1、实验题目： 机械转子底座的振动测量和分析 实验报告姓名+学号： 冯云凌（2111601211） 、 实验时间： 2016 年 10 月 24 日 实验班级： 专硕二班 实验教师： 邹大鹏副教授 成绩评定：_ _教师签名：_ _机电学院 工程测试技术 实验室广东工业大学广东工业大学实验报告一、预习报告：（进入实验室之前完成）1. 实验目的与要求: 实验目的：1掌握磁电式速度传感器的工作原理、特点和应用。2掌握振动的测量和数据分析。实验要求：先利用光电式转速传感器测量出电机的转速；然后利用磁电式速度传感器测量机械转子底座在该电机转速下的振动速度；对测量出的振动速度信号进行频谱分析；找出振动信号的主
2、频与电机转速之间的关系。2. 初定设计方案: 先利用光电式转速传感器测量出电机的转速；然后利用磁电式速度传感器测量机械转子底座在该电机转速下的振动速度；利用获得的数据，使用MATLAB对测量出的振动速度信号进行频谱分析；找出振动信号的主频与电机转速之间的关系。3. 实验室提供的仪器设备、元器件和材料本次实验的主要仪器设备有：机械转子系统，光电式转速传感器，磁电式速度传感器，USB 数据采集卡，计算机等。磁电式速度传感器简介：OD9200 系列振动速度传感器，可用于对轴承座、机壳或结构相对于自由空间的绝对振动测量。其输出电压与振动速度成正比，故又称速度式振动传感器。其输出可以是速度值的大小，也可
3、以是把速度量经过积分转换成位移量信号输出。这种测量可对旋转或往复式机构的综合工况进行评价。OD9200 系列速度振动传感器属于惯性式传感器。是利用磁电感应原理把振动信号变换成电信号。它主要由磁路系统、惯性质量、弹簧阻尼等部分组成。在传感器壳体中刚性地固定有磁铁，惯性质量（线圈组件）用弹簧元件悬挂于壳体上。工作时，将传感器安装在机器上，在机器振动时，在传感器工作频率范围内，线圈与磁铁相对运动、切割磁力线，在线圈内产生感应电压，该电压值正比于振动速度值。与二次仪表相配接（如 OD9000 振动系列仪表），即可显示振动速度或振动位移量的大小。也可以输送到其它二次仪表或交流电压表进行测量。二、实验后确
4、定的实验报告1. 实验时确定的设计方案: 先利用光电式转速传感器测量出电机的转速；然后利用磁电式速度传感器测量机械转子底座在该电机转速下的振动速度；利用获得的数据，使用MATLAB对测量出的振动速度信号进行频谱分析；找出振动信号的主频与电机转速之间的关系。2. 实验步骤、实验结果和数据: 1启动实验程序“机械转子系统的振动测量.exe”; 输入个人信息，也可以启动之后通过单击“修改”按钮修改个人信息。2单击“采样设置”按钮，输入采集卡连接磁电速度传感器的采样通道号，默认为7，批量采样频率（建议设为1KHz）、批量采样点数（建议设为1000）。3打开转子电机的电源，单击“单点采样”。4旋转调节旋
5、钮改变转子的转速,观察图形区显示的磁电速度传感器采集到的转子底座振动信号；如果振动信号比较小，可适当提高转子的转速。5转子转速的测量：(1) 单击“采样设置”按钮，输入采集卡连接光电转速传感器的采样通道号(默认为3)、批量采样频率（建议值为10KHz）、批量采样点数（建议值为10000）。(2) 单击“批量采样”按钮，开始采样；采样完成之后，采集到的波形信号会显示在图形窗口，系统会自动计算出转子的速度并显示出来。记录下此时的转子的转速（单位：r/s）。(3) 再重复步骤(2)测量2 次。以三次测量的平均值作为此时转子的转速。6振动信号的测量和频谱分析：(1) 单击“采样设置”按钮，输入采集卡连
6、接磁电速度传感器的采样通道号(默认为7)、批量采样频率（建议设为1KHz）、批量采样点数（建议设为1000）。(2) 单击“批量采样”按钮，开始采样；采样完成之后，采集到的波形信号会显示在图形窗口。如果信号不正常，重复点击“批量采样”按钮。(3) 单击“保存”按钮，将采集到的光电传感器的信号数据保存为文本文件。文件必须保存到“C:ExperiData”目录下。可单击“保存设置”更改文件名。(4) 打开刚保存的文本文件，文件前面几行保存了个人信息、采样频率、采样通道、保存的数据个数等信息。文件中共有四列数据，第一列为数据的序号，第二列为光电传感器检测到的信号数据。(5) 将文本文件另存为No1.
7、txt，删除文本文件“No1.txt” 开头包含有汉字的前7 行（有5 行汉字，2 个空格行）。删掉文件前面几行汉字是为了将数据导入matlab。(6) 启动 matlab，将“C:ExperiData”目录设为matlab 的当前工作目录。(7) 在 matlab 的命令窗口中输入experi7 并回车，matlab 会运行当前目录下experi7.m 文件完成振动信号的频谱分析。绘出信号的时域波形、功率谱图，并计算出信号的主频。(8) 截屏保存图形。7对比转子的转速(r/s)与测得的振动信号的主频。8改变（建议增大）转子的转速，重复步骤5 和步骤6，观察振动信号的主频是否会随着转子转速的变
8、化而变化。保存数据时注意更改文件名，不要覆盖掉前面的数据文件。9将保存的数据文本文件和experi7.m 文件拷贝回去，用于实验报告的撰写和实验数据的进一步处理分析；仔细阅读experi7.m，在看懂了experi7.m 文件基础上进行修改，对振动信号进行其它的分析处理，如滤波、幅值谱、自相关函数、自功率谱等（课后完成）。(3) 单击“保存”按钮，将采集到的光电传感器的信号数据保存为文本文件。文件必须保存到“C:ExperiData”目录下。可单击“保存设置”更改文件名。(4) 打开刚保存的文本文件，文件前面几行保存了个人信息、采样频率、采样通道、保存的数据个数等信息。文件中共有四列数据，第一
9、列为数据的序号，第二列为光电传感器检测到的信号数据。(5) 将文本文件另存为 No1.txt，删除文本文件“No1.txt” 开头包含有汉字的前 7 行（有 5 行汉字，2 个空格行） 。删掉文件前面几行汉字是为了将数据导入 matlab。(6) 启动 matlab，将“C:ExperiData”目录设为 matlab 的当前工作目录。(7) 在 matlab 的命令窗口中输入 experi7 并回车，matlab 会运行当前目录下experi7.m 文件完成振动信号的频谱分析。绘出信号的时域波形、功率谱图，并计算出信号的主频。(8) 截屏保存图形。7对比转子的转速(r/s)与测得的振动信号的
10、主频。8改变（建议增大）转子的转速，重复步骤 5 和步骤 6，观察振动信号的主频是否会随着转子转速的变化而变化。保存数据时注意更改文件名，不要覆盖掉前面的数据文件。9将保存的数据文本文件和 experi7.m 文件拷贝回去，用于实验报告的撰写和实验数据的进一步处理分析；仔细阅读 experi7.m，在看懂了 experi7.m 文件基础上进行修改，对振动信号进行其它的分析处理，如滤波、幅值谱、自相关函数、自功率谱等（课后完成） 。10.数据处理和图像分析（1）转子转速为 12.3r/s 时，波形图、功率谱图和频域图。波形图、功率谱图和频域图 1（2）转子转速为 16.2r/s 时，波形图、功率
11、谱图和频域图。波形图、功率谱图和频域图 2（3）转子转速为 20.7r/s 时，波形图、功率谱图和频域图。波形图、功率谱图和频域图 3（4）转子转速为 27.2r/s 时，波形图、功率谱图和频域图。波形图、功率谱图和频域图 4（5）转子转速为 32.6r/s 时，波形图、功率谱图和频域图。波形图、功率谱图和频域图 53.结论（含结果分析）: （1）由时域波形可以看出，随着电机转速的增大，振动频率越来越大；（2）由功率谱图可以看出，随着电机转速的增大，振动信号主频快速增大；（3）由频域图可以看出，振动的最大幅值、相位变化，随着电机转速的增大，基本保持不变。3. 问题与讨论: 要求:必须提出 2
12、个以上与本次实验有关的问题进行讨论。（1）简述利用磁电速度传感器测量转子实验台底座振动的原理。OD9200 系列速度振动传感器属于惯性式传感器。是利用磁电感应原理把振动信号变换成电信号。它主要由磁路系统、惯性质量、弹簧阻尼等部分组成。在传感器壳体中刚性地固定有磁铁，惯性质量（线圈组件）用弹簧元件悬挂于壳体上。工作时，将传感器安装在机器上，在机器振动时，在传感器工作频率范围内，线圈与磁铁相对运动、切割磁力线，在线圈内产生感应电压，该电压值正比于振动速度值。（2）常用的振动信号测量方式有那些？（1）机械式测量方法：主要用杠杆放大原理或惯性原理加上杠杆放大原理。 （2）电测法：将振动参量（位移、速度
13、、加速度）转换成电信号，经电子系统放大后进行测量记录的方法。 （3）光测法：把振动参量转换成光信号，经光学系统放大后，加以测量和记录。 直接为震动试验提供振动源的设备是激振设备，包括：振动台和激振器两类；有机械式、电动式、电动液压式、压电式。实验题目： 测试装置动态特性的测量实验报告姓名+学号： 冯云凌（2111601211） 、 实验时间： 2016 年 10 月 17 日 实验班级： 专硕二班 实验教师： 邹大鹏副教授 成绩评定：_ _教师签名：_ _机电学院 工程测试技术 实验室广东工业大学广东工业大学实验报告一、预习报告：（进入实验室之前完成）1.实验目的与要求:目的： 1） 了解差动
14、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2.初定设计方案: 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 。实验时确定的设计方案: 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，位移传感器采集到系统的输出并传输给计算机，生成阶跃响应曲线。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
15、 d d=2/T d（2）求阻尼比 利用任意两个超调量 M 和 M 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= 22n4(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，根据公式可求出系统的固有频率 n d = 21(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。K = xmg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弹簧刚度 K 之后，就可以根据公式得出振子组件的质量 mz。
16、mz = 2nK3. 实验室提供的仪器设备、元器件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。弹簧振子实验台的原理如图 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。二、实验后确定的实验报告1.实验时确定的设计方案: 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 。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，位移传感器采集到系统的输
17、出并传输给计算机，生成阶跃响应曲线。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 d=2/T d（2）求阻尼比 利用任意两个超调量 M 和 M 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= 22n4(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，根据公式可求出系统的固有频率 n d = 21(5)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。K = xmg式中，m 为 U 型质量块的质量，x
18、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弹簧刚度 K 之后，就可以根据公式得出振子组件的质量 mz。mz = 2nK2.实验步骤、实验结果和数据: 1)实验步骤：1. 差动变压器传感器的标定(1) 启动实验软件“测试装置动态特性测试.exe”。(2) 用鼠标单击屏幕上“采集”框内“采样设置”按钮，进行实验软件的参数设置，如采样频率和所选用的数据采集仪的采用通道、传感器的灵敏度等。由于传感器的灵敏度S 未知，先将其设为1 V/mm。(3) 单击“采集”框内的“开始采样”按钮，启动数据采集，传感器输出的电压信号被实时采集到计算机里并以数字和曲线的形式显示在屏
19、幕上。此时，由于S=1,则“位移”框内显示的也是电压值。(4) 利用振子位置调节器，调整振子的平衡位置，使传感器的输出为零。(5) 转动振子位置调节器或用手拉，使振子组件偏离平衡位置，传感器的输出电压也会随之变化；利用安装在台架立柱内侧的钢尺，记录振子组件在不同位置Y 时，传感器的输出电压。建议每变化10mm,记录一次电压。表1位移Y电压U（6）利用表1 中的数据，计算出传感器的灵敏度S。完成差动变压器位移传感器的标定，得到传感器的灵敏度S(V/mm)。先求每一点的灵敏度 SiSi = iiUY1对各点灵敏度取平均，得到传感器的灵敏度S。S= niS1(7）点击“采样设置”， 修改传感器的灵敏
20、度。此时，“位移”框内显示的是振子的实际位移。2弹簧刚度的测量1) 1 号弹簧刚度K2 的测量(1) z m = m记下此时传感器的输出位移，填入表中(2) z 1u m = m + m将 1 号U 型质量块叠放在振子组件上，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。等振子稳定下来后，记下此时传感器的输出位移，填入表中。(3) z 2u m = m + m卸下 1 号U 型质量块，将2 号U 型质量块叠放在振子组件上，此时系统质量为振子组件的质量与2 号U 型质量块的质量之和。等振子稳定下来后，记下此时传感器的输出位移，填入表中。质量 mz mz+mu1 mz+mu2 刚度(N/
21、m)位移（mm） 35.12 12.26 -0.25 58.1(4) 根据上表数据，计算弹簧的刚度。打开“弹簧刚度的测量.xls”,输入相关数据，可自动计算弹簧的刚度。2）2 号弹簧刚度 K2 的测量，方法和步骤同上。质量 mz mz+mu1 mz+mu2 刚度位移 -4.15 16.55 21.39 72.53. 系统动态参数的测量完成如下 5 情况下的系统的阶跃响应的测量，建议每种情况至少要采集2 次。同组的几位同学都需要采集不同的数据，不能共用相同的数据。用鼠标单击屏幕上“采集”框内的“采样设置”按钮，输入计算得到的传感器的灵敏度S。1) 质量振子组件+1 号弹簧+阻尼器放在空气中 m
22、= mz：系统的质量为质量振子组件的质量 m z 。K = K1 ：系统的刚度为1 号弹簧的刚度 K1 。c = c 1： 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(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
23、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 = mz：系统的质量等于质量振子组件的质量 m z 。 K = K1 ：系统的刚度等于1 号弹簧的刚度。 c = c2 ：阻尼器放在水中，系统的阻尼为 c2。重复步骤 1)，得到第组数据。3) 改变系统的质量：(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 = mz + m u1 ：系统质量为振
24、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。 c = c2 ：阻尼器放在水中，系统的阻尼为 c2。重复步骤 1)，得到第组数据。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 z + m 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1 号弹簧的刚度。c = c2 ：阻尼器放在水中，系统的阻尼为 c2 。重复步骤 1)，得到第组数据。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 =
25、 m z + m 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。c = c2 ：阻尼器放在水中，系统的阻尼为 c2。重复步骤 2)，得到第组数据。6) 用优盘拷贝自己保存的数据文件。4. 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( d、）(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) 绘出 5 种情况下系统的阶跃
26、响应曲线建议利用 matlab 完成。(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，选中并删除文本文件“No1.txt” 开头包含有汉字的前 7 行（有 5 行汉字，2 个空格行） 。删除了开头几行汉字的“No1.txt”文本文件的开头如图 1 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
27、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 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(N
28、o1(:,4)-No1(1,4)*0.001,No1(:,2)即可绘出系统的位移曲线。如图 3 所示。(6) plot 命令会得到一个后缀为.fig 的图形文件。对 fig 图形文件的处理参见实验“典型信号的合成与分解”的相关内容。主要是将背景改为白色。3）根据计算结果，结合阶跃响应曲线，进行分析(1) 比较第和组数据的计算结果，分析阻尼 c 对系统动态特性的影响。(2) 比较第和、和组数据的计算结果，分析振子的质量 m 对系动态特性的影响。(3) 比较第和组数据的计算结果，分析弹簧刚度 K 对系统动态特性的影响。4）计算振子组件的质量 mz3)系统的位移曲线（1）质量振子组件+1 号弹簧+阻
29、尼器放在空气中 m = mz：系统位移曲线 1（2）质量振子组件+1 号弹簧+阻尼器放在水中：系统位移曲线 2（3）(质量振子组件+1 号 U 型质量块)+1 号弹簧+阻尼器放在水中：系统位移曲线 3（4）(质量振子组件+1 号 U 型质量块)+2 号弹簧+阻尼器放在水中：系统位移曲线 4（5）(质量振子组件+2 号 U 型质量块)+2 号弹簧+阻尼器放在水中：系统位移曲线 53.结论（含结果分析）: （1）比较第和组数据的计算结果，分析阻尼 c 对系统动态特性的影响。答：比较第和组数据，二阶测量系统的阶跃响应呈衰减的 SIN 函数振荡，并随时间的增长而趋于稳态输出。可以看出增加阻尼 c,当振
30、子质量 m 与弹簧刚度 K 不变时，阻尼比 = 将增大，使上升时间 tr、峰值时间 tp增大，系统响应速度降低；减Kmc2小超调量 %，调节时间 ts减小，降低系统振荡。(2) 比较第和、和组数据的计算结果，分析振子的质量 m 对系动态特性的影响。答：比较第和、和组数据，可以看出质量 m 增加,根据公式 n= ， n随K着 m 增大而减小，上升时间 tr增大，峰值时间 tp增大，系统响应速度降低；调节时间ts减小，降低了系统振荡。(3) 比较第和组数据的计算结果，分析弹簧刚度 K 对系统动态特性的影响。答：比较第和组数据，根据公式 n= ，当 K 增大时， n也增大，1 号弹簧的m簧刚度 K1
31、 比 2 号弹簧的簧刚度 K2 要大，由实验数据可以看出弹簧刚度 K 越大，上升时间 tr减小，峰值时间 tp减小，系统响应速度增加；超调量 %增加，调节时间 ts增加，增大了系统振荡。4. 问题与讨论: 要求:必须提出 2 个以上与本次实验有关的问题进行讨论。1.m-k-c 二阶系统的响应速度主要用调整时间来衡量，能否通过增加弹簧的刚度 K 来提高 m-k-c 二阶系统的响应速度？ 答：可以，由公式 n= ，= ，当增加弹簧刚度 K 时， n增大， 减小，mKc2根据二阶系统的时间响应关系，上升时间 tr减小，峰值时间 tp减小，也就是系统响应时间是减小的，所以可以提高响应速度。2. 理论上，根据二阶系统阶跃响应的最大超调量 M 可以求出系统的阻尼比。可在本实验中却采用相邻的 n 个超调量来计算，为什么？ 答：因为实验存在系统误差、随机误差等实验误差，仅仅靠一个超调量计算出的阻尼比不能够真实的反应系统的阻尼比，为了尽可能的接近真实阻尼比，本实验采用相邻的 n 个超调量进行计算，减少实验误差。= ，n 为该两个峰值相隔的某一整周期数224n
