虚拟实验系统实验指导书.doc

传感器与测试技术实验指导书（虚拟实验系统用）河北科技大学机械电子工程学院20056前 言随着传感技术、信息处理技术及计算机应用技术的发展，促使测试技术在知识内容、实验仪器、实验方法等方面都发生了意义深远的变革与更新，并已充分体现在面向廿一世纪教学大纲与教材中，显然原有的实验设备环境已远不能满足其要求，为此我学科组应用虚拟仪器(VI)技术，研发了VI实验平台，推出了26项教学实验，大大丰富了实验内容，包括基础理论篇与工程应用篇，前者主要是配合课堂教学对理论知识的演示与验证；后者是直接针对工程应用技术的综合性、设计性实验，即以学生为主体，按实验目的自行选择测量装置，搭建测试系统，确定试验方法步骤等。为了配合机械类专业“传感器与测试技术”多学科、多层次实验教学要求，我学科组重新编制了“传感器与测试技术实验指导书”。对于不同学科，不同层次的教学任务，可按大纲要求自行选择部分实验内容。为了方便学生自学与复习，本书按教材章节顺序编写实验内容。因时间仓促，水平所限，难免有错误与不妥之处，恳请读者批评指正，并愿广泛征求反馈意见，进一步修改完善，推出正式版本。谢谢！ 编者 20056 第一篇 基础理论教学实验第一章 信号及其描述1、 典型信号的合成与分解实验2、 典型信号的频谱分析实验3、 典型信号幅值分布特性分析4、 典型信号的强度分析第二章 测试装置的基本特性5、 传感器静态标定实验6、 一阶系统频率响应实验7、 二阶系统频率响应实验8、 一二阶系统无失真测试条件实验第三章 常用传感器9、 电阻应变式测力、拉、压、弯、扭传感器原理及应用实验10、 涡流传感器原理及应用实验11、 压电式传感器原理及前置放大器第四章 信号调理、处理和记录12、 电桥在应变测试中的应用13、 调制与解调原理实验14、 动态电阻应变仪工作原理实验15、 RC调谐式滤波器的基本特性实验16、 倍频程滤波器及其在噪声测试中应用第五章 信号处理初步17、 频率混叠、抗混频滤波与采样定理18、 窗函数与FFT谱的能量泄漏19、 FFT谱的栅栏效应与信号的整周期截取20、 信号的相关分析21、 信号的FFT功率谱分析第二篇 工程测试应用实验22、 振动信号测试实验1） 仪器选择及系统设计2） 时域参量测试3） 振动信号的频谱分析23、 机械结构振动参数测试实验1） 测试系统设计2） 了解SDAS数据采集系统3） 测试数据的分析处理24、 回转轴径向运动误差测试实验1） 测量原理2） 测试系统设计3） 数据采集与处理25、 噪声测试实验1） 测量原理2） 测试系统设计3） 数据采集与处理26、 动应力综合测试实验1） 综合应力发生装置2） 贴片与接桥3） 模拟测试系统设计4） 数字测试系统设计综合型、设计型实验要求与格式（例如）一、实验名称：机械结构振动参数测试实验二、实验目的：1 了解计算机辅助测试SDAS2数据采集与分析系统，及其在振动测试中的应用；2 掌握快速正弦扫频激振测试及实验数据处理；3 了解冲击激振测试及实验数据处理。三、可供选择的实验仪器：被测机械结构悬臂梁激振器，功放加速度计，电荷放大器SDAS2数据采集与分析系统四、拟定实验方案：1 合理选择实验一起，搭建测试系统；2 简述实验原理；3 写出实验步骤；（*必须经指导教师答疑通过以上实验方案，方可进行实验）4 完成实验过程，记录实验数据。五、完成实验报告：1 写出实验方案；2 对实验数据进分析处理，比较被测试件的实验测试参数与理论计算参数，并加以分析；3 谈谈该实验的心得体会及建议。第一篇 基础理论教学实验第一章 信号及其描述（1）典型信号的分解与合成实验1、试验目的：1) 掌握信号分解与合成的原理；2) 熟悉典型信号，如方波、三角波、锯齿波等的分解与合成过程。2、实验仪器与系统框图：1) 计算机，测试实验软件DTEST1.0；典型信号的波形分解后各谐波分量的波形合成信号的波形分解合成2)3、实验原理：1） 信号的频域描述，反映的是信号的频率结构和各频率成分的幅值、相位关系。2） 如下傅立叶级数可以看出，周期信号可看作无穷多个谐波分量的合成。而当周期信号已知时，可确定各谐波分量的系数，将其分解。3） 对于典型的周期信号，如方波、三角波等，根据其傅立叶级数可确定分解与合成的过程，具体形式见参考1。4、实验内容与步骤：1) 打开“测试实验软件DTEST1.0”，进入实验一；2) 在典型信号中选择方波，单击分解，观察分解后各谐波分量的波形；3) 单击合成，观察各谐波分量合成后的信号波形；4) 改变合成谐波分量的数目为1，重新合成，观察合成波形的变化，并与原信号波形比较；5) 逐步增加合成谐波分量的数目，重新合成，观察合成波形的变化，并与原信号波形比较；6) 同样，在典型信号中选择其它信号，重复上述操作。5、实验报告要求（包括思考题）：1) 任选某一种典型信号，推导其傅立叶级数；2) 画出其原始信号波形；3) 画出其分解后各谐波分量的波形；4) 分别画出谐波分量的数目为1，2，3的合成波形，并与原信号波形进行比较，说明二者的区别所在，及讨论为什么？（2）典型信号的频谱分析实验1、试验目的：1) 掌握信号进行频谱分析的原理；2) 熟悉典型周期信号，如方波、三角波、锯齿波等的幅、相频谱；3) 熟悉典型非周期信号，如窗函数、单位脉冲函数、周期单位脉冲序列等的幅、相频谱；4) 熟悉典型随机信号，如正态分布的随机信号等的幅、相频谱。2、实验仪器与系统框图：计算机，测试实验软件DTEST1.0；3、实验原理：1） 信号的频域描述，反映的是信号的频率结构和各频率成分的幅值、相位关系。在频域中每个信号都必须同时用幅频谱、相频谱来描述，统称为频谱。幅频谱：以频率为横坐标，以幅值为纵坐标；相频谱：以频率为横坐标，以相位为纵坐标。2） 周期信号，采用傅立叶级数来实现频谱分析；3） 非周期信号，采用傅立叶变换来实现频谱分析；4） 随机信号，理论上应该采用功率谱来表示其频域描述，但针对每一个记录样本，均可计算其幅值谱。5） 以上提到的频谱分析，当在计算机上实现时，均采用的是离散傅立叶变换DFT。4、实验内容与步骤：1） 打开“测试实验软件DTEST1.0”，进入实验二；2） 在典型周期信号中选择方波，单击频谱分析，观察其幅、相频谱；3） 同样，可观察其他周期信号的幅、相频谱，注意周期信号的频谱特点；4） 在典型非周期信号中选择窗函数，单击频谱分析，观察其幅、相频谱；5） 同样，可观察其他非周期信号的幅、相频谱，注意非周期信号的频谱特点；6） 在典型随机信号中选择正态分布的随机信号，单击频谱分析，观察其幅、相频谱；7） 同样，可观察其他随机信号的幅、相频谱，注意随机信号的频谱特点。5、实验报告要求（包括思考题）：1) 任选某一种典型周期信号，画出其频谱（包括幅、相频谱），并总结出周期信号的频谱特点；2) 任选某一种典型非周期信号，画出其频谱（包括幅、相频谱），并总结出非周期信号的频谱特点；3) 任选某一种典型随机信号，画出其频谱（包括幅、相频谱），并总结出随机信号的频谱特点；4) 写出离散傅立叶变换的公式，试编程运行？（3）典型信号的幅值特性分析实验1、试验目的：1) 掌握信号进行幅值特性分析的原理；2) 熟悉典型周期信号，如方波、三角波、锯齿波等的幅值特性；3) 熟悉典型非周期信号，如窗函数、单位脉冲函数、周期单位脉冲序列等的幅值特性；4) 熟悉典型随机信号，如正态分布的随机信号等的幅值特性。2、实验仪器与系统框图：计算机，测试实验软件DTEST1.0；3、实验原理：1） 概率密度函数提供了信号幅值分布的信息，不同的信号有不同的概率密度函数图形，因此可以用来识别信号的性质。2） 当该函数未知时，可以用统计概率分布图和直方图来估计。4、实验内容与步骤：1） 打开“测试实验软件DTEST1.0”，进入实验三；2） 在典型周期信号中选择方波，单击幅值特性分析，观察其概率分布函数、概率密度函数；3） 同样，可观察其他周期信号的概率分布函数、概率密度函数；4） 在典型非周期信号中选择窗函数，单击幅值特性分析，观察其概率分布函数、概率密度函数；5） 同样，可观察其他非周期信号的概率分布函数、概率密度函数；6） 在典型随机信号中选择正态分布的随机信号，单击幅值特性分析，观察其概率分布函数、概率密度函数；7） 同样，可观察其他随机信号的概率分布函数、概率密度函数。5、实验报告要求（包括思考题）：1) 任选某一种典型周期信号，画出其概率分布函数、概率密度函数；2) 任选某一种典型非周期信号，画出其概率分布函数、概率密度函数；3) 任选某一种典型随机信号，画出其概率分布函数、概率密度函数；4) 写出离散傅立叶变换的公式，试编程运行？（4）典型信号的强度分析实验1、试验目的：1) 掌握信号进行强度分析原理，计算各统计参数，如均值、方差、均方值等；2) 熟悉典型周期信号，如方波、三角波、锯齿波等的各统计参数；3) 熟悉典型非周期信号，如窗函数、单位脉冲函数、周期单位脉冲序列等的各统计参数；4) 熟悉典型随机信号，如正态分布的随机信号等的各统计参数。2、实验仪器与系统框图：计算机，测试实验软件DTEST1.0；3、实验原理：1) 主要统计特征参数包括均值、均方值、方差，三者之间的关系：。2) 其他统计特征参数还有很多，具体可见参考11。4、实验内容与步骤：1） 打开“测试实验软件DTEST1.0”，进入实验四；2） 在典型周期信号中选择方波，单击强度分析，计算其各统计参数；3） 同样，可观察其他周期信号的各统计参数；4） 在典型非周期信号中选择窗函数，单击强度分析，计算其各统计参数；5） 同样，可观察其他非周期信号的各统计参数；6） 在典型随机信号中选择正态分布的随机信号，单击强度分析，计算其各统计参数；7） 同样，可观察其他随机信号的各统计参数。5、实验报告要求（包括思考题）：1） 任选某一种典型周期信号，计算其各统计参数；2） 任选某一种典型非周期信号，计算其各统计参数；3） 任选某一种典型随机信号，计算其各统计参数；第二章 测试装置的基本特性（5）传感器静态标定实验1、试验目的：1）学习YJD-1型电阻应变仪的使用方法。2）学习测量装置静态特性的标定方法。3）掌握用分析软件对静态装置静态特性的标定方法。2、实验仪器与系统框图：1）YJD-1型电阻应变仪；2）电阻应变式传感器；3）计算机，测试实验软件DTEST1.0；电阻应变式传感器器YJD-1电阻应变仪加载装置4）系统框图：3、实验原理：新设计制造的传感器，需要对其参数和性能进行标定，以便检查是否符合设计要求。另外，随着时间和周围环境的变化，使用中传感器的参数也会有变化，也需要进行定期校准，所以测量装置的标定，是一项经常性，非常重要的工作。电阻应变式测力传感器的静态标定，就是在静态下，通过加载装置对传感器施加载荷，同时由应变仪读取输出，而获取传感器的静态特性参数如灵敏度，非线性度，回程误差等。4、实验内容与步骤：41 粘贴应变片1） 惠斯登电桥挑选两个电阻值120左右的电阻应变片,阻值差小于0.5。2） 砂纸打磨等强度梁，去除污物，用酒精清洗。3） 用502胶水粘贴电阻应变片。（一片粘在受力的位置，一片粘在不受力的位置。）4） 用万用表检查有无短路、断路，引线与等强度梁间的绝缘电阻应大于150M。5） 焊接导线，并用胶带纸固定，在常温下，放置24小时后，方可使用。42 测试数据1） 联接电桥：将应变式传感器的应变片引出线分别接于A、B、C三点,并将接线柱旋紧,组成半桥单臂测量电路。2） 调整灵敏系数盘K，使之与应变片的灵敏系数K相符。3） 检查指示器指针是否准确的停止在机械零位，否则必须校正后方可工作。4） 检查微调，中调，粗调三个调节旋钮，是否都指在零位。5） 经指导老师检查无误后，方可打开电源。6） 将选择开关旋到“予”上，调节“电阻平衡”，“电容平衡”两电位器，使指示电表的指针指与零位。然后将开关旋到“静”的位置，再调节“电阻平衡”使指针指于零位。在“予”、“静”反复调整几次后，此时电桥已予调平衡。7） 仔细观察三分钟，电表指针不应有漂移。8） 进行加载，指针偏移零位，旋转“微调”旋钮使指针指回零位，记下此时“微调”旋钮读数。加载：100，200，300，400，500（g）记录读数。9） 依次卸载并记录读数。注意卸载至零载荷时，不要忘记将微调旋钮读数记录下来。0100200300400500加载 卸载43 数据处理1） 打开“测试实验软件DTEST1.0”，进入“静态标定”实验；2） 将实验记录的各数据分别填入，点击作图；3） 按端点线性、 最小二乘法二种方法做出拟合直线，求出线性误差；4） 绘出回程误差特性曲线，并确定其回程误差H；5） 确定本测力传感器的静态灵敏度S。5、实验报告要求（包括思考题）：1） 写出实验名称、目的，及画出实验系统框图；2） 实验数据处理电阻应变式测力传感器静态特性指标评定。非线性度：按端点线性、最小二乘法二种方法做出拟合直线、求出线性误差。绘出回程误差特征曲线,并确定其回程误差H。确定本测力传感器的静态灵敏度S。3） 心得体会及对实验的改进意见（6）一阶系统频率响应实验1、试验目的：1）了解一阶系统的时域响应函数；2）掌握一阶系统的频率响应函数。2、实验仪器与系统框图：计算机，测试实验软件DTEST1.0；3、实验原理：频率响应函数是描述和考察系统在频率域中的特性的，利用它和传递函数的关系，极易求出传递函数，是研究系统特性的重要的工具。定常系统在简谐信号的激励下，其稳态输出信号和输入信号的幅值比定为该系统的幅值特性，记为A()；稳态输出信号对输入信号的相位差被定义为该系统的相频特性，两者统称为系统的频率特性。因此系统的频率特性指系统在简谐信号激励下，其稳态输出对输入的幅值比、相位差随激励频率变化的特性。一阶系统的幅频特性为，相频特性为。改变系统的动态特性参数时间常数可以观察相应的特性曲线。4、实验内容与步骤：1） 打开“测试实验软件DTEST1.0”，进入“动态特性”实验。2） 取时间常数=0.02s，0.06s，0.1s，观察一阶系统的幅、相频特性曲线，实、虚频特性曲线，以及乃奎斯特图。3） 仍取以上三个时间常数，观察一阶系统的单位脉冲响应和单位阶跃响应。5、实验报告要求（包括思考题）：1）画出不同时间常数下的幅、相频特性曲线，实、虚频特性曲线，以及乃奎斯特图。观察时间常数对系统频域特性的影响。2）画出不同时间常数下的单位脉冲响应和单位阶跃响应。观察时间常数对系统时域特性的影响。（7）二阶系统频率响应实验1、试验目的：1）了解二阶系统的时域响应函数；2）掌握二阶系统的频率响应函数。2、实验仪器与系统框图：计算机，测试实验软件DTEST1.0；3、实验原理：二阶系统的传递函数为频率响应函数为幅频特性为相频特性为二阶系统的动态特性参数是固有频率n和阻尼比。在通常的使用频率范围中，以固有频率n的影响最为重要，所以二阶系统工作频率范围的确定以固有频率为依据。在 = n附近，系统幅频特性受阻尼比影响极大，当n时 ，系统发生共振。因此作为使用装置，极少选用这种频率关系。但这种关系在测定系统本身的参数时，却是很重要的。4、实验内容与步骤：1） 打开“测试实验软件DTEST1.0”，进入“动态特性”实验。2） 取固有频率n=20，100Hz，观察二阶系统的幅、相频特性曲线，实、虚频特性曲线，以及乃奎斯特图。3） 取阻尼比=0.1，0.3，0.5，0.7，1.0，观察二阶系统的幅、相频特性曲线，实、虚频特性曲线，以及乃奎斯特图。4） 仍取以上参数，观察二阶系统的单位脉冲响应和单位阶跃响应。5、实验报告要求（包括思考题）：1）画出不同固有频率n、阻尼比下的幅、相频特性曲线，实、虚频特性曲线，以及乃奎斯特图。观察时间常数对系统频域特性的影响。2）画出不同固有频率n、阻尼比下的单位脉冲响应和单位阶跃响应。观察时间常数对系统时域特性的影响。（8）一二阶系统无失真测试条件实验1、试验目的：1）掌握不失真测试的条件。2）了解参数变化对一阶测试装置不失真测试范围的影响。2）了解参数、变化对二阶测试装置不失真测试范围的影响。2、实验仪器与系统框图：计算机，测试实验软件DTEST1.0；3、实验原理：静态不失真条件为：在静态测量时，理想的定常线性系统，S为灵敏度。动态不失真条件为：在动态测量时，理想的定常线性系统，A0为灵敏度，t0为时间延迟。4、实验内容与步骤：1）打开“测试实验软件DTEST1.0”，进入“无失真测试”实验。2）点击对话框中的“一阶系统”。改变值，设变化，画出幅频、相频曲线进行分析，确定幅值误差工作频率范围。3）点击对话框中的“二阶系统”。改变值，确定值，变化，画出幅频、相频曲线，分析改变对测量装置的影响，求出最佳阻尼。在值条件下，改变，变化，画出幅频、相频曲线进行分析，确定对不失真频率范围影响。5、实验报告要求（包括思考题）：1）写出实验名称、目的。2）画出一阶测试系统幅、相频曲线，分析参数变化对其的影响。3）画出 =20时，改变值的二阶测试系统幅、相频曲线，并分析对测量装置的影响。4）画出 时，改变值的二阶测试系统幅、相频曲线，根据曲线说明对不失真测试条件影响，从而确定在最佳阻尼条件下不失真的工作频率范围。第三章 常用传感器（9）电阻应变式测力、拉、压、弯、扭传感器原理及应用实验1、试验目的：1）了解和掌握电阻应变式传感器的测量原理和方法。2）掌握如何用电阻应变式传感器测量力、拉、压、弯、扭。2、实验仪器与系统框图：1）电阻应变式传感器；2）电阻应变仪；3）测试系统。3、实验原理：1）应变片式传感器分类：依据测量目的分为载荷测量和应力测量。构成：由应变片和弹性元件构成。关键是合理选择弹性元件，以及应变片的布置方式和接桥方式，以得到测量应变与实际应变之间的关系。因此，应变片式传感器在使用之前必须进行标定，以确定传感器的灵敏度。2）常用的几种应变片式传感器测拉（压）力应变片式传感器：常用的弹性元件有环形（圆环形、扁圆环形）和柱形（实心圆柱形、空心圆柱形）。测弯矩应变片式传感器：常用的弹性元件为悬臂梁（等截面梁、等强度梁）。测扭矩应变片式传感器：常用的弹性元件为圆轴。需采用应变花。4、实验内容与步骤：1）观察电阻应变式传感器的外形；2）按照使用说明书安装电阻应变式传感器；3）设置电阻应变仪的各项参数；3）观察传感器的输出信号，然后采集。5、实验报告要求（包括思考题）：1）电阻应变式传感器能测量哪些参量？2）电阻应变仪如何调平衡？（10）涡流传感器原理及应用实验1、试验目的：了解和掌握电涡流传感器测量原理和方法。2、实验仪器与系统框图：1）电涡流传感器；2）电压放大器。3）测试系统。3、实验原理：1）电涡流传感器就是能静态和动态地非接触，高线性度，高分辨力地测量被测金属导体距探头表面的距离。它是一种非接触的线性化计量工具。电涡流位移传感器能准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间的静态和动态距离及其变化。2）探头、(延伸电缆)、前置器以及被测体构成基本工作系统。前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场。如果在这一交变磁场的有效范围内没有金属材料靠近，则这一磁场能量会全部损失；当有被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，电磁学上称之为电涡流，与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变（线圈的有效阻抗），这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。通常假定金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性，则线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率、磁导率、尺寸因子、头部体线圈与金属导体表面的距离D、电流强度I和频率参数来描述。则线圈特征阻抗可用Z=F(, , , D, I, )函数来表示。通常我们能做到控制, , , I, 这几个参数在一定范围内不变，则线圈的特征阻抗Z就成为距离D的单值函数，虽然它整个函数是一非线性的，其函数特征为S型曲线，但可以选取它近似为线性的一段。于此，通过前置器电子线路的处理，将线圈阻抗Z的变化，即头部体线圈与金属导体的距离D的变化转化成电压或电流的变化。输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化，电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。3）涡流检测不需要改变试件的形状，也不会影响试件的使用性能，因此，是一种无损地评定试件有关性能和发现试件有无缺陷等的检测方法。涡流检测只适用于能产生涡流的导电材料。同时，由于涡流是电磁感应产生的，在检测时，不必要求线圈与试件紧密接触，也不必在线圈和试件之间充填满合剂，从而容易实现自动化检验。对管、棒、丝材表面缺陷，涡流检查法有很高的速度和效率。涡流及其反作用磁场对代表金属试件物理和工艺性能的多种参数有反应，因此是一种多用途的试验方法。然而，正是由于对多种试验参数有敏感反应，也就会给试验结果带来干扰信息，影响检测的正确进行。涡流检测设备用于各种金属管、棒、线、丝材的在线、离线探伤。在探伤过程中，能同时兼顾长通伤、缓变伤等长缺陷和短小缺陷（如通孔）；能够有效抑制管道在线、离线检测时的某些干扰信号（如材质不均、晃动等），对金属管道内外壁缺陷检测都具有较高的灵敏度；还可用于机械零部件混料分选，渗碳深度和热处理状态评价，硬度测量等。4、实验内容与步骤：1）观察涡流传感器的外形；2）按照使用说明书安装涡流传感器；3）观察传感器的输出信号，然后采集。4）静态校准按下图接好线路，调整被测片与涡流线圈的距离。使系统发生振荡（用计算机分析系统监视）。示波器上读出峰峰值，毫伏表上读平均值，每隔0.25mm读一次数，直到线性严重破坏为止，即静态校准。根据以上数据，找出传感器与被测体间的最佳工作距离和起始点。被测片涡流传感器涡流变换器毫伏表A/D转换计算机分析系统 5）被测体对传感器特性的影响根据上图，分别用铝、铜、铁被测片重复实验内容1，分析比较所得结果。6）电涡流式振幅测量系统按下图接线。用激振器激励平行梁振动，激振频率为15，20，30Hz 处分别记录要求对应的输出峰峰值，并根据前面得到的校准曲线计算出对应的振动幅度。涡流传感器涡流变换器运算放大器毫伏表A/D转换计算机分析系统5、实验报告要求（包括思考题）：1）电涡流传感器有什么特性？可以用在那些特征量的检测上？2）电涡流传感器如何安装？3）根据实验内容1的结果，作和曲线（在同一坐标系中），求出线性范围和系统灵敏度4）根据实验内容2的结果，在同一坐标系中作出，三条曲线，分析比较它们的灵敏度和线性范围。（11）压电式传感器原理及前置放大器1、试验目的：1）了解和掌握压电传感器测量原理和方法。2）了解和掌握前置放大器的使用方法。2、实验仪器与系统框图：1）压电传感器；2）电荷放大器；3）测试系统。3、实验原理：1）压电式加速度传感器在振动测试领域中应用广泛，可以测量各种环境中的振动量。压电传感器的力学模型可简化为一个单自由度质量-弹簧系统。根据压电效应的原理，当晶体上受到振动作用力后，将产生电荷量，该电荷量与作用力成正比，这就是压电传感器完成机电转换的工作原理。2）振动的幅值、频率和相位是振动的三个基本参数，称为振动三要素。幅值：幅值是振动强度的标志，它可以用峰值、有效值、平均值等方法来表示。频率：不同的频率成分反映系统内不同的振源。通过频谱分析可以确定主要频率成分及其幅值大小，从而寻找振源，采取相应的措施。相位：振动信号的相位信息十分重要，如利用相位关系确定共振点、测量振型、旋转件动平衡、有源振动控制、降噪等。对于复杂振动的波形分析，各谐波的相位关系是不可缺少的。在振动测量时，应合理选择测量参数，如振动位移是研究强度和变形的重要依据；振动加速度与作用力或载荷成正比，是研究动力强度和疲劳的重要依据；振动速度决定了噪声的高低，人对机械振动的敏感程度在很大频率范围内是由速度决定的。速度又与能量和功率有关，并决定动量的大小。4、实验内容与步骤：1）观察压电传感器的外形；2）按照使用说明书安装压电传感器；3）设置电荷放大器的各项参数；3）观察传感器的输出信号，然后采集。5、实验报告要求（包括思考题）：1）压电传感器能测量哪些参量？2）压电传感器的前置放大器有几种？第四章 信号调理、处理和记录（12）电桥在应变测试中的应用1、试验目的：1）掌握电桥的几种联接方式及灵敏度；2）掌握直流电桥和交流电桥的平衡方法；3）了解电桥在应变测试中的应用。2、实验仪器与系统框图：计算机，测试实验软件DTEST1.0；3、实验原理：电桥平衡条件：直流电桥 ；交流电桥。应变电桥输出电压表达式：半桥单臂；半桥双臂；全桥。4、实验内容与步骤：1）打开“测试实验软件DTEST1.0”，进入实验十二；2）在直流电桥中分别选择半桥单臂、半桥双臂、全桥，单击输出信号，观察输出电压，并根据输入信号和供桥电压计算灵敏度；3）在交流电桥中分别选择半桥单臂、半桥双臂、全桥，单击输出信号，观察输出电压，并根据输入信号和供桥电压计算灵敏度；4）在2）中单击电桥平衡，观察直流电桥的平衡条件；5）在3）中单击电桥平衡，观察交流电桥的平衡条件。5、实验报告要求（包括思考题）：1）写出实验名称、目的。2）对实验过程得到的数据进行分析，并说明所采用的原理。3）为什么平衡交流电桥必须同时调节电阻平衡和电容平衡？（13）调制与解调原理实验1、试验目的：1）了解调幅及解调的原理； 2）了解在调幅及解调过程中避免引起失真的必要条件。2、实验仪器与系统框图：计算机，测试实验软件DTEST1.0；3、实验原理：调制信号调制器放大器解调器低通滤波器输出振荡器所谓调制就是使一个信号（载波）的某些参数在另一信号（调制信号）的控制下而发生变化的过程，输出信号为已调制波。从已调制波中恢复出调制信号的过程为解调。调制信号 ： 即被测量。调制器 ： 实质上是一个乘法器，将一个高频检波信号（载波）与测试信号（调制信号）相乘，使高频信号的幅值随测试信号的变化而变化，实现调幅输出调幅波。调幅的目的是使缓变信号便于放大和输出。放大器 ：对调幅波进一步放大。解调器 ：利用载波信号与调幅波的相位比得出原信号的幅值和极性。此过程为解调。低通滤波器：滤去高频成分，恢复原信号。振荡器 ：提供高频振荡信号作为载波。4、实验内容与步骤：1）打开“测试实验软件DTEST1.0”，进入实验十三；2）输入fm=100Hz，f0=300Hz，观察调幅过程的时域波形和频谱；3）输入不同的fo，fm值，观察信号波形和频谱的变化；调制信号载波信号4）选择失真方式，观察失真现象；5）选择不失真修正，观察不失真的条件并分析原因。5、实验报告要求（包括思考题）：1）写出实验名称、目的。2）简述调幅及解调的原理，画出系统框图。3）调幅过程为什么会出现信号失真的现象？如何避免？（14）动态电阻应变仪工作原理实验1、试验目的：1）掌握动态电阻应变仪的工作原理;2）观察各级输出时域波形。2、实验仪器与系统框图：计算机，测试实验软件DTEST1.0；3、实验原理：被测应变量电桥放大相敏检波低通显示振荡器被测量经传感器转换成电信号经电桥将这些电信号的变化变为电压或电流输出（即解调），电桥输出的调制波放大后经相敏检波（即解调）后经过低通滤波器滤去高频成分得到原信号。4、实验内容与步骤：1）打开“测试实验软件DTEST1.0”，进入实验十四；2）点击图中被测应变量、载波、调幅波、放大后波形、解调后波形、还原后波形，观察各级输出波形。5、实验报告要求（包括思考题）：1）写出实验名称、目的。2）画出动态电阻应变仪的系统框图，并标出各级输出波形。3）电桥的作用是什么？（15）RC调谐式滤波器的基本特性实验1、试验目的：1）了解RC调谐式滤波器的基本参数；2）掌握一阶RC调谐式滤波器的频率特性。2、实验仪器与系统框图：计算机，测试实验软件DTEST1.0；3、实验原理：（1）滤波器的截止频率，：幅频特性曲线降为最大值的倍时对应的频率为截止频率。（2）滤波器的带宽：表征带通滤波器的频率分辨能力，越小分辨率越高。对带通滤波器有：。其中为上截止频率，为下截止频率。（3）中心频率 ：带通滤波器的中心频率定义为上下截止频率的几何平均值（4）品质因数：表征带通滤波器的频率选择性，4、实验内容与步骤：1）打开“测试实验软件DTEST1.0”，进入实验十五；2）在滤波器主要参数中输入不同的值，观察滤波效果；3）观察一阶RC低通滤波器的频率特性，以及RC值对频率特性的影响；4）观察一阶RC高通滤波器的频率特性，以及RC值对频率特性的影响；5）观察RC带通滤波器的频率特性，以及RC值对频率特性的影响；5、实验报告要求（包括思考题）：1）写出实验名称、目的。2）简述实际RC调谐式滤波器的主要参数，并说明与理想滤波器的关系。3）说明带通滤波器与高、低通滤波器的关系。4）能否用高、低通滤波器串联形成带阻滤波器？（16）倍频程滤波器及其在噪声测试中应用1、试验目的：1）了解常用的两种滤波器组：恒带宽滤波器和恒带宽比滤波器；2）掌握恒带宽比滤波器组的构成，及各滤波器之间的关系；2）掌握倍频程滤波器的使用。2、实验仪器与系统框图：计算机，测试实验软件DTEST1.0；3、实验原理：恒带宽滤波器组恒带宽比滤波器组：每一个通滤波器的上、下截止频率之间的关系为，两相邻带通滤波器的中心频率，之间的关系为，式中 倍频程数。4、实验内容与步骤：1）打开“测试实验软件DTEST1.0”，进入实验十六；2）选择恒带宽滤波器，观察滤波器的输出频谱；3）选择恒带宽比滤波器，观察滤波器的输出频谱，并与2）作比较；4）在恒带宽比滤波器中，分别选择倍频程、1/3倍频程、1/5倍频程，观察滤波器的输出频谱，并与2）作比较。5、实验报告要求（包括思考题）：1）写出实验名称、目的。2）简述恒带宽比滤波器组的构成。3）相关滤波为什么属于恒带宽滤波？第五章 信号处理初步（17）抗混叠滤波与采样定理1、试验目的：1）观察模拟信号数字化过程中的混叠现象，掌握混叠产生的原因；2）掌握避免混叠的两个措施：抗混叠滤波，采样定理，以及正确的参数设置；3）观察模拟信号的正确时域采样。2、实验仪器与系统框图：计算机，测试实验软件DTEST1.0；3、实验原理：1）混叠现象是在时域采样过程中产生的。时域采样，就是等时间间隔地取点。从数学处理上看，就是乘以采样函数，时域相乘相当于频域作卷积，就相当于频谱的周期延拓，即频谱的搬移。在频域中，如果频谱的搬移距离过小，搬移后的频谱就会有一部分相互交叠，从而使新合成的频谱与原频谱不一致，无法准确地恢复原时域信号，这种现象称为混叠。2）产生混叠现象的原因为：a) 采样频率fs太低，或采样间隔Ts太大；b) 原模拟信号不是有限带宽的信号，即信号的最高频率。3）为了避免混叠所采取的措施为：a) 对非有限带宽的模拟信号，在采样之前进行低通滤波，滤去高频成分，使其成为限带宽的的信号。这种处理称为抗混叠滤波。b) 满足采样定理，即采样频率必须大于信号最高频率的2倍以上。实际常取，fc为低通滤波的截止频率。4）从理论上来说，只要满足了以上两个条件，就可以从根本上避免混叠，保证正确的分析结果。但由于实际滤波器是非理想的，抗混叠滤波不可能完全衰减高频成分，所以也不可能完全消除混叠。4、实验内容与步骤：1）打开“测试实验软件DTEST1.0”，进入实验一；2）在典型信号中选择指数函数，观察信号的连续波形及连续频谱；3）单击时域采样，观察原信号的离散波形及周期化的连续频谱；4）设置滤波参数，使原信号成为限带宽信号，并根据采样定理相应设置采样参数；5）单击时域采样，观察限带宽信号的离散波形及周期化的连续频谱；6）设置其他的滤波参数、采样参数，重复上述过程，观察不同参数对时域采样后信号的波形及频谱的影响。5、实验报告要求（包括思考题）：1）画出指数函数信号的连续波形及连续频谱；2）画出原信号的离散波形及周期化的连续频谱；3）针对某组滤波参数、采样参数，画出限带宽信号的离散波形及周期化的连续频谱；4）总结混叠产生的原因，及应采取的避免措施；5）为什么时域离散会导致频谱周期化？（18）窗函数与FFT谱的能量泄漏1、试验目的：1）观察模拟信号数字化过程中的泄漏现象，掌握泄漏产生的原因；2）掌握常见窗函数及其频谱；3）比较不同窗函数引起的泄漏，掌握它们的适用情况。2、实验仪器与系统框图：计算机，测试实验软件DTEST1.0；3、实验原理：1）泄漏现象是在时域截断过程中产生的。时域截断，就是取有限长的信号。从数学处理上看，就是乘以有限宽矩形窗函数。时域相乘相当于频域作卷积，就相当于频谱的周期延拓，即频谱的搬移。在频域中，由于矩形窗函数的频谱是一个无限带宽的sinc函数，即使原模拟信号是有限带宽的，截断后也必然成为无限带宽的，这种信号的能量在频率轴分布扩展的现象称为泄漏。2）产生泄漏现象的原因为：窗函数的频谱是无限带宽的。3）从理论上说，泄漏是不可避免的，只能减小。而且由于截断后信号成为无限带宽的，不可避免会出现混叠。但采用合适的窗函数（如常见典型窗函数），可以减小泄漏。4）对于窗函数的评价标准为： a) 最大旁瓣与主瓣之比，其倍频程衰减率；小的旁瓣可以减小泄漏。b) 主瓣的宽度；窄的主瓣可以提高频率分辨力。4、实验内容与步骤：1）打开“测试实验软件DTEST1.0”，进入实验二；2）在典型信号中选择指数函数，观察信号的连续波形及连续频谱；3）正确设置滤波参数、采样参数，单击时域采样，观察限带宽信号的离散波形及周期化的连续频谱；4）在加窗中选择矩形窗，单击时域截断，观察限带宽信号的离散波形及周期化的连续频谱；5）选择不同的窗函数，重复上述过程，观察图象变化。 5、实验报告要求（包括思考题）：1）画出矩形窗及其频谱，以及对应信号的离散波形及周期化的连续频谱；2）画出汗宁窗及其频谱，以及对应信号的离散波形及周期化的连续频谱；3）总结泄漏产生的原因，及窗函数的选用标准；4）为什么泄漏是不可避免的？5）为什么泄漏会引起混叠？（19）FFT谱的栅栏效应与周期信号的整周期截取1、试验目的：1）观察模拟信号数字化过程中的栅栏效应，掌握栅栏效应产生的原因；2）了解避免栅栏效应的几种的措施；3）掌握周期信号的整周期截取。2、实验仪器与系统框图：计算机，测试实验软件DTEST1.0；3、实验原理：1）栅栏效应是在频域采样过程中产生的。频域采样，就是在频率轴上等间隔地取点，使频率离散化。从数学处理上看，就是乘以频率采样函数。频域相乘相当于时域作卷积，就相当于时域波形的周期延拓，即频域波形的搬移。采样的实质是摘取采样点上对应的函数值，其效果有如透过栅栏的缝隙观看外景，只有落在缝隙前的少数景象被看到，其余景象都被栅栏挡住，视为零，这种现象称为栅栏效应。在频域中，栅栏效应的影响很大，丢失的频率成分有可能是重要的或具有特征的成分，以致于整个处理失去意义。而时域采样如满足采样定理，栅栏效应不会有太大的影响。2）产生栅栏效应的原因为：频率采样间隔f太大。3）为了避免栅栏效应所采取的措施为：a) 减小频率采样间隔f，即提高频率分辨力。但是DFT算法的固有特征，因此在满足采样定理的情况下，减小f将增大采样点数N，增加计算工作量。b) 不采用DFT算法，而采用其他算法把时间序列变换为频谱序列。c) 频率细化技术ZOOM-DFT。d) 对周期信号实行整周期截取。4）对于周期信号，整周期截取是最方便的消除栅栏效应的方法。具体的实施就是合理设置采样频率和采样长度，使所截取的信号正好为其周期的整数倍。因此，周期信号的频率必须预先知道。4、实验内容与步骤：1）打开“测试实验软件DTEST1.0”，进入实验三；2）在典型信号中选择频率为5Hz的正弦信号，观察信号的连续波形及连续频谱；3）设置采样参数，采样频率为100Hz，采样长度为30点，单击频域采样，观察信号的离散波形及离散频谱；4）重新设置采样参数，采样频率为100Hz，采样长度为40点，观察信号的离散波形及离散频谱；5）选择其它周期信号，如矩形波、三角波等，根据信号频率正确设置采样参数，重复上述过程。5、实验报告要求（包括思考题）：1）画出正弦信号的连续波形及离散频谱；2）画出非整周期截断时正弦信号的离散波形及离散频谱；3）画出整周期截断时正弦信号的离散波形及离散频谱；4）总结信号频率、采样频率、采样长度三者之间的关系，计算时域采样间隔、频域采样间隔；写出离散傅立叶变换DFT的公式。（20）信号的相关分析1、试验目的：1）掌握信号进行相关分析的原理；2）熟悉典型信号的自相关函数；3）熟悉不同典型信号之间的互相关函数。2、实验仪器与系统框图：计算机，测试实验软件DTEST1.0；3、实验原理：1）信号的自相关函数，具有以下性质： 的取值区间为。 ，即在=0时取最大值，等于信号的均方值。 ，即在 时趋于常数，同一信号中的随机成分不存在内在联系，彼此无关。 ，即自相关函数是偶函数。 周期函数的自相关函数仍为同频的周期函数，保留了原信号的幅值信息，丢失了原信号的初始相位信息。2）信号的自相关函数常用于 区别信号类型。若信号中包含周期成分，则自相关函数在很大时仍不衰减，并具有明显的周期性；若信号中不包含周期成分，则自相关函数在稍大时就趋于常数。 确定信号中的周期成分，并进一步分析其起因。3）信号的互相关函数，具有以下性质： 的取值区间为。 的最大值为，一般不在=0处，而在某一时移=0处。 ，即在 时趋于常数，x(t)和y(t)就互不相关了。 ，即互相关函数不是偶函数。 同频相关，不同频不相关；即两同频的周期函数的互相关函数仍为同频的周期函数，保留各自的幅值信息和相位差信息，而不同频的两周期函数必定不相关。4）信号的互相关函数应用场合为 相关滤波，即在噪声背景下提取有用信息。对一个线性系统，根据频率保持特性，只有和激振频率相同的成分才可能是由激振引起的响应，其他成分均是干扰。因此，只要将激振信号和响应信号进行互相关处理，就可以得到由激振引起的响应幅值和相位差，从而消除噪声干扰的影响，这种处理方法就是相关滤波。 互相关技术还广泛应用于各种测试中。例如，用两个间隔一定距离的传感器来非接触地测量运动物体的速度；确定振动产生的位置。5）相关函数的数字估计由于模拟信号不失真地沿时间轴平移是一件困难的工作，因此模拟相关处理技术只适用于集中特定信号（如正弦信号）。而在数字信号处理中，信号时序的增减就表示它沿时间轴平移，很容易实现，所以实际上相关处理都是用数字技术来完成的。4、实验内容与步骤：1）打开“测试实验软件DTEST1.0”，进入实验四；2）在典型信号中选择正弦信号，观察信号的自相关函数；3）在典型信号中选择正弦信号+噪声，观察信号的自相关函数；4）在典型信号中分别选择正弦信号和矩形波，观察两个信号的互相关函数；5）改变正弦信号和矩形波的频率，重复上述过程。5、实验报告要求（包括思考题）：1）画出正弦信号的自相关函数；2）画出正弦信号+噪声的自相关函数；3）画出正弦信号和矩形波的互相关函数；4）总结自相关函数、自相关函数的性质；5）为什么同频相关、不同频不相关？（21）信号的功率谱分析1、试验目的：1）掌握信号进行功率谱分析的原理；2）熟悉典型信号的自功率谱；3）熟悉不同典型信号之间的互功率