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机本实验指导书范文 一、虚拟仪器简介测试技术课上介绍了各种物理量的测试方法。 传感器将温度、位移、加速度等被测量的物理量转变为电量；后续的仪器仪表对电信号进行处理、显示、记录、分析，使用户得到测量结果。 随着科学技术进步，越来越多的应用计算机作为测试仪器。 以通用的计算机为载体进行自动化测量与控制的系统叫做虚拟仪器，唐山学院测试实验室的检测仪表实验使用虚拟仪器。 典型的虚拟仪器结构如图1所示。 图1典型的虚拟仪器结构由于传感器的电信号一般比较微弱，并且常常混有噪音，所以用信号调理器对电信号进行放大、滤波等预处理；然后数据采集卡将模拟电信号转换为计算机能够处理的数字信号；应用程序读取数字信号，进行显示、分析、存储和传输。 由虚拟仪器的结构可以看出，虚拟仪器的硬件可以完成各种测试系统通用的任务，例如信号的放大、滤波、A/D转换等；而不同的测试系统特有的任务由软件来完成，也就是说改变测试任务只需要改变软件。 因此采用虚拟仪器技术构建测试系统可以实现更丰富的功能，得到更高的性价比。 虚拟仪器应用程序的开发平台有很多种，但是目前最流行的就是美国National Instruments（简称NI）公司的LabVIEW。 用LabVIEW作为虚拟仪器开发平台的最大优势就是程序开发效率高，这主要是由于它提供了几乎所有经典的信号处理函数和大量现代的高级信号分析函数，这些函数用图标的方式提供给用户；使用者采用图标与连线的方式，可以像画电路板一样编写程序，非常形象直观，又便于修改和移植。 此外LabVIEW程序非常容易和各种数据采集硬件集成，还可以和多种主流的工业现场总线通讯以及与大多数通用标准的数据库链接。 根据经验，使用LabVIEW开发虚拟仪器比使用基于文本的语言开发效率可以提高大约10倍；同时LabVIEW在信号处理等方面的强大功能又远非组态软件可比。 LabVIEW程序分为前面板和程序框图两部分。 前面板是用户接口，用于向程序中输入各种控制参数，并以数字或图形等各种形式输出测试结果。 我们可以把它想象为传统仪器的面板，面板上自然会有表头、按钮、拨盘等各种元件。 程序框图是程序的源代码，我们可以把它想象为传统仪器机箱里用来实现仪器功能的零部件。 LabVIEW程序使用图形语言，它的程序源代码就是一些图标和连线，叫做图形代码；和显示图形代码的窗口叫程序框图。 由前面板切换到程序框图的方法是使用快捷键。 开发LabVIEW程序所需要的各种工具都在工具选板中。 按住键在VI前面板或程序框图的空白处击一下右键弹出图2所示的工具选板。 主要工具的功能见被测对象计算机传感器信号调理器数据采集卡应用软件下表。 设计虚拟仪器前面板所需要的各种控件在控件选板中。 在前面板上空白处单击一下右键，会出现图3所示的控件选板，选板上每一个图标代表一个二级子选板，图标下面的各个文本项等价于图标的作用。 调用控件的方法是把光标移动到控件上点一下，这个控件就“粘”到了光标上，把光标移动到目的地再点击一下，这个控件就落到前面板上。 构造程序框图所需要的各种元件都在函数选板中。 在程序框图空白处击一下右键，会出现图4所示的函数选板。 从函数选板调用元件的方法与控件选板类似。 下面我们创建一个自己的LabVIEW程序，即一个“VI”。 这个VI将产生一个信号并显示在虚拟仪器面板上。 1.启动LabVIEW图标工具名称操作值定位/选择用于选中、移动对象或改变对象大小。 文本用于输入各种控件所需要的数字或字符值。 进行连线通过连线建立程序框图中各个对象之间的数据传递关系。 设置颜色用来为控件、前面板、程序框图设置颜色。 功能用于为前面板各种输入控件和显示控件赋值。 图2工具选板图3控件选板图4函数选板启动LabVIEW后出现图5所示的“启动”窗口。 图5启动窗口2.新建VI在启动窗口中点击“新建”项，出现图6所示的“新建”窗口。 图6新建窗口为了方便用户，LabVIEW提供了一些常用VI的模板，这些模板在“新建”窗口中列出。 在“新建”窗口左侧选择某一个模板，右侧的说明栏便出现选中VI模板的程序框图预览和关于这个VI模板的说明。 现在我们在“新建”窗口选中“基于模板使用指南（入门）生成和显示”，然后点击“确定”钮，即出现图7所示的程序前面板。 3.运行VI程序前面板最上方是标题栏，标题栏下面是菜单栏，菜单栏下面是工具条，光标移动到工具条某一个按钮上时会弹出这个工具的标签。 工具条上的运行钮用来让程序执行一次，点击这个钮使程序运行，可以看到前面板的图形显示控件上出现一条正弦曲线；而运行钮此刻变为现在点击一下前面板上“停止”按钮让程序停止下来。 形状，同时中止执行钮由暗变亮。 图7“生成和显示.VI”的前面板以上是由模板创建VI的方法，如果模板中没有适用的VI，也可以由一个空白的VI着手建立自己的应用程序。 创建空白VI的方法是在图5所示启动窗口上的“新建”栏中点击“VI”。 4修改VI打开程序框图，双击仿真信号.VI的图标，弹出“配置仿真信号”对话框，将信号类型选择为“三角”，选中“添加均匀”。 在这个对话框中可以看到信号的预览，点击“确定”钮。 按住键在程序框图的空白处击一下右键弹出工具选板。 移动连线工具到“仿真信号”图标上左侧的输入端口附近，当显示这个端口的标签时右击弹出快捷菜单选择“创建输入控件”命令，给“频率”、“幅值”和“噪声幅度”三个端口创建输入控件。 运行VI，在前面板上即可以通过控件控制仿真信号的一些主要属性。 实验 一、位移测试与测试系统标定实验 一、实验目的1.了解导电塑料位移传感器的特性。 2.掌握测试系统静态特性的标定方法。 二、实验内容1.进行线位移测试。 2.求出位移测试系统的线性度、滞后度和灵敏度。 三、实验原理位移测试在工程实践中应用广泛。 位移测试分线位移和角位移测试。 1.位移测试的虚拟仪器硬件结构进行位移测试的虚拟仪器硬件组成如图1所示。 图1位移测试虚拟仪器硬件结构图中位移传感器采用导电塑料电位计。 导电塑料电位计因为没有线绕而使特性变化是连续的。 而且能够通过修磨边缘的方法提高线性度。 位移传感器的后接电路采用电阻分压电路，如图2所示。 图中U0是信号调理卡提供的2.5伏激励电压；S是电刷的位移；Rs是S段电位计及导线电阻；RL是测试电路的电阻；R是为了减小RL的负载效应而串联在负荷电路中的可变电阻器，它的电刷与电位计电刷连动，构成双电刷电位计，可以进一步消除非线性误差。 U是传感器输出的电压信号，接入信号调理卡。 图2位移传感器电路信号调理卡为美国NI公司SC-2043-SG信号调理卡。 SC-2043-SG主要为应变调理设计，本次实验用它为传感器提供激励电压和进行信号转接。 位移传感器安装在传感器实验台上，信号调理卡安装在信号调理箱内。 2测试系统静态特性位移传感器信号调理卡计算机数据采集卡描述测试系统静态特性的主要指标有线性度、滞后度、灵敏度和分辨率等。 （1）线性度线性度是测试装置输出、输入之间保持常值比例关系的程度。 在静态测试情况下，通过实验来确定的被测试实际值x与测试装置示值y之间函数关系的曲线称为校准曲线。 为了使用简便而替代校准曲线的直线称为拟合直线。 线性度可以用校准曲线与拟合直线的最大偏差来表示。 也可以用相对误差来表示，即式中为测试系统满量程输出范围。 确定拟合直线的方法有多种。 其中最小二乘法拟合直线精度最高，它的基本含义是校准直线上各数据点与拟合直线间的残差平方和2i1niB=?最小。 （）回程误差回程误差也称为滞后度。 它反映实际测试系统当输入量由小增大和由大减小时，对于同一个输入值，将得到不同大小的输出。 式中H为前进和回程最大偏差。 （3）灵敏度灵敏度是测试系统输出的变化量y对输入的变化量x的比值。 一般用拟合直线的斜率作为该装置的灵敏度。 (a)校准曲线与非线性度(b)滞后度图3系统静态特性指标 四、实验方法位移测试实验程序前面板如图4所示。 )1(%100=AB线性误差)3(xyxy=灵敏度)2(%100=AH回程误差图4位移测试程序前面板检查线位移传感器和标尺、指针是否完好，按颜色对应关系正确连接信号线。 打开信号调理器电源开关。 运行线位移测试程序。 在线位移测试程序前面板中输入实验人姓名或学号。 使电位计电刷推杆指针指向标尺0位，若当前位移值读数不为0，按一下“复位”键。 移动推杆使指针指向标尺50mm刻度，调整程序前面板上的“比例系数”，使程序中读出的位移值接近50，然后将推杆返回0位。 实验中用标尺读数值代替被测试实际值x，作为测试装置的输入值。 移动电位计电刷推杆，按标尺刻度从0到100毫米每10毫米读一次当前位移值，填入实验数据记录表中，读数同时在程序前面板中输入标尺示值，然后按一下“记数”键。 将电位计电刷推杆移动到终点后，将选择测试方向的“前进回程”键拨动到回程位置，再从100毫米到0反向测试一遍。 按下“显示测试结果”键，查看测试曲线和测试值。 五、实验报告要求1.填写实验数据记录表2.画出线性度曲线和滞后度曲线。 表1位移测试实验数据表前进输入输出0102030405060708090100表2位移测试实验结果最大偏差差序号1234567891011回程输入10090807060504030xx0输出线性误差回程误进回最大偏差灵敏度实验 二、应变测试实验 一、实验目的1.掌握虚拟仪器的应变测试方法。 2.了解电阻应变片和压力传感器特性。 3.了解全桥与半桥测试电路电压输出的特点。 4.了解等强度梁的特点。 二、实验内容1.进行悬臂梁应变测试。 2.进行压力测试。 三、实验原理应变测试是研究构件应力状态的重要手段，通过应变测试还可以了解构件的变形；应变测试的方法也可以推广到与应变有密切关系的其它机械量测试。 本次实验用的应变测试虚拟仪器硬件组成如图1所示。 图1应变测试的虚拟仪器结构电阻应变片将被测对象的变形转换为电阻值的变化，根据测试的具体要求可以选择不同种类的电阻应变片和不同的布置与组桥方式。 本次实验用BF120-5AA型电阻应变片，平行粘贴在传感器实验台的等强度悬臂梁上距中性层距离相等的上下两面，如图2所示。 图中悬臂梁厚4mm。 图2应变测试悬臂梁结构应变片信号调理卡计算机数据采集卡根据材料力学理论，应变值式中P载荷（N）；X载荷作用点到应变测量点的距离(m)；Y力的作用点到构件中性层的距离(m)；E材料的弹性模量（109Pa）；b应变测量点的构件宽度(m)；h应变测量点的构件高度(m)。 (a)全桥(b)半桥图3应变测试电路全桥测试电路如图3(a)所示，图中“EX”是信号调理卡提供的2.5V激励电压，信号分别连接到信号调理卡0通道“CH (0)+”和“CH (0)-”输入端。 半桥测试时用图中应变片R5和R6接入电桥相邻两臂组成应变测试电路，如图3(b)所示。 图中VEX是信号调理器提供的2.5V激励电压；Rc是信号调理器提供的组桥电阻。 “CH (1)+”是信号正极，接信号调理器1通道正极；“CH (1)-”是信号负极，在信号调理器内部引到信号调理器1通道负极。 当变形构件变形产生应变时，应变片的电阻变化率为式中K为应变片的灵敏度系数。 全桥测试的电压信号为半桥测试的电压信号为实际测试时由于构件变形前各种原因造成的电桥不平衡，使得Vsg00，因此实际的应变计算公式要比式 （3）和式 （4）复杂一些。 LabVIEW软件开发环境提供的应变转换子程序Convert StrainGauge Reading可以根据初始电压、组桥方式、激励电压、应变片灵敏度系数等参数将信号电压转换为应变值。 求出构件应变后，根据它的几何尺寸和材料力学公式，很容易得到它的挠曲轴)3(EXEXfsgVKVRRV=)1(12Ebh3PxyEIPxy=)2(KRR=)4(212EXEXsghVKVRRV=表达式和挠度值。 压力传感器安装在压力信号发生器上，压力信号发生器内部装有压力可调的液体，同时有指针式压力表便于观察对照。 计算机软件根据采集的电信号和传感器出厂标定数据计算得到压力值。 四、实验方法1.应变测试图4应变测试实验程序前面板检查应变片是否完好，按照颜色对应关系正确连接信号线。 打开信号调理器电源开关。 运行应变测试程序，在前面板上输入应变片灵敏系数“2.16”；激励电压“2.5”。 在悬臂梁上挂好花篮（挂架外边缘与梁端对齐），按一下“置零”键。 逐个加砝码（每个400克），观察应变值随时间变化的曲线和挠曲轴，分别读取半桥和全桥电压值、应变值、最大挠度值，记入实验数据记录表。 实验完成后将砝码全部取下，关闭信号调理箱电源。 2压力测试图5压力测试实验程序前面板检查压力传感器和压力信号发生器是否完好，按照颜色对应关系正确连接信号线。 打开信号调理器电源开关。 运行压力测试程序。 根据传感器出厂标定数据在程序前面板输入“输出灵敏度”、“零点输出”和“量程”参数。 转动压力信号发生器手轮进行加压，观察压力表显示值，每0.2MPa记录一次数据。 注意加压不要超过2MPa。 五、实验报告要求1填写应变测试实验数据表2全桥测试与半桥测试的信号电压变化有何不同？3.全桥测试与半桥测试的应变值是否相同，为什么？4.填写压力测试实验数据表表10-4-1应变测试实验数据表序号砝码重量(g)电压值（mV）测试应变值（10-6）测试最大挠度（mm）(全桥)理论计算应变值（10-6）半桥全桥半桥全桥半桥全桥123456表10-4-2压力测试实验数据表压力表示值（MPa）00.20.40.60.811.21.41.61.82程序读数（MPa）实验 三、振动测试实验 一、实验目的1.了解压电晶体加速度传感器原理及性能。 2.掌握虚拟仪器的振动测试方法。 3.掌握测试信号的频率域分析方法。 4.了解网络化测试功能。 二、实验内容1.测试悬臂梁的振动加速度、速度和位移振幅。 2.测试悬臂梁的振动频率。 3.测试悬臂梁的固有频率。 三、实验原理1振动测试简介机械振动是各种机器工作过程中经常发生的现象，振动问题是工程测试领域一个十分重要的研究课题。 但工程实践中复杂的振动现象并非都能通过理论分析得出可靠结果，此时往往需要求助于实验手段；而且理论分析结果的正确性也需要通过实践来验证，这就使振动测试在振动研究中占有重要地位。 根据被测试对象状态可以将振动测试分为两类。 一类是测试存在振动的对象某些点的位移、速度和加速度，在时域中得出振动的强度；通过频谱分析估计振动的根源，用于故障诊断与分析。 这类测试本身相对并不复杂，但后续的处理涉及到更多的理论问题，不属于本次实验的内容。 另一类是对结构施加激励使其振动，通过振动测试研究结构的力学动态特性。 本次实验进行这一类测试2.振动测试系统硬件结构图1振动测试系统硬件结构振动测试实验系统硬件结构如图1所示。 计算机产生一个频率连续变化的正弦激励信号，通过数据采集卡进行D/A转换后输出，经功率放大器送到激振器，使被测悬臂梁产生受迫振动。 用压电晶体加速度传感器拾取被测梁的振动信号。 采用内置电荷转换电路的传感器，将对应振动加速度的电荷量转变为电压信号并放大后传递到数据采集卡。 这种传感器需要恒流源激励。 为了增加学生参与实验的机会而不过多增加设备投资，这个实验设计为基于计算机网络的实验。 进行振动实验的测试实验室计算机网络可以是校园网的一部分，要求它在逻辑上是一种总线型结构，采用广播网传输技术。 实验室中任何一台计算机发出的消息都能被所有计算机接收到。 这样当教师机运行振动测试服务器程序，采集被测对象加速度信号传输到计算机网络以后，同学只要在自己的振动测试程序中准确填写教师机的IP地址或网络标识名，就可以象自己的机器采集数据一样完成振动测试实验。 振动测试实验台如图2所示，这个实验台还可以进行应变测试、压力测试、线位移测试、角位移测试、温度测试等实验。 图2振动实验台按照瑞利近似解法，梁的一阶固有频率理论计算公式为式中E梁的材料弹性模量（210GPa）；I梁的截面惯性矩；（梁截面宽30mm，高4mm）；L梁的长度（350mm）；M传感器的质量（0.0484kg）；ms梁的质量；二阶固有频率可以用一阶固有频率乘以系数6.36。 实验中用共振频率近似代替被测系统的固有频率。 在扫频激振过程中记录被测梁的振动频率与对应的加速度振幅，得到其幅频特性曲线。 幅频特性曲线峰值处就是实际测试的共振频率，如图3中的f0所示。 实验中可以求出1阶和2阶固有频率。 )1(140333213?+=snmmlEIf图3幅频特性曲线 四、实验方法振动测试实验客户端程序前面板上两个波形图分别显示振动的时域信号和频谱。 图例上不同的颜色分别显示加速度、速度和位移。 时标控件改变显示的数据点间隔，以便于观察波形。 图4振动测试实验客户端程序前面板压电加速度传感器通过磁座吸附在被测点上。 振动测试服务器程序启动后将采集被测梁加速度信号传输到计算机网络。 参加实验的同学在振动测试客户端程序面板“数据传输地址”中填写服务器的IP地址DSTP10.10.21.19wave，即可读出被测对象的振动加速度、速度和位移量以及频率值。 在共振频率附近记录频率和振幅值。 共振频段参考值一阶(14Hz28Hz),二阶(128Hz142Hz)。 每段记录15对数据。 五、实验报告要求1.填写实验数据记录表。 振动实验数据表2.绘制梁的幅频特性曲线。 3.根据幅频特性曲线求出梁的 一、二阶固有频率；按式 (1)计算梁的固有频率与测试结果进行比较。 一阶（14Hz28Hz）序号频率123456789101112131415幅值二阶（128Hz142Hz）序号频率幅值实验 四、相关分析实验 一、实验目的1.掌握互相关分析原理。 2.掌握自相关分析原理。 3.掌握互相关函数的测试方法。 4.掌握自相关函数的测试方法。 二、实验内容1.测试两个正弦信号的互相关函数。 2.测试4种典型信号的自相关函数。 三、实验原理相关是指两个变量之间的线性关系。 相关分析是分析两个信号之间关系或一个信号在一定时移前后之间关系的重要工具。 在实际工程领域，相关测速、相关滤波和利用相关原理探测管道破裂点、识别信号类别成分等得到广泛应用。 相关函数可以用相关分析仪测量。 相关分析仪有模拟式和数字式两种。 使用LabVIEW提供的函数可以构建一台数字式的相关分析仪。 两模拟信号x(t)和y(t)做数字化处理以后，它们的相关函数表达形式应为1lim1Ni=式中N沿时间轴的总采样数；i沿时间轴的采样序数；r间断时移值。 作为有限长采样的相关函数估计为用这一公式做离散相关的步骤是 （1）取r=0，将所有对应采样点的x(i)和y(i)相乘； （2）将所有乘积相加； （3）以总采样点数做平均。 得到相关函数的一个值Rxy (0)。 （4）取r=1，将所有对应采样点的x(i)和y(i)相乘，然后相加、平均，得到Rxy (1)。 依次取r=2，r=3，按以上步骤重复计算得到相关函数的各个值。 在x(i)和y(i)二离散序列长度相等时，计算Rxy (0)可以用全部计算长度数据来计算，而下一步计算时因y(i)做一步时移，使可提供计算的序列长度由N变为N1。 且随时移增大，可提供计算的序列长度越来越短，所以互相关函数的估值应为()r)1(),.,2,1,0()()(mrriyixRNNxy=+=()r)3()()(11riyixrNRNixy+?=()r)2()()(11riyixNRNi=xy+=与此类似，自相关函数的估值为LabVIEW在“信号处理信号运算”函数子选板中提供了求互相关的VICrossCorrelation，它所用的算法为求自相关的VIAutoCorrelation所用的算法为式（10-2-5）和式（10-2-6）的算法仅适用于确定性信号中的瞬态信号，所以在一般情况下还需要加以修正。 四、实验方法图1是互相关函数实验程序的前面板。 前面板中时域信号图形显示控件的时间轴设置为01024，幅值轴设置为自动调整Y标尺；互相关函数图形显示控件的时移轴设置为-100100，幅值轴设置为自动调整Y标尺。 图1互相关函数实验程序前面板图2互相关函数实验程序框图图2是互相关函数实验的程序框图。 图中和是“信号处理信号生成”函数子选板中的“正弦波”VI，这两个VI用来产生正弦信号。 正弦波VI的“频率”参数是数字频率，等于模拟频率除以采样率，程序中设采样率等于2048；“采样”()r)4()()(11rixixrNRNi=xx+?=()r)5()()(1riyixRNixy+=()r)6()()(1rixixRNixy+=参数是样本数，程序中设为1024；“相位输入”参数是用度表示的相位；幅值“amplitude”设为1。 是互相关函数。 是Modi CorrelationVI。 运行程序。 两个通道选