜单项，每个菜单项分别是一个实验的入口，要进入某个实验只需单击相应的菜单项，本实验系统可以提供的实验分别是：
1.自适应抓取实验
在自适应抓取实验中，将完成同时对4个传感器的数据采集并显示数据的波形，而且可以实现将某个传感器信号窗口进行放大观察的功能。
2.未知材料特征值提取实验
在未知材料特征提取实验中主要完成对未知材料的力觉特征和热觉特征的提取，并且提供一组参数，这些参数将在后续的多信息融合实验中用来判断机械手所抓取的工件的材质。
3.多信息融合实验
在多信息融合实验中将使用未知材料特征提取实验中所获取的数据进行处理和判断，并给出机械手所抓物体属于某种材料的概率。
4.接近觉实验
在接近觉实验中，将实现对单一的接近觉传感器信号的数据采集和分析。
5.触滑觉实验
在触滑觉实验中，将实现对单一的触滑觉传感器信号的数据采集和分析。6.力觉实验
在力觉实验中，将实现对单一的力觉传感器信号的数据采集和分析。 7.热觉实验
在热觉实验中，将实现对单一的热觉传感器信号的数据采集和分析。 在完成实验以后要退出实验菜单，可按下实验菜单界面的最下方的退出键，如果要重新开始运行，可以点击位于windows 工具栏上的空箭头按钮（如图0-3所示），它将再次启动程序。
注意：
除了可以在实验菜单中手工的选择做某个实验，也可以由控制箱选择作某个实验，即在控制箱上通过按键选择作何种实验，可以通过单片机和计算机的通信可以实现软件自动选择作的实验。为了让软件自动实现实验的选择，必须确保从控制箱的串行通信线正确的接到计算机的COM 1口。假如串行通信线未成功连接，计算机将需要手工的选择作何种实验，即通过菜单上的按键来实现实验的选择。
实验一 机械手操作实验
一、实验目的
1.了解机械手的控制结构和示教方式;
2.
二、实验装置
多感觉机械手实验装置 三、实验原理
机械手控制结构（框图）如图1-1所示。
重新开始按钮
图0-3 实验菜单界面
图中，8155接口负责机械手张开极限和升降极限位置的I/O 检测、对液晶的输出显示控制；ADC0809完成对各种感觉信号的AD 转换并输入到计算机；2864芯片用于存储各个实验的经验数据，两块8253完成对步进电机的脉冲信号输出及其计数。
机械手示教工作：在示教工作模式下，利用面板（图1-2）上的相应键操纵手臂、手爪，使之完成预期的轨迹。操作者可通过液晶显示了解当前工作区位置、示教内容（工作点数）、当前机械手位置等信息。 示教模式工作流程如图1-3示：
图1-1 多感觉机械手控制系统结构示意图
四、操作步骤：
1．熟悉操作面板，通过面板上的“模式”按钮选择示教工作模式，显示如下：
2．按确认键，进入示教模式，显示如下：
其中A—00表明当前工作区为A区（可通过工作区键切换至B、C、D区），目前无工作点数（00），工作点最大可保存60点，不能超出；A：2AF0表明手臂当前位置；G：0000表明手爪当前位置。
3．示教过程中可以利用手爪的开、合，手臂的升、降点动和连续动作实现任务。
如：手臂上升到指定位置后，显示：
按下“记忆”键，系统将机械手此运动过程保存下来供再现使用，显示如下：
此时，表明系统已完成记忆工作，可继续进行示教工作。
4．在示教模式下，若想删除该工作区中的记忆内容，利用“删除”键实现。该功能键按下后，将当前示教区最后一个示教工作点删除，如此反复操作，可删除当前示教区所有工作点，以备新的示教程序使用。显示如下：
5．当示教完成后，利用“模式”选择键切换到再现模式下，显示如下：
表明当前再现任务工作区为A区，工作区示教点数为6。
6．按下“确认”键后机械手将先执行回原点（寻找绝对原点）操作，然后按照示教顺序完成示教任务。显示如下：
STEP—01表明当前机械手正在完成第一个示教点的工作任务，然后依次是02、03、
04、05、06，然后停止。再次按下“确认”键后重复上述操作过程。
实验二接近觉实验
一、实验目的
了解机器人接近觉的工作原理。
二、实验装置
多感觉机械手实验装置;PCI6024E采集卡;计算机
机械手控制结构（框图）如图1-1所示。
图中，8155
接口负责机械手张开极限和升降极限位置的I/O 检测、对液晶的输出显示控制；ADC0809完成对各种感觉信号的AD 转换并输入到计算机；2864芯片用于存储各个实验的经验数据，两块8253完成对步进电机的脉冲信号输出及其计数。
三、实验原理
接近觉采用红外反射光强法，其工作原理如下。
红外反射光强法接近觉的测量原理，如图2-1所示。由红外发光管发射经过调制的信号，红外光敏管接收经目标物反射的红外调制信号，环境红外光干扰的消除由信号调制和专用红外滤光片保证。
设输出信号V out 代表反射光强，则V out 是探头至工件间距离X 的函数： V out =f(x ，p)
式中p 表示工件的反射系数。
当工件为p 值一致的物体时，X 和V out 一一对应。典型的响应为非线性曲线，如图2-2所示，X 距离的推算根据预先对各种目标物的接近觉测量实验数据通过
图1-1 多感觉机械手控制系统结构示意图
插值得到。
反射系数p 与目标物表面颜色、粗糙度等有关，当目标物颜色较深、接近黑色或透明时，反射光很弱。若以输出信号达到某一阈值作为“接近”时，则对不同目标物，因其表面的颜色和粗糙度是不同，“接近”的距离是不同的。红外光强法接近觉对大多数目标物是能找到“接近”感觉的，所以这一并不十分精确的简单测距系统用做机器人的接近觉是完全能够胜任的。
接近觉信号处理电路分为发射部分和接收部分。信号调制与发射部分采用方波调制，电路见图2-3，调制信号（方波）由NE555产生，其调制频率由R1、R2、C2确定，改变电阻R2可改变占空比。调制频率约为500Hz 。图中虚线框为接近传感器的红外发光管部分。
发射A
图2-3 接近觉信号调制与发射
图2-1 红外光强法接近觉原理
图2-2 接近觉响应曲线
Vout
X
目标物
发射
接收X +5V
A B +5V
图2-4 接近觉信号接收与解调
信号接收及解调电路如图2-4所示，虚线框中为红外光敏三极管。图中第一级用于检测所接收的红外光强度，电路中C3起直流隔离作用，抑制环境噪声（环境光）的影响，后续电路由模拟开关和运放组成的混合电路实现解调功能。IC5A ，IC5C 为双向模拟开关，控制信号由图中C 、D 提供，控制逻辑相反。在正负半周分别控制不同的电路接入IC4B 运放，使正负对称的方波在输出时变为其绝对值，经低通滤波完成输出直流信号与接近距离的对应关系。解调过程波形分析如图2-5所示。
发射信号E F
调制信号
t
t
G
H
实验4 分子振动 实验目的 （1）完成H2O分子、CO2分子、氯代环丙烷分子、正丁酸分子的计算，掌握红外光谱的吸收图的绘制和每个振动的模式的分子图；找出实验的数据进行对比 （2）从理论上剖析振动光谱、简振模式，以及简振模式与振动光谱的对应关系。 （3）掌握红外光谱与Raman光谱的识别，掌握谱图中峰的辨认 计算方法 用密度泛函的B3LYP方法，在含有弥散函数的AUG-cc-pVDZ基组水平上，对分子做对称性限制的优化。在优化构型的基础上，进行简振频率、IR强度、Raman活性和简振模式的计算。计算使用Gaussian98程序包。 这是一个关于有机分子振动光谱的实验，涉及简振频率、红外光谱、拉曼光谱以及简振模式的计算。主要分析讨论简振模式的振动方式与分类、简振模与振动光谱的对应关系等。振动分析的结果会给出分子的全部振动模式。分子中的各个原子被放在一个称为标准取向的笛卡尔直角坐标系中。各个原子的振动则在该点的一个平行子坐标系中给出其在各轴上的分量。Chemcraft程序则可以直接转换成矢量形式，并动态模拟各个模式的振动。其频率值和振动的红外和拉曼强度也同时给出。注意要分析两种不同振动光谱产生的原因以及强度与振动的关系。 本实验依旧使用Schr?dinger equation与The Born-Oppenheimer Approximation，公式如下： 双原子分子振动能量： 当v=0时，能量最低，即在绝对零度时，振动能量为1/2。该能量也被称为零点能。
红外光谱红外光谱法是一种根据分子对特定频率的波的吸收来确定物质分子结构和鉴别化合物的分析方法。 物质产生红外吸收光谱必须满足两个条件： ①电磁波能量与分子两能级差相等，这决定了吸收峰出现的位置。 ②分子振动时其偶极矩必须发生变化。 拉曼光谱是一种散射光谱。拉曼光谱分析法是与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构研究的一种分析方法。 分子振动的过程中，极化率的变化导致拉曼光谱的产生，化学键的伸缩对极化率影响较大，而键角的变化影响则较小。 计算结果 （1）H2O 偶极矩Tot=2.1261 振动模式
实验一 DHVTC振动测试与控制学生实验系统的 组成与使用方法 一、实验目的 1、了解振动测试与控制实验系统的组成、安装和调整方法。 2、学会激振器、传感器与数采分析仪的操作、使用方法。 图1-1 二、DHVTC振动测试与控制学生实验系统的组成 图1-1 DHVTC振动测试与控制学生实验系统示意图 （1）底座（2）支座（3）二（三）自由度系统（4）薄壁圆板（5）非接触式激振器（6）接触式激振器（7）力传感器（8）偏心电机（9）磁电式速度传感器（10）被动隔振系统（11）简支梁（12）主动隔振系统（13）单/复式动力吸振器（14）压电式加速度传感器（15）电涡流位移传感器（16）磁性表座（17）单自由度系统 如图1-1所示，实验系统由“振动与控制实验台”、激振测振系统与动态分析仪组成。 1、振动与控制实验台 振动测试与控制实验台由弹性体系统（包括简支梁、悬臂梁、薄壁圆板、单自由度系统、二自由度系统、多自由度系统模型）配以主动隔振、被动隔振用的空气阻尼减震器、单式动
力吸振器、复式动力吸振器等组成。可完成振动与振动控制等20多个实验的试验平台。 2、激振系统与测振系统 （1） 激振系统 激振系统包括： DH1301正弦扫频信号源 JZ-1型接触式激振器 JZF-1型非接触式激振器 偏心电动机、调压器 力锤（包括测力传感器） （2） 测振系统 动态采集分析仪 MT-3T型磁电式振动速度传感器 DH130压电式加速度传感器 WD302电涡流位移传感器 测力传感器 （3） 动态采集分析系统 信号调理器 数据采集仪 计算机系统（或笔记本电脑） 控制与基本分析软件 模态分析软件 三、DHVTC-59型仪器的使用方法 1、激振系统的使用方法 DH1301型正弦扫频信号源 DH1301型正弦扫频信号源是配有功率放大后的正弦激振信号源，可推动JZ-1型接触式激振器或JZF-1型非接触式激振器。 A、技术指标：频率范围0.1~9999.99Hz 谐波失真<1% 最大输出功率5w 输出电流0~500 m A 功耗20w
机械振动平台 设计性实验讲义（草） 编写：封玲 物理教学实验中心 2011.3.
机械振动平台系列设计实验 振动是声学、地震学、建筑力学、机械原理、造船等所必需的基础知识，也是光学、电学、交流电工学、无线电技术以及原子物理学所不可缺少的基础，这是因为除机械振动外，自然界中还存在很多类似于机械振动的现象。在不同的振动现象中最基本最简单的振动是简谐振动,一切复杂的振动都可以分解为一系列不同频率的简谐振动组合而成，这样的分解在数学上的依据是傅立叶级数或傅立叶积分的理论。让我们从研究最基础的简谐振动开始进行振动的研究吧。 平台仪器 转动传感器（CI-6538）：它的核心是一个光学编码器，每转（360°）最多可采集1440个数据点。通过数据采集与处理软件可以设置每转采集数据点的个数，有360个数据点和1440个数据点（即分辨率为1°或360°）两种设置，旋转的方向同样可被感知。转动传感器最常用于测量物体的转动角度与转动位置。 光电门（ME-94F98A ）：光电门也称为光电开关，利用狭窄的红外光束和快速的下降时间为计时提供精确的信号。当光门的光被挡住时，与光门相连的数字通道为0电压状态；光门透光时，与光门相连的数字通道为5V 电压状态。光门传感器相当于一个数字毫秒计，它通过测量固定挡光宽度（S ）和挡光时间(t)，从而可以得到该物体经过光门时的运动速度 (t S v / )。 机械振荡驱动器（ME-8750）：用于驱动低频（0.3-3 Hz ）、高转矩、正弦振荡设备，它由DC 电机、位移驱动臂、装配支架组成。驱动臂通过拉动细线，带动振荡设备进行正弦振荡。 功率放大器 II （CI-6552A ）：是PASCO 计算机接口的附件。它放大从电脑输出的信 号，可以作为一个可控的DC 电源或AC 函数发生器。在DA TA STUDIO 软件控制下，可以生成正弦波sine 、方波square 、三角波triangle 和锯齿波sawtooth 。这意味着电脑现在可被用作DC 或AC 信号发生器给外电路供电。 直流电源（GPS —1850D ）：18V/5A 。 受迫振动组合仪：该仪器是上述各仪器散件的组装，专用以测量研究受迫振动和受迫阻尼振动的运动规律。组装仪器主要包括：转动传感器（CI-6538）2个、金属圆盘1个、阻尼磁铁1个、弹簧2个、机械振荡驱动器（ME-8750）1个、A 型大支架1个等。
应变片单臂、半桥、全桥性能比较实验 应变片基本原理： 电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。一种利用电阻材料的应变效应将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器。此类传感器主要是通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变片将弹性元件的变形转换成电阻的变化，再通过测量电路将电阻的变化转换成电压或电流变化信号输出。它可用于能转化成变形的各种非电物理量的检测，如力、压力、加速度、力矩、重量等，在机械加工、计量、建筑测量等行业应用十分广泛。 所谓电阻应变效应是指具有规则外形的金属导体或半导体材料在外力作用下产生应变而其电阻值也会产生相应地改变，这一物理现象称为“电阻应变效应 (a) 丝式应变片 (b) 箔式应变片 应变片结构图 （a）单臂（b）半桥（c）全桥 应变片测量电路 在差动放大器增益相同的情况下：半桥电压表读数是单臂的两倍，全桥电压表读数是单臂的四倍。因此在整个实验过程中都要保持放大器增益不变。 单臂：在应变片测量原理图中R1、R2、R3为固定电阻，RX为金属箔式应变片。半桥：在应变片测量原理图中R1、R2、为固定电阻，R3、RX为金属箔式应变片。R3与RX符号相反。 全桥：在应变片测量原理图中R1、R2、R3、RX全为金属箔式应变片。全桥实验时图中四个电阻均为金属箔式应变片，接线时两相邻的应变片的位置符号相反，对应位置的应变片符号相同。
应变片测量原理图 实验步骤： 一、调零： 1、按图接线 差动放大器调零接线示意图 2、增益电位器RW3顺时针轾轻转到底再逆时针回调1圈，再调RW4使电压表在200mv时显示为零。 二、单臂实验： 1、按图接线后用RW1调零。
机械振动实验报告
《机械振动基础》实验报告（2015年春季学期）
专业机械设计制造及其自动化报告提交日期2015.05.07 哈尔滨工业大学
报告要求 1. 实验报告统一用该模板撰写，必须包含以下内容： (1) 实验名称 (2) 实验器材 (3) 实验原理 (4) 实验过程 (5) 实验结果及分析 (6) 认识体会、意见与建议等 2. 正文格式：四号字体，行距为1.25倍行距； 3. 用A4纸单面打印；左侧装订； 4. 报告需同时提交打印稿和电子文档进行存档，电子文档由班长收 齐，统 一发送至：Iiuyingxiang868@hit .edu .cn 5. 此页不得删除。 评语: 实验一报告正文 实验名称：机械振动的压电传感器测量及分析 教师签名: 年
二、实验器材 1、机械振动综台实验装置（压电悬臂梁）一套 2、激振器一套 3、加速度传感器一只 4、电荷放大器一台 5、信号发生器一台 6、示波器一台 7、电脑一台 & NI9215数据采集测试软件一套 9、NI9215数据采集卡一套 三、实验原理 信号发生器发出简谐振动信号，经过功率放大器放大，将简谐激励信号施加到电磁激振器上，电磁激振器振动杆以简谐振动激励安装在激振器上的压电悬臂梁。压电悬臂梁弯曲产生电流显示在示波器上，可以观测悬臂梁的振动情况；另一方面，加速度传感器安装在电磁激振器振动杆上，将加速度传感器与电荷放大器连接，将电荷放大器与数据采集系统连接，并将数据采集系统连接到计算机（PC机）上，操作NI9215数据采集测试软件，得到机械系统的振动响应变化曲线，可以观测电磁激振器的振动信号，并与信号发生器的激励信号作对比。实验中的YD64-310型压电式加速度计测得的加速度信号由DHF-2型电荷放大器后转变为一个电压信号。电荷放大器的内部等效电路如图1所示。
一、振动台试验方案 1试验方案 1.1工程概况 本工程塔楼结构体系为“三维巨型空间框架－钢筋混凝土核心筒”结构体系，主要由4个核心筒、钢骨混凝土（SRC）外框架、3个避难层联系桁架三部分构成，图1-2、图1-3分别是B塔结构体系构成示意图和建筑效果图。特别指出的是本工程在14、24楼层的联系桁架的腹杆以及32、48楼层的斜撑为防屈曲支撑（UBB）构件。设计指标为小震不屈服，大震屈服耗能。具体位置示意见图1-4。 本工程的自振周期约为 6.44秒，超过了《建筑抗震设计规范》(GB-50011-2001)设计反应谱长为6秒的规定。本工程存在5个一般不规则和2个特别不规则类型，5个一般不规则类型分别是扭转不规则、凹凸不规则、刚度突变、构件间断和承载力突变。2个特别不规则是高位转换和复杂连接。 1.2 模拟方案 1、模拟方案选择 动力试验用的结构模型必须根据相似律进行设计，模型动力相似律的建立以结构运动方程为基础，选择若干主要控制参数作为模拟控制的对象，依据Buckingham的π定理，经无量纲分析导出控制参数的无量纲积，据此确定各控制参数的相似比率。 结构动力试验的相似模型大致分为四种： （1）弹塑性模型理论上可以重现结构反应的时间过程，使模型和原型的应力分布一致，并可模拟结构的破坏。由于要严格考虑重力加速度对应力反应的影响，必须满足S a=S g=1（S a=模型加速度/原型加速度，S g为重力加速度相似系数，各相似系数之间的关系见表1），即模型加速度反应与原型加速度反应一致，这一要求大大限制模型材料的选择。因为在缩尺模型中，几何比（S l）很小，在Sa=Sg=1的条件下，要满足Sa=S E/S l Sρ=1，即S l=S E/Sρ，必须使模型材料的弹模
一、振动测试系统 1.主要功能 DASP V10振动测试系统包括信号采集和实时分析软硬件。DASP V10 是一套运行在Windows95/98/Me/NT/2000/Xp平台上的多通道信号采集和实时分析软件，通过和东方所的不同硬件配合使用，即可构成一个可进行多种动静态试验的试验室。DASP V10 软件既具有多类型视窗的多模块功能高度集成特性，具有操作便捷的特点。基于东方所在各种工程应用领域的长期经验，DASP-V10对各种功能模块重新进行整合，成为一套功能更加全面、操作更加便捷、界面更加美观、性能继续保持领先的动静态信号测试分析系统。DASP V10 软件的每一个模块中均包含了非常多的功能，各种功能可交错使用，在测试和分析的功能和性能上突破了以往信号分析仪的种种限制，与INV系列采集仪配合形成的系统的各项指标均可达到或超过国家高级仪器的标准。DASP V10 软件的所有测试分析结果都可以多种方式输出，包括图形的复制、存盘、打印，数据导出为TXT、CSV、Excel电子表格和Access数据库格式，并可轻松输出图文并茂的Word格式或者Html格式的分析报告。基于DASP V10 的平台上，还可以运行专业模态和动力学分析系统、虚拟仪器库、信号发生器以及针对声学、旋转机械、路桥土木、计量检定等行业的多种软件系统，满足各方面各层次的测试和分析需求。
3.隶属 （1）实验室：水机测控实验室（B01-205/207） （2）负责人：魏德华 二、ANSYS/CFD流体分析软件 1.主要功能 FLUENT、CFX是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，国际市场占有率达70%。凡跟流体、热传递及化学反应等有关的领域均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气、涡轮机设计等方面都有着广泛应用，包括管路、渠道、流体机械、燃烧、环境分析、油气消散/聚积、喷射控制、多相流等方面的流动计算分析。 2.主要设备 3.隶属 （1）实验室：水机测控实验室（B01-205/207） （2）负责人：石祥钟
2016年《振动测试实验》综合练习题 1、关于振动传感器，请回答以下问题： 1）振动传感器主要有那些类型？哪种传感器目前使用最广泛？ 答：①振动传感器按所测机械量分为位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、应变传感器、扭振传感器、扭矩传感器。 ②目前使用最广泛的是加速度传感器。 2）加速度传感器安装方式有哪些？对于飞机空中振动环境测试，你认为哪几种安装方式较合适？ 答：①加速度传感器安装方式：刚螺栓连接、胶合螺栓、石蜡粘接、双面胶、永久磁铁。 ②对于飞机空中振动环境测试，用刚螺栓连接、胶合螺栓较合适。 3）加速度传感器和力传感器的主要技术指标？ 答：（1）灵敏度：电信号输出与被测运动输入之比。加速度传感器的灵敏度通常为V/g或PC/ms-2、V/ms-2。力传感器的灵敏度通常为V/N。（2）频率响应特性（包括幅频特性和相频特性）。（3）动态范围：可测量的最大振动量与最小振动量之比。下限取决于连接电缆和测量电路的电噪声，上限取决于传感器的结构强度。（4）横向灵敏度：垂直于主轴的横向振动也会使传感器产山输出信号。该信号与主轴灵敏度的百分比为横向灵敏度。（5）幅值线性度：实际传感器的输出信号只在一定幅值范围内与被测振动成正比（即保持线性特性）。在规定线性度内可测幅值范围称为线性范围。 4）一般振动数据采集设备最大输入电压为10伏。测量一结构加速度响应，加速度最大值预估约为20g，现有加速度传感器甲（灵敏度：50mv/g）、乙（灵敏度：500mv/g）各一只，选用哪一个传感器？请说明理由。 答：灵敏度等于输入电压除以加速度为10V/20g = 500 mv/g，所以选择乙传感器。 2、关于激振器，请回答以下问题： 1）常用的激振器安装方式有哪两种？两种安装方式的分别有何技术要求？ 答：①常用的激振器安装方式：刚性支承、柔性悬挂。 ②刚性支承安装要求：垂直向、横向、纵向支承刚度足够大。 支承系统（激振器+支架）的最低阶固有频率＞试验件最高阶固有频率。 柔性悬挂安装要求：垂直向、横向、纵向支承刚度足够小。
应变片单臂半桥全桥性 能比较实验 Pleasure Group Office【T985AB-B866SYT-B182C-BS682T-STT18】
应变片单臂、半桥、全桥性能比较实验应变片基本原理： 电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。一种利用电阻材料的应变效应将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器。此类传感器主要是通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变片将弹性元件的变形转换成电阻的变化，再通过测量电路将电阻的变化转换成电压或电流变化信号输出。它可用于能转化成变形的各种非电物理量的检测，如力、压力、加速度、力矩、重量等，在机械加工、计量、建筑测量等行业应用十分广泛。 所谓电阻应变效应是指具有规则外形的金属导体或半导体材料在外力作用下产生应变而其电阻值也会产生相应地改变，这一物理现象称为“电阻应变效应 (a) 丝式应变片 (b) 箔式应变片 应变片结构图 （a）单臂（b）半桥（c）全桥 应变片测量电路 在差动放大器增益相同的情况下：半桥电压表读数是单臂的两倍，全桥电压表读数是单臂的四倍。因此在整个实验过程中都要保持放大器增益不变。 单臂：在应变片测量原理图中R1、R2、R3为固定电阻，RX为金属箔式应变片。 半桥：在应变片测量原理图中R1、R2、为固定电阻，R3、RX为金属箔式应变片。R3与RX符号相反。
全桥：在应变片测量原理图中R1、R2、R3、RX全为金属箔式应变片。全桥实验时图中四个电阻均为金属箔式应变片，接线时两相邻的应变片的位置符号相反，对应位置的应变片符号相同。 应变片测量原理图 实验步骤： 一、调零： 1、按图接线 差动放大器调零接线示意图 2、增益电位器RW3顺时针轾轻转到底再逆时针回调1圈，再调RW4使电压表在 200mv时显示为零。 二、单臂实验： 1、按图接线后用RW1调零。 2、把10个20克的法码放到托盘上调增益RW3使电压表显示为50mv。 3、把法码全取下再依放上读取数据填于表中。 4、关闭电源，取下法码。 应变片单臂电桥性能实验数据 应变片单臂电桥实验接线示意图 三、半桥实验： 1、按图接线。 应变片半桥实验接线示意图 2、用RW1调零(增益RW3和放大器调零RW4保持在单臂实验壮态不变) 。
转子实验报告测量和分析参数: 通道数: 4 ; 采样频率: 2048Hz ; dt: 0.488281ms 数字跟踪滤波设置：不滤波 通道参数 表1: 通道参数 结果图形:
转子实验报告测量和分析参数: 通道数: 4 ; 采样频率: 2048Hz ; dt: 0.488281ms 数字跟踪滤波设置：不滤波 通道参数 表1: 通道参数 结果图形:
转子实验报告测量和分析参数: 通道数: 4 ; 采样频率: 2048Hz ; dt: 0.488281ms 数字跟踪滤波设置：不滤波 通道参数 表1: 通道参数 结果图形:
小结 本次实验为DASP（柔性转子实验），实验的目的是为了：①了解轴系挠度曲线与转 子转速变化关系；②观察转子在临界速度时的振动现象，振动幅值的变化情况；③测出临界 转速下柔性转子的一阶振型。 本次实验的变量为柔性转子不同转数500r/min、1000r/min、1500r/min，其余为不 变量。通过实验所生成的图表，可以直观明了的看到，随着转数的增加，柔性转子的轴心轨 迹由橄榄形（500r/min）→蝌蚪形（1000r/min）→包子形（1500r/min）。而其水平、垂直 位移的波形曲线也变的紧促、光滑和圆润。 通过本次实验，可以为摩托车发动机轴系结构的振动问题的研究，提供一定事实依据。也为我们研究此类问题做了一个很好的铺垫。 本次实验的实验仪器和设备为重庆科技学院提供，来源于东方振动和噪声技术研究所INV1612型（多功能柔性转子实验系统）。 小结 本次实验为单通道频谱分析，实验的目的是为了研究不同频率段的简支梁的振动情况。同时，测出此简支梁的共振点。 本次实验的变量为不同频率40Hz、45Hz、50Hz，其余为不变量。实验中，主要测得 了在不同频率的振动下的加速度、速度、位移，从而直观的反应出不同频率下的振动的能量 的大小。从实验的图形结果分析，可知在不同频段下的振幅表现为正态分布的特点。在梁的 共振频率段的振幅表现的最为强烈，而在低于或高于共振频率段的振动能量呈现出衰减的事态。 通过本次实验，可以为摩托车车架结构的振动问题的研究，提供一定事实依据。也为 我们研究此类问题做了一个很好的铺垫。 本次实验的实验仪器和设备为重庆科技学院提供，来源于东方振动和噪声技术研究所INV1601型（振动与控制教学实验系统）。
实验一 应变传感器的性能研究 一、实验类型：验证性实验。 二、实验目的 1. 观察了解箔式应变片的结构及粘贴方式； 2. 测试应变梁变形的应变输出； 3. 验证单臂、半桥、全桥测量电桥的输出关系，比较不同桥路的功能。 三、实验内容 1. 设计并实现应变传感器的测试桥路； 2. 测量单臂、半桥、全桥测量电桥的输出，记录数据、绘制关系曲线，并分析。 四、实验原理 1. 本实验说明箔式应变片及单臂直流电桥的原理和工作情况。 应变片是最常用的测力传感元件。当用应变片测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面，当测件受力发生形变，应变片的敏感栅随同变形，其电阻值也随之发生相应的变化。通过测量电路，转换成电信号输出显示。 电桥电路是最常用的非电量电测电路中的一种，当电桥平衡时，桥路对臂电阻乘积相等，电桥输出为零，在桥臂四个电阻R1、R2、R3、R4中，电阻的相对变化率分别为ΔR1/R1、ΔR2/R2、ΔR3/ R3、ΔR4/R4，当使用一个应变片时，∑?= R R R ；当二个应变片组成差动状态工作，则有 2R R R ?= ∑；用四个应变片组成二个差动对工作，且R1= R2 = R3 = R4 = R ，4R R R ?= ∑。 由此可知，单臂，半桥，全桥电路的灵敏度依次增大。 2. 已知单臂、半桥和全桥的 R ∑分别为ΔR/R 、2ΔR/R 、4ΔR/ R 。根据戴维南定理可以 得出测试电桥的输出电压近似等于1/4E R ??∑，电桥灵敏度//Ku V R R =?，于是对应 于单臂、半桥和全桥的电压灵敏度分别为1/4E 、1/2E 和E 。由此可知，当E 和电阻相对变化一定时，电桥及电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。 五、实验要求 1. 熟悉CSY 系统传感器实验系统； 2. 能自行设计实现应变式传感器的测量桥路； 3. 掌握应变式传感器的各种测量电路的性能。 六、实验仪器设备 主机箱中的±2V~±10V(步进可调)直流稳压电源、±15V 直流稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码。
振动试验系统现状与发展 振动试验的目的在于确定所设计、制造的机器、构件在运输和使用过程中承受外来振动或者自身产生的振动而不至破坏，并发挥其性能、达到预定寿命的可靠性。随着对产品，尤其是航空航天产品可靠性要求的提高，作为可靠性试验关键设备的振动试验系统的发展显得越来越重要。 60年代，702所为满足航天产品振动试验的需要，开始了振动试验系统的研制，包括推力10N至100kN的振动台及各种振动测量仪表和传感器。目前，702所的振动试验设备不仅在航天领域而且在其他行业发挥着作用，成为该所的一项重要民品。用于振动试验的振动台系统从其激振方式上可分为三类：机械式振动台、电液式振动台和电动式振动台。从振动台的激振方向，即工作台面的运动轨迹来分，可分为单向(单自由度)和多向(多自由度)振动台系统。从振动台的功能来分，可分为单一的正弦振动试验台和可完成正弦、随机、正弦加随机等振动试验和冲击试验的振动台系统。以下笔者对各种振动台，主要对电动振动台，及其辅助设备的结构、性能和成本的现状及发展等进行简单的论述。 1.机械式振动台 机械式振动台可分为不平衡重块式和凸轮式两类。不平衡重块式是以不平衡重块旋转时产生的离心力来激振振动台台面，激振力与不平衡力矩和转速的平方成正比。这种振动台可以产生正弦振动，其结构简单，成本低，但只能在约 5Hz～100Hz的频率范围工作，最大位移为 6mm峰-峰值，最大加速度约10g，不能进行随机振动。 凸轮式振动台运动部分的位移取决于凸轮的偏心量和曲轴的臂长，激振力随运动部分的质量而变化。这种振动台在低频域内，激振力大时，可以实现很大的位移，如100mm。但这种振动台工作频率仅限于低频，上限频率为20Hz左右。最大加速度为3g左右，加速度波形失真很大。 机械式振动台由于其性能的局限，今后用量会越来越小。 2.电液式振动台 电液式振动台的工作方式是用小的电动振动台驱动可控制的伺服阀，通过油压使传动装置产生振动。这种振动台能产生很大的激振力和位移，如激振力可高达104kN，位移可达2. 5m，而且在很低的频率下可得到很大的激振力。大激振力的液压台比相同推力的电动式振动台价格便宜。电液台的局限性在于其高频性能较差，上限工作频率低，波形失真较大。虽然可以做随机振动，但随机振动激振力的rms额定值只能为正弦额定值的1/3以下。这种振动台因其大推力、大位移可以弥补电动振动台的不足，在未来的振动试验中仍将发挥作用，尤其是在船舶和汽车行业会有一定市场。 3.电动式振动台
《EDA技术应用》大作 业 --全桥开关电源设计与测试 学院：信息与电子工程学院 班级：13应用电子技术2班 指导老师：严添明 姓名：王浩 学号：1305220147 日期：2015-01-10
目录 全桥电源开关电源的设计与测试 (1) 1.1作业内容 (1) 1.2芯片工作原理 (1) 1.2.1VIPER22A芯片管脚功能 (1) 1.2.2VIPER22A芯片内部构图 (1) 1.2.3TOP246Y芯片管脚功能 (2) 1.2.4TOP246Y芯片内部构图 (2) 1.2.5TL494芯片管脚功能 (3) 1.2.6TL494芯片内部构图 (4) 1.3电路工作原理 (5) 1.3.1高频开关电源的电磁兼容 (5) 1.3.2软开关技术 (5) 1.3.3功率因数校正技术（PFC） (5) 1.3.4低电压大电流技术 (5) 1.3.5整理滤波 (5) 1.3.6填谷式功率因数校正 (5) 1.3.7辅助电源模块设计 (6) 1.3.8PWM脉冲产生模块设计 (7) 1.3.9驱动模块设计 (8) 1.4原理图 (1) 1.5印制板 (3)
1.6元件清单 (3) 1.7调试过程 (5) 1.7.1前级辅助电源调试 (5) 1.7.2TL494 PWM产生调试 (5) 1.7.3死区电压比较电路 (6) 1.7.4输出控制电路 (7) 1.7.5驱动电路和功率变换调试 (8) 1.8总结 (10)
全桥电源开关电源的设计与测试 1.1作业内容 (1)使用DXP2004软件，画出TOP246Y PCB板及元件封装。 (2)熟悉掌握制作PCB板的流程，成功制作出TOP246Y PCB板。 (3)调试TOP246Y电路板。 (4)了解TOP246Y电路的工作原理。 1.2芯片工作原理 1.2.1VIPER22A芯片管脚功能 图1.1 VIPER22A芯片管脚图 1.2.2VIPER22A芯片内部构图 图1.2 VIPER22A 芯片内部构图
振动测试必须知道的27个基本常识 (2015-12-16 10:52:39) 转载▼ 标签： 杂谈 1、什么是振动 振动是机械系统中运动量（位移，速度和加速度）的振荡现象。 2、振动实验的目的 振动试验的目的是模拟一连串振动现象，测试产品在寿命周期中，是否能承受运输或使用过程的振动环境的考验，也能确定产品设计和功能的要求标准。振动试验的精义在于确认产品的可靠性及提前将不良品在出厂前筛检出来，并评估其不良品的失效分析使其成为高水平，高可靠性的产品。 3、振动分几种 振动分确定性振动和随机振动两种。 4、什么是正弦振动 能用一项正弦函数表达式表达其运动规律的周期运动。例如凡是旋转、脉动、振荡（在船舶、飞机、车辆、空间飞行器上所出现的）所产生的振动均是正弦振动。 5、正弦振动的目的 正弦振动试验的目的是在试验室内模拟电工电子产品在运输、储存、使用过程中所遭受的振动及其影响，并考核其适应性。 6、正弦振动的试验条件 正弦振动试验的验条件（严酷等级）由振动频率范围、振动量、试验持续时间（次数）共同确定。 7、什么是振动频率范围 振动频率范围表示振动试验由某个频率点到某个频率点进行往复扫频。例如：试验频率范围5-50Hz，表示由5Hz到50Hz进行往复扫频。 8、什么是频率 频率：每秒振动的次数.单位：Hz。 9、什么是振动量
振动量:通常通过加速度、速度和位移来表示。加速度：表示速度对时间倒数的矢量。加速度单位:g或m/s2速度：在数值上等于单位时间内通过的路程位移：表示物体相对于某参考系位置变化的矢量。位移单位:mm 10、什么是试验持续时间 振动时间表示整个试验所需时间,次数表示整个试验所需扫频循环次数。 11、什么是扫频循环 扫频循环：在规定的频率范围内往返扫描一次：例如：5Hz→50Hz→5Hz,从5Hz 扫描到50Hz后再扫描到5Hz。 12、什么是重力加速度 重力加速度：物体在地球表面由于重力作用所产生的加速度。1gn=10m/s2（GB/T 2422-1995 电工电子产品环境试验术语） 13、扫描方式分几种 线性扫描：是线性的，即单位时间扫过多少赫兹，单位是Hz/s或Hz/min，这种扫描用于细找共振频率的试验。对数扫描：频率变化按对数变化，扫描率可以是oct/min ，对数扫描的意思是相同的时间扫过的频率倍频程数是相同的。 14、什么是扫描速度 扫描速度(sweep speed):指从最低频率扫描到最高频率的速度。有以下几种：1）oct/min:多少倍频程每分钟。例:1oct/min,5Hz到10Hz需1分钟,10Hz到20Hz需1分钟。2）min/sweep:多少分钟每次扫频。例:5-500Hz,扫描速度:1分钟/sweep,表示从5Hz到500Hz需1分钟。3）Hz/s:多少Hz每秒。例:5-10Hz,扫描速度:1Hz/s,表示5Hz到6Hz需1秒,6Hz到7Hz需1秒。 15、振动试验中有几个方向 除有关规范另有规定外，应在产品的三个互相垂直方向上进行振动试验。一般定义产品长边为X轴向，短边为Y轴向，产品正常摆放上下为Z轴向。 16、什么是交越频率 交越频率：在振动试验中由一种振动特性量变为另一种振动特性量的频率。如交越频率由等位移——频率关系变为等加速度——频率关系时的频率。 17、为什么要共振搜寻 一般待测物上有各种零组件，而每一个不同的零组件，皆有其不同的共振频率，同时会因形状、重量、固定方式不同而在振动发生时产生不同的共振频率及放大
实验一 金属箔式应变片 单臂、半桥、全桥性能比较实验 一、实验目的 比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性误差，得出相应的结论。 二、实验原理 电阻丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为 ε?=?k R R （1） 式中 R R ?为电阻丝电阻相对变化；k 为应变灵敏系数；l l ?=ε为电阻丝长度相对变化。 金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感组件。如图1所示，将四个金属箔式应变片分别贴在双孔悬臂梁式弹性体的上下两侧，弹性体受到压力发生形变，则应变片随弹性体形变被拉伸，或被压缩。 图1 应变式传感器安装示意图 三、主要实验设备 1．应变传感器实验模块 2．托盘 3．砝码
4．±15V 、±4V 电源 5．直流电压表 6. 万用表（自备） 四、实验内容 1．应变传感器上的各应变片已分别接到应变传感器模块左上方的R1、R2、R3、R4上，可用万用表测量判别，R1=R2=R3=R4=350Ω。通过这些应变片转换弹性体被测部位受力状态变化，电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，如图2所示R5=R6=R7=R 为固定电阻，与应变片一起构成一个单臂电桥，其输出电压 R R R R E U ?? +??= 211/4 0 （2） 其中，E 为电桥电源电压。 2．差动放大器调零。从主控台接入±15V 电源，检查无误后，合上主控台电源开关，将差动放大器的输入端Ui 短接并与地短接，输出端Uo 接数显电压表（选择2V 档）。将电位器调节放大倍数的Rw4调到适当位置（注意：不能置于逆时针最小位置！），调节电位器Rw3使电压表显示为0V 。关闭主控台电源（Rw3、Rw4的位置确定后不能改动）。 3．按图2连线，将应变式传感器的其中一个应变电阻（如R1）接入电桥与R5、R6、R7构成一个单臂直流电桥。 图2 单臂电桥面板接线图 4．加托盘后电桥调零。电桥输出接到差动放大器的输入端Ui ，检查接线无误后，合上
实验一DHVTC-5901振动测试与控制实验系统组成与使用方法 一、实验目的 1、了解振动测试与控制实验系统的组成、安装和调整方法。 2、学会激振器、传感器与动态分析仪的操作、使用方法。 二、DHVTC振动测试与控制实验系统的组成 图1－1DHVTC振动测试与控制学生实验系统示意图 （1）底座（2）支座（3）二（三）自由度系统（4）薄壁圆板（5）非接触式激振器（6）接触式激振器（7）力传感器（8）偏心电机（9）磁电式速度传感器（10）被动隔振系统（11）简支梁（12）主动隔振空气阻尼器（13）单/复式动力吸振器（14）压电式加速度传感器（15）电涡流位移传感器（16）磁力表座 如图1-1所示，实验系统由“振动与控制实验台”、激振测振系统与动态分析仪组成。 1、振动与控制实验台 振动测试与控制实验台由弹性体系统（包括简支梁、悬臂梁、薄壁圆板、单自由度系统、二自由度系统、多自由度系统模型）配以主动隔振、被动隔振及动力吸振用的空气阻尼减震
器、单式动力吸振器、复式动力吸振器等组成。是完成振动与振动控制等近30个实验的试验平台。 2、激振系统与测振系统 （1）激振系统 激振系统包括： DH1301正弦扫频信号源 JZ-1型接触式激振器 JZF-1型非接式触激振器 偏心电动机、调压器 力锤（包括测力传感器） （2）测振系统 动态采集分析仪 ZG-1型磁电式振动速度传感器 压电式加速度传感器 WD302电涡流位移传感器 测力传感器 （3）动态采集分析系统 信号调理器 数据采集仪 计算机系统（或笔记本电脑） 控制与基本分析软件 模态分析软件 三、DHVTC-59型仪器的使用方法 1、激振系统的使用方法 DH1301型正弦扫频信号源是配有功率放大器的正弦激振信号源，可推动JZ-1型接触式激振器或JZF-1型非接式触激振器。 A、技术指标：频率范围10-1000Hz 谐波失真〈1% 最大输出功率5ω 输出电流0~500 m A 功耗20ω
实验三应变片全桥性能实验 一、实验目的：了解应变片全桥工作特点及性能。掌握测量方法。 二、基本原理：应变片基本原理参阅实验一。应变片全桥特性实验原理如图3—1所示。应变片全桥测量电路中，将应力方向相同的两应变片接入电桥对边，相反的应变片接入电桥邻边。当应变片初始阻值：R1＝R2＝R3＝R4，其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输出电压Uo≈(△R／R)E＝KεE。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性得到改善。 图3—1应变片全桥性能实验接线示意图 三、需用器件和单元：主机箱中的±2V～±10V（步进可调）直流稳压电源、±15V直流稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码。 四、实验步骤： 将实验数据填入表3作出实验曲线并进行灵敏度和非线性误差计算。实验完毕，关闭电源 五、实验结果及分析 位移（mm）0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0 -2.5 -3.0 电压（mv）0 -0.03 -0.07 -0.10 -0.14 -0.17 -0.20 位移（mm）-3.5 -4.0 -4.5 -5.0 -5.5 电压（mv）-0.23 -0.27 -0.30 -0.34 -0.37 位移（mm）0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 电压（mv）0.01 0.05 0.09 0.13 0.18 0.23 0.27
位移（mm） 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 电压（mv）0.32 0.36 0.41 0.46 0.51 最小二乘法拟合如图所示 由此可知灵敏度为0.07935，经计算最大非线性误差为0.039mv，线性度为7.69%。 六、实验心得 实验中应变梁的自由端产生负位移后，重新回到位移原点时，其电压值并不为零，这体现了传感器的迟滞。迟滞误差在本次拟合中修正了。
实验2 应变片全桥性能实验 一、实验目的：了解应变片全桥工作特点及性能。 二、基本原理： 1. 应变片的基本原理：电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。一种利用电阻材料的应变效应将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器。此类传感器主要是通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变片将弹性元件的变形转换成电阻的变化，再通过测量电路将电阻的变化转换成电压或电流变化信号输出。它可用于能转化成变形的各种非电物理量的检测，如力、压力、加速度、力矩、重量等，在机械加工、计量、建筑测量等行业应用十分广泛。 2. 应变片的电阻应变效应：所谓电阻应变效应是指具有规则外形的金属导体或半导体材料在外力作用下产生应变而其电阻值也会产生相应地改变，这一物理现象称为“电阻应变效应”。以圆柱形导体为例：设其长为：L 、半径为r 、材料的电阻率为ρ时，根据电阻的定义式得： 2 ρρπ==g L L R A r ..................(1-1) 当导体因某种原因产生应变时，其长度L 、截面积A 和电阻率ρ的变化为dL 、dA 、dρ相应的电阻变化为dR 。对式（1—1）全微分得电阻变化率 dR/R 为： 2ρρ =-+dR dL dr d R L r ..................(1-2) 式中：dL/L 为导体的轴向应变量εL ; dr/r 为导体的横向应变量εr 。由材料力学知识可得： εL = - μεr ..................(1-3) 式中：μ为材料的泊松比，大多数金属材料的泊松比为0.3～0.5左右；负号表示两者的变化方向相反。将式（1-3）代入式（1-2）得：()12ρμερ =++dR d R ..............(1-4)，该式说明电阻应变效应主要取决于它的几何应变（几何效应）和本身特有的导电性能。 3. 半导体的应变灵敏度：主要取决于其压阻效应；dR/R<≈dρ?ρ。半导体材料之所以具有较大的电阻变化率，是因为它有远比金属导体显著得多的压阻效应。在半导体受力变形时会暂时改变晶体结构的对称性，因而改变了半导体的导电机理，使得它的电阻率发生变化，这种物理现象称之为半导体的压阻效应 。不同材质的半导体材料在不同受力条件下产生的压阻效应不同，可以是正（使电阻增大）的或负（使电阻减小）的压阻效应。也就是说，同
直流电桥原理 在进行金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能实验之前，我们有必要先来介绍一下直流电桥的相关知识。电桥电路有直流电桥和交流电桥两种。电桥电路的主要指标是桥路灵敏度、非线性和负载特性。下面具体讨论有关直流电路和与之相关的这几项指标。 一、 平衡条件 直流电桥的基本形式如图1-1所示。R 1， R 2，R 3 ， R 4 为电桥的桥臂电阻，R L 为其负载（可以是测量仪表内阻或其他负载）。 当R L ∞时，电桥的输出电压V 0应为 V 0=E( 4 33 211R R R R R R +-+) 当电桥平衡时，V0=0，由上式可得到R 1R 4=R 2R 3 或 4 3 21R R R R = （1-1） 图1-1 式（1-1）秤为电桥平衡条件。平衡电桥就是桥路中相邻两桥臂阻值之比应相等，桥路相邻两臂阻值之比相等方可使流过负载电阻的电流为零。 二、 平衡状态 1.单臂直流电桥 所谓单臂就是电桥中一桥臂为电阻式传感器，且其电阻变化为△R ，其它桥臂为阻值固定不变，这时电桥输出电压V 0≠0（此时仍视电桥为开路状态），则不平衡电桥输出电压V 0为
V 0= E R R R R R R R R R R ? ??? ??+???? ? ?+?+??? ? ?????? ??341211114113 (1-2) 设桥臂比n=1 2R R ，由于△R 1《R 1，分母中11 R R ?可忽略，输出电压便为 V"0= E R R R R R R R R ? ??? ??+???? ? ?+? ?? ? ?????? ??3412114113 这是理想情况，式（1-2）为实际输出电压，由此可求出电桥非线性误差。实际的非线性特性曲线与理想线性曲线的偏差秤为绝对非线性误差。则其相对线性误差r 为： r=''000V V V -= ???? ??+?+???? ???-1211111R R R R R R = ??? ? ??+?+???? ???-n R R R R 11111 （1-3） 由此可见，非线性误差与电阻相对变化11R R ?有关，当11R R ?较大时，就不可忽略误差了。 下面来看电桥电压灵敏度S V 。在式（1-2）中，忽略分母中11 R R ?项，并且考虑到起始平衡条件 4 3 21R R R R = ，从式（1-2）可以得到 V 0'≈1 12)1(R R n n E ?+ （1-4） 电桥灵敏度的定义为 S V = 1 10R R V ?≈11' 0R R V ? = E n n 2 )1(+ （1-5） 当n=1时，可求得S V 最大。也就是说，在电桥电压E 确定后，当R 1=R 2，R 3=R 4 时，电桥电压灵敏度最高。此时可分别将式（1-2）、（1-3）、（1-4）、（1-5）化简为
实验一机械振动基本参数测量 一、实验目的 1、掌握位移、速度和加速度传感器工作原理及其配套仪器的使用方法。 2、掌握电动式激振器的工作原理、使用方法和特点。 3、熟悉简谐振动各基本参数的测量及其相互关系。 二、实验内容 1、用位移传感器测量振动位移。 2、用压电加速度传感器测量振动加速度。 3、用电动式速度传感器测量振动速度。 三、实验系统框图 实验设备及接线如图所示 四、实验原理
在振动测量中，振动信号的位移、速度、加速度幅值可用位移传感器、速度传感器或加速度传感器来进行测量。 设振动位移、速度、加速度分别为 、 、 ，其幅值分别为 、 、 ，当 时，有 式中：ω—振动角频率, —初相角, 则位移、速度、加速度的幅值关系为 由上式可知，振动信号的位移、速度、加速度的幅值之间有确定的关系，根据这种关系，只要用位移、速度或加速度传感器测出其中一种物理量的幅值，在测
出振动频率后，就可计算出其它两个物理量的幅值，或者利用测试仪或动态信号分 析仪中的微分、积分功能来进行测量。 简谐振动位移幅值的测量有多种方法，如测幅尺、读数显微镜、CCD激光位移传感器、电涡流位移传感器、加速度和速度传感器等。下面介绍测幅尺和读数显 微镜的测量原理。 1、测幅尺。是在一小块白色金属片上，画上带有刻度的三角形制成。使用 时，将三角形按直角短边平行于振动方向粘帖在振动物体上，当振动频率较快时， 标尺上的三角形因视觉暂留效果看起来形成上下两个灰色三角形，其重叠部分是一 个白色三角形。振动幅值与测幅尺尺寸之间的关系为 其中 为振动信号的幅值， 和 分别为测幅尺的长直角边和短直角边的长度， 为两个直角三角形的交点到顶点的距离。测幅尺的使用有一定局限性，它不能用于 频率小于10Hz、振动幅值小于0.1mm的振动信号测量，且由于测幅尺尺寸的限制，最大测量位移为三角形短直角边长度的二分之一。 2、读数显微镜。有内读数和外读数两种，外读数最小可测位移为0.01mm，内读数最小可测位移为0.05mm。测量时，首先在振动物体上贴一反光线或细砂纸，并用灯照亮，当结构静止时，调整显微镜位置，以清晰的看到许多亮点，当结 构振动时，由于视觉的暂留效果，这些亮点就成为许多直线。直线的长度与被测位 移的幅值关系为