机械工程测试技术

三级项目报告

项目名称：动态测试系统的幅频特性姓名：指导教师：

日期： 2014 年 4 月 8 日

摘要

给光线示波器振动子输入幅值不变的信号，当改变输入正弦信号的频率时，振动子输出的振幅则随之改变。这种输入量与输出量的振幅之比Sn/So随输入信号频率f不同而变化的关系称为测量系统的幅频特性。学习振动子幅频特性的检验方法，了解测量系统动态测量误差产生的原因，研究其规律掌握减小动态测量系统误差的一些基本措施。

关键字光线示波器幅频特性曲线振动子

一实验目的……………………………………………………………4 二实验器材……………………………………………………………4 三实验原理……………………………………………………………4 四实验分析……………………………………………………………4 五实验步骤……………………………………………………………6 六实验数据记录表…………………………………………………7 七数据分析……………………………………………………………8 八误差分析……………………………………………………………9 九结论…………………………………………………………………9 十参考文献……………………………………………………………9

前言

测定光线示波器振动子的幅频特性曲线，学习振动子幅频特性的检验方法，了解测量系统动态测量误差产生的原因，研究其规律掌握减小动态测量系统误差的一些基本措施。为了能得到更加准确的数据，我们进行了多次的测量，以保证数据的不偶然性。项目达到了预期的效果，组员能够分工合作。

一：实验目的

本项目是针对实际结构的变量测试开展，通过对具体所要测试机械装备的工作状态进行分析，了解要测试的对象，最终确定测试实验方案以及选择要采用的仪器。通过此过程了解静态、动态信号的采集及数据分析处理过程，熟悉从传感器到计算机之间各仪器的连接、测试软件的使用和机械信号测试方法。

通过学习振动子幅频特性的检验方法，了解测量系统动态测量误差产生的原因，研究其规律掌握减小动态测量系统误差的一些基本措施。

二：实验器材

SC-16光线示波器 1台 XD-2低频信号发生器 1台 ZX38A/11型电阻箱 1台 FC6-400型振动子 1支 10KΩ电阻 1支振动子螺丝刀 1支

三：实验原理

给光线示波器振动子输入幅值不变的信号，当改变输入正弦信号的频率时，振动子输出的振幅则随之改变。这种输出量与输入量的振幅之比Sn/S0随输入信号频率f不同而变化的关系称为测量系统的幅频特性。通过实验的测定得到的一组数据Sn/S0作为纵坐标点，输入信号频率fn与振动子的固有频率f0的比值fn/f0（二阶测量系统）作为横坐标点描出的曲线称为振动子幅频特性曲线。

四：实验分析

光线示波器的振动子是一个二阶扭振系统，结构如下图所示，其力学模型可表示为：

MJ+Mc+MG=Mi

式中 MJ—转动系统的转动惯性力矩。MJ=Jd2θ/dt2，其中J为

转动惯量，θ为振动子线圈的转角；

Mc—阻尼力矩。Mc=cdθ/dt，其中c为阻尼系数；

MG—张丝的弹性反抗力矩。MG=Gθ，其中G为张丝的扭

转刚度；

Mi—振动子线圈的电磁力矩。Mi=KI，其中K为比例系数；

I为输入振动子线圈的信号电流。

图1 光线示波器工作原理

1—光源 2—圆柱透镜 3—光栏 4—振动子 5—张丝 6—支承

7—反射镜 8—线圈 9—磁极 10—弹簧 11—圆柱透镜 12—感光纸及走纸机构

当振动子输入电流为I时，它的线圈就产生θ的转角。因此，可得到振动子转动系统的频率响应函数：

KH(j)

2

1j2nn

式中 ω—输入信号电流的角频率；

ωn—振动子转动系统的转动固有频率，nJ； —振动子转动系统的转动阻尼比，c2。振动子转动系统的幅频特性为：

A

1n





K

4

2

n



对幅频特性的测定，首先要根据被测振动子的要求选择合适的外接电阻，以保证振动子具有最佳的阻尼比。用信号发生器以等幅值，不同频率的正弦信号逐个输入振动子，便能在记录纸上得到振动子对各不同频率正弦信号的响应曲线。然后，根据响应曲线量出不同频率时响应曲线幅值的大小，经整理可绘得被测振动子的幅频特性曲线。

五：实验步骤

1.熟悉SC-16光线示波器的使用

2了解FC6-400型振动子的技术参数 3.按指导书图示方法连接线路（图D-2）；

固有频率低的振动子通常是电磁阻尼的，为了达到最佳阻尼比，他对外电阻有一定的要求。故使用这种振动子时，往往要求在电路中接入附加的串联电阻。根据电阻的串,并联法。图D-2所示的实验装置可简化成D-3的电路，图中

Ei-信号源

Ri-信号源内阻 RA-串联电阻

R-振动子所要求的外阻 RB-并联可调电阻 Rg-振动子的内阻 XD-2低频信号发生器衰减为“10”时，内阻就在1100Ω左右变化。为了减少信号发生器的内阻对振动子外阻的影响，因此在线路中串入阻值一个比较大的电阻RA=10KΩ，这样对振动子的影响极小，故可以不予考虑。改变外阻R就可以改变振动子的阻尼率γ。同时考虑到RA，Ri的阻值很大，这样可以把外阻R当作RB来计算。

1.在不同的阻尼时，计算并联电阻RB数值。

选FC6-400型振动子的阻尼率的大小与外接电阻有关，对于2220号振动子，通过实验我们知道它的内阻Rg=520Ω。当外阻R=28Ω时，阻尼率γ=0.7，根据公式

R =令 k =

–Rg (7-1) (7-2)

则 R= –Rg （7-3）

k=1.4（R+Rg）=1.4（28+52）=112 振动子阻尼率γ与外电阻R的关系 γ=*=*=

根据上式改变R可以改变电阻率γ，同时考虑到RA,Ri的值很大，这样就可以把外阻R当作RB来计算。

RB的取值与相应的阻尼率γ值；根据不同阻尼率所对应的并联电阻RB值和前面的接线图连好线路。首先打开光线示波，振动子光点出现后再打开XD-2低频信号发生器，调整好幅值大小。即信号发生器输出电压不变，而改变信号发生器输出信号的频率，分别为

10,50,100,150,200,250,300,350,400,450,500,600HZ。观察改变频率时光点变化情况，记录光点变化刻度。

2.改变RB值，使振动子分别为1,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9每改变一次阻尼率从重复5作一遍。

六：实验数据记录表

七：数据分析

测定得到的一组数据Sn/S0作为纵坐标点，输入信号频率fn与振动子的固有频率f0的比值fn/f0（二阶测量系统）作为横坐标点,根据实

验数据绘出振动子幅频特性曲线

图中当阻尼率为0.7时，幅频特性曲线平直段最长，当频率为固有频率的0.4倍时，平直段结束。

八误差分析

1 人为读数误差 2 频率调节误差 3 器材本身精度误差 4 计算误差

九结论

实际的测试系统不能做到无限频带宽度上完全符合不失真测试条件，只能在一定的频段上，按一定的精度要求近似满足不失真测试条件。保证实际的与理想的频率响应特性之差不超过允许误差的一段

频率区域，称为测试系统的工作频率范围，是动态测试系统的重要动态特性指标之一。

分析幅频特性曲线可知，当阻尼率为0.7时，振动子的幅频特性曲线平直段最长，即可工作频带最宽，所以在测量之前对外电阻有一定的要求，要达到最佳阻尼比0.707。而且在频率达到固有频率的0.4倍时，平直段结束，说明对不同的测试系统的工作频率也有一定的要求。

十参考文献

测试技术基础[M]. 清华大学出版社有限公司, 2003.

机械工程测试技术[M]. 冶金工业出版社, 1994.

孙双全. 光线示波器在测量中应注意的问题[J]. 计量与测试技术, 2010, 37(10): 29-29.

李震, 杜润生, 卢文祥. 光线示波器振动子相频特性测试方法[J]. 实验技术与管理, 1991, 2: 017.