内科大电子测试技术实验指导

PAGEPAGE38机械工程学院专业实验室2015年10月目录实验一信号时域频域分析…….2实验二测试系统静态特性测定………………10实验三电阻应变电桥性能比较及动态应变测量……………14实验四不同材质对电涡流传感器的影响……1822912实验五机械振动测量及分析…………………20实验六转子轴心轨迹测量……27附录：转子实验台简介……….30数字式应变仪采集软件使用说明…….32实验一信号时域频域分析（一）典型信号的时域波形分析一、实验目的信号时域分析又称为波形分析或时域统计分析，它是通过信号的时域波形计算信号的均值、均方值、方差等统计参数。信号的时域分析很简单，用示波器、万用表等普通仪器就可以进行分析。通过本实验熟悉时域参数的识别方法，能够从信号波形中观测和读取所需的信息，也就是具备读波形图的能力。二、实验原理图1-1是一些典型信号的波形图，熟悉它们的波形特点对实际信号进行分类。简单周期信号简单周期信号复杂周期信号瞬态信号噪声信号(平稳)噪声信号(非平稳)准周期信号图1-1典型信号波形信号时域波形参数和统计参数识别信号的周期、峰值等时域波形参数依据信号的波形特征进行识别，可以直接从示波器上读取，如图1-2所示：图1-2信号时域波形参数识别图中T为信号周期，P为信号峰值，Pp-p为信号双峰值。信号的均值、均方值、方差等统计参数无法直接从信号波形图上读出，需要用公式进行计算，它们的离散计算公式分别为：a)均值(b)均方值(c)方差按数学公式编程，对采样数据进行计算就可以得到信号的统计参数。三、实验内容正弦波、方波、三角波、噪声等波形，从图上直接读取信号峰值、周期、均值、均方值、方差等统计参数四、实验仪器和设备1.计算机1台2.DRVI快速可重组虚拟仪器平台1套五、实验步骤运行DRVI主程序，点击“进入《工程测试技术实验学习教程》”，在软件菜单中，选择信号分析基础类型序号7典型信号的时域波形分析实验，如图1-3所示。图1-3典型信号的时域波形分析2选择不同波形，用鼠标调整右边的频率、幅值，记录统计参数。六、实验报告要求简述实验目的和原理。拷贝实验系统运行界面，插入到Word格式的实验报告中。（二）典型信号的频谱分析一、实验目的熟悉典型信号的频谱特征，并能够从信号频谱中读取所需的信息。了解信号频谱分析的基本原理和方法，掌握用频谱分析提取测量信号特征的方法。二、实验原理信号频谱分析是采用傅里叶变换将时域信号x(t)变换为频域信号X(f)，从而帮助人们从另一个角度来了解信号的特征。图1-4时域分析与频域分析的关系信号频谱X(f)代表了信号在不同频率分量成分的大小，能够提供比时域信号波形更直观，丰富的信息。时域信号x(t)的傅氏变换为：(1)式中X(f)为信号的频域表示，x(t)为信号的时域表示，f为频率。图1-5信号的频谱表示方法工程上习惯将计算结果用图形方式表示，以频率f为横坐标，X(f)的实部和虚部为纵坐标画图，称为时频－虚频谱图；以频率f为横坐标，X(f)的幅值和相位为纵坐标画图，则称为幅值－相位谱；以f为横坐标，A(f)2为纵坐标画图，则称为功率谱，如图所示。图1-5信号的频谱表示方法频谱是构成信号的各频率分量的集合，它完整地表示了信号的频率结构，即信号由哪些谐波组成，各谐波分量的幅值大小及初始相位，揭示了信号的频率信息。三、实验内容1.白噪声信号幅值谱特性；2.正弦波信号幅值谱特性3.方波信号幅值谱特性；4.三角波信号幅值谱特性5.正弦波信号＋白噪声信号幅值谱特性四、实验仪器和设备1.计算机1台2.DRVI快速可重组虚拟仪器平台1套五、实验步骤1运行DRVI主程序，点击“进入《工程测试技术实验学习教程》”，在软件菜单中，选择信号分析基础类型序号9典型信号的频谱分析与应用实验。图1-6典型信号的频谱分析2选择不同波形，用鼠标调整右边的频率、幅值，用鼠标读取各谱线的频率和幅值并记录，拷贝图形。六、实验报告要求1、简述实验目的和原理。2、拷贝实验系统运行界面，插入到Word格式的实验报告中。七、思考题与时域波形分析相比，频谱分析的主要优点是？为何白噪声信号对信号的波形干扰很大，但对信号的频谱影响很小。（三）频率混叠和采样定理一、实验目的熟悉信号采样过程，并通过本实验观察欠采样时信号频谱的混迭现象。了解采样前后信号频谱的变化，加深对采样定理的理解，掌握采样频率的确定方法。二、实验原理模拟信号经过A/D变换转换为数字信号的过程称之为采样，信号采样后其频谱产生了周期延拓，每隔一个采样频率ωs，重复出现一次。1.频混现象频混现象又称为频谱混叠效应，它是由于采样信号频谱发生变化，而出现高、低频成分发生混淆的一种现象，如图1所示。信号x(t)的傅里叶变换为X(ω)，其频带范围为-ωm~+ωm；采样信号x(t)的傅里叶变换是一个周期谱图，其周期为ωs，并且：ωs=2π／TsTs为时域采样周期．当采样周期Ts较小时，ωs＞2ωm，周期谱图相互分离如图1-7（b）所示；当Ts较大时，ωs＜2ωm，周期谱图相互重叠，即谱图之间高频与低频部分发生重叠，如图1中(c)所示，此即为频混现象，这将使信号复原时丢失原始信号中的高频信息。图1-7采样信号的频混现象下面从时域信号波形来看这种情况。图1-8(a)是频率正确的情况，以及其复原信号；(b)是采样频率过低的情况，复原的是一个虚假的低频信号。图1-8发生频混现象的时域信号波形当采样信号的频率低于被采样信号的最高频率时，采样所得的信号中混入了虚假的低频分量，这种现象叫做频率混叠。2.采样定理上述情况表明，如果ωs＞2ωm，就不发生频混现象，因此对采样脉冲序列的间隔Ts须加以限制，即采样频率ωs（2π／Ts）或fs(1／Ts)必须大于或等于信号x(t)中的最高频率ωm的两倍，即：ωs＞2ωm，或fs＞2fm。为了保证采样后的信号能真实地保留原始模拟信号的信息，采样信号的频率必须至少为原信号中最高频率成分的2倍。这是采样的基本法则，称为采样定理。需要注意的是，在对信号进行采样时，满足了采样定理，只能保证不发生频率混叠，对信号的频谱作逆傅立叶变换时，可以完全变换为原时域采样信号，而不能保证此时的采样信号能真实地反映原信号。工程实际中采样频率通常大于信号中最高频率成分的3到5倍。三、实验内容设计一模拟信号：x(t)=800sin(2π*500*t)。在100Hz-5000Hz的范围内用不同的采样频率对信号进行采样，观察采样信号频谱的频率混迭现象。四、实验仪器和设备1.计算机1台2.DRVI快速可重组虚拟仪器平台1套3.打印机1台五、实验步骤1、运行DRVI主程序。2、在实验目录中选择“频率混叠和采样定理”实验，从键盘输入不同大小的采样频率，点击“计算”按钮，观察时域中信号混迭情况。图1-9频率混叠和采样定理3.点击右上角数字2，鼠标调整测量信号的频率，（采样频率固定为5120HZ），观察频谱的变化，说明采样定理的作用。图1-10采样定理六、实验报告要求1简述实验目的和原理，根据实验要求整理该实验的原理设计图。2按实验步骤附上相应的信号波形和频谱曲线，说明采样频率的变化对信号时域和频域特性的影响，总结实验得出的主要结论。3拷贝实验系统运行界面，插入到Word格式的实验报告中。七、思考题什么是频率混叠？为什么在实际测量中采样频率通常要大于信号中最高频率成分的3到5倍？（四）悬臂梁振动信号测量一、实验目的通过本实验了解和掌握用脉冲激振方法测量机械结构固有频率和阻尼系数的方法。二、实验原理悬臂梁实验台架由底座、悬臂梁、加速度传感器、激振锤等构成。悬臂梁结构总体尺寸为120×110×150mm(长×宽×高)。可进行悬臂梁固有频率和阻尼系数的测量。图1-11悬臂梁实验台实验时通过激振锤敲击悬臂梁，产生脉冲激振，通过安装在悬臂梁上的加速度传感器获取悬臂梁受瞬态激励后输出的振动信号波形（信号触发采样方式），经信号调理设备处理后，通过数据采集仪输入计算机中，从悬臂梁脉冲响应信号波形或信号功率谱就可以测量出悬臂梁的固有频率和阻尼系数。图1-11悬臂梁实验台三、实验仪器和设备1.计算机１台2.DRVI快速可重组虚拟仪器平台1套3.悬臂梁实验台1套4.USB数据采集仪1台四、实验步骤1.实验台选择开关拨到“模块IV”位置。(禁止带电从采集仪上插拔传感器，否则会损坏采集仪和传感器)2.开启DRDAQ-USB型数据采集仪电源。3.运行DRVI主程序，在实验目录中选择“悬臂梁固有频率测量实验”。点击“测量”4.用力锤冲击悬臂梁，得到振动时域波形及频谱图。图1-12悬臂梁固有频率测量实验5.移动光标，读取和计算出悬臂梁的固有频率和阻尼（参考二阶系统动态响应特性参数测定实验）。五、实验报告要求简述实验目的和原理。拷贝实验系统运行界面，插入到Word格式的实验报告中。解释时域、频谱波形。实验二测试系统静态特性测定（一）力传感器标定及称重实验一、实验目的通过本实验让学生了解用应变片测力环制作电子称进行物品承重，掌握对称重实验台进行定标和测量误差修正的方法。二、实验内容和原理DRCZ-A型称重台由应变式力传感器、底座、支架和托盘构成，如图2-1所示。其中，力传感器由测力环和4个应变片构成的全桥电路组成。当物料加到载物台后，4个应变片会发生变形，通过电桥放大后产生电压输出。图2-1称重实验台结构示意图DRCZ-A型称重台具有精度高、复现性好的特点。需要特别强调的是：由于力传感器的过载能力有限（150%），所以，在实际使用过程中应尽量避免用力压传感器的头部或冲击传感器。否则，极易导致传感器因过载而损坏！电阻应变片是利用物体线性长度发生变形时其阻值会发生改变的原理制成的，其电阻丝一般用康铜材料，它具有高稳定性及良好的温度、蠕变补偿性能。测量电路普遍采用惠斯通电桥（如图2-2所示），利用欧姆定律，测试输出量是电压差。图2-2电阻应变片惠斯通电桥测量电路

本实验采用的电阻应变计采用的是惠斯通全桥电路，当物料加到载物台后，4个应变片会发生变形，产生电压输出，经采样后送到计算机由DRVI快速可重组虚拟仪器平台软件处理。因为电桥在生产时有一些误差，不可能保证每一个电桥的电阻阻值和斜率保持一致。所以，传感器在使用之前必须要经过线性校正，这是由于计算机得到的是经过采样后的数字量，与真实质量之间是一种线性关系，需要由标定来得到这个关系。三、实验器材1.DRVI可重组虚拟实验开发平台 1套2.数据采集仪（DRDAQ-EPP2） 1套3.开关电源（DRDY-A） 1套4.称重台（DRCZ-A） 1台5.砝码 1盒6.计算机 1台7.转子实验模块 1套四、操作方法与实验步骤将称重台的传感器输出线连接模块对应的通道上（通道）。开启DRVI数据采集仪电源，启动电脑，运行DRVI主程序，点击DRVI菜单栏中的虚拟仪器样例，在弹出的下拉菜单中选择“多功能转子实验台”实验脚本。在实验目录中选择“转子实验台—力传感器标定及称重实验”实验，如图2-3所示。图2-3力传感器标定及称重实验首先进行传感器的标定：用标准砝码测定K，b值，取两个点（即分别用两个不同的砝码），计算出K，b的值作为标定结果。具体操作过程为：点击面板上的“运行”按钮，载物台上不放砝码（空载），输入“0（或其他值）”到“x1值”输入框中，然后点击“标定1”按钮记录下第一点的值；改变砝码的质量，比如放置一个100克砝码到载物台上，输入“100”到“x2值”输入框中，然后点击“标定2”按钮记录下第二点的值；再点击“标定结果”按钮，得到K，b标定值。标定完毕，即可进行物体测量。将所测物体放在载物台上，然后点击“实测质量”按钮，得到被测物体质量值。再改变质量块的大小，观察和分析计算结果。五、实验数据根据实验内容整理实验结果，并分析和说明其检测原理。六、实验结果与分析分析测量误差。应用于称重的传感器还有那些？简述其工作原理。七、问题与建议传感器的称重或测量不超过2Kg的力（平稳，不含过强冲击）。不要冲击传感器或在其上施加过大的力，以免因过载而损坏传感器。（二）直线电阻传感器标定实验一、实验目的掌握直线电阻式传感器的标定方法与步骤。二、实验内容和原理传感器标定的基本方法是将已知的被测量（亦即标准量）输入给待标定的传感器，同时得到传感器的输出量；对所获得的传感器输入量和输出量进行处理和比较，从而得到一系列表征两者对应关系的标定曲线，进而得到传感器性能指标的实测结果。三、实验器材1.计算机 1台2.DRVI快速可重组虚拟仪器平台 1套3.距离与位移试验台 1套4.运动控制箱 1套5.光栅尺(KA-300） 1套四、操作方法及实验步骤1.打开运动控制箱电源按钮，电源指示灯（绿色）亮表示供电正常，同时运动控制箱上的数显表上显示当前光栅尺的位置值。2.启动计算机，运行DRVI主程序，选择DRVI工具栏中虚拟仪器样例，在弹出的下拉菜单中选择“距离位移实验台”实验脚本。图2-4直线位移传感器标定3.在实验目录中选择“距离位移实验台—直线位移传感器标定”实验。如图2-4所示。点击“启/停”按钮启动实验脚本开始运行。在模式多联开关中可以选择电机的运行模式，方向多联开关中选择运行方向，驱动按钮执行驱动命令。4.实验过程中选择合适的驱动模式与驱动速度，点击驱动选择相距较远的2个点，分别点击标定1与标定2，最后点击标定结果。运算出线性标定中的K、B参数值，记录到实验报告中。5.线性标定完成后，同第3步骤中驱动电机的方法，驱动电机并记录下转换值，最后与光栅尺的标准值进行误差分析。五、实验结果与分析根据记录下来的实验数据，分别分析直线电阻传感器的线性度、误差产生的原因等。实验三电阻应变电桥性能比较及动态应变测量一、实验目的1、正确掌握各种组桥方法；2、深入理解电桥工作原理3、比较不同组桥之间关系；4学习动态应变信号测量方法二、实验内容1半桥叠加；2半桥抵消3全桥工作；4单臂测量5动态应变测量记录三、基本原理及实验仪器1原理电阻丝在外力作用下发生机械变形时，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：ΔR/R=Kε式中ΔR/R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数，ε=Δl/l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元件，通过它转换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，电桥的输出电压反应的受力状态。对单臂电桥输出电压U0=EKε/4。2实验仪器应变传感器模板、砝码、TS3861恒流式静态电阻应变仪、连接导线。应变式传感器已装于应变传感器模板上。传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1=R2=R3=R4=350Ω。加热丝也接于模板上，可用万用表进行测量判别，加热丝阻值为50Ω左右。图3-1应变式传感安装示意图四、实验步骤:1、单臂测量1.1将应变式传感器的其中一个应变片R1(即模板左上方的R1)作为一个桥臂与模板上R5、R6、R7电阻连接成直流电桥。用短导线连成电桥。1.2将静态电阻应变仪上的四芯连接导线A、B、C、D分别与电桥四个顶点连接。1.3静态电阻应变仪操作面板：左右键选择测点选择为“01”，上下键选择应变片电阻“3”（350欧姆）；上下键选择灵敏系数“200”。打开应变仪电源开关，1.4调电桥平衡。应变式传感器为空载下，可以交替按“测量”、“初值”键，最后按“测量”进入测量状态。仪器窗口显示为应变值，单位：微应变。1.5如仪器显示“HHHH”,表示电桥连接有问题，需检查所有的接线是否有问题，处理好后重复1.4步骤。1.6按表格加载并读数记录。注意:必须等载荷稳定后才能读数。图3-2应变式传感器电桥实验模板2、半桥叠加2.1应变式传感器电桥实验模板上选两枚应变片，组成半桥邻臂，并要求信号输出叠加，再与固定电阻组成一个完整电桥。2.2将静态电阻应变仪上的四芯连接导线A、B、C、D分别与电桥四个顶点连接。2.3静态电阻应变仪操作面板：左右键选择测点选择为“01”，上下键选择应变片电阻“3”（350欧姆）；上下键选择灵敏系数“200”。打开应变仪电源开关，2.4调电桥平衡。应变式传感器为空载下，可以交替按“测量”、“初值”键，最后按“测量”进入测量状态。仪器窗口显示为应变值，单位：微应变。2.5如仪器显示“HHHH”,表示电桥连接有问题，需检查所有的接线是否有问题，处理好后重复2.4步骤。2.6按表格加载并读数记录。注意:必须等载荷稳定后才能读数。3、半桥抵消3.1应变式传感器电桥实验模板上选两枚应变片，组成半桥邻臂，并要求信号输出抵消，再与固定电阻组成一个完整电桥。3.2将静态电阻应变仪上的四芯连接导线A、B、C、D分别与电桥四个顶点连接。3.3静态电阻应变仪操作面板：左右键选择测点选择为“01”，上下键选择应变片电阻“3”（350欧姆）；上下键选择灵敏系数“200”。打开应变仪电源开关，3.4调电桥平衡。应变式传感器为空载下，可以交替按“测量”、“初值”键，最后按“测量”进入测量状态。仪器窗口显示为应变值，单位：微应变。3.5如仪器显示“HHHH”,表示电桥连接有问题，需检查所有的接线是否有问题，处理好后重复3.4步骤。3.6按表格加载并读数记录。注意:必须等载荷稳定后才能读数。4、全桥测量4.1应变式传感器电桥实验模板上选四枚应变片组成电桥。4.2将静态电阻应变仪上的四芯连接导线A、B、C、D分别与电桥四个顶点连接。4.3静态电阻应变仪操作面板：左右键选择测点选择为“01”，上下键选择应变片电阻“3”（350欧姆）；上下键选择灵敏系数“200”。打开应变仪电源开关，4.4调电桥平衡。应变式传感器为空载下，可以交替按“测量”、“初值”键，最后按“测量”进入测量状态。仪器窗口显示为应变值，单位：微应变。4.5如仪器显示“HHHH”,表示电桥连接有问题，需检查所有的接线是否有问题，处理好后重复4.4步骤。4.6按表格加载并读数记录。注意:必须等载荷稳定后才能读数。5动态应变测量使用仪器：传感器与检测技术实验台、悬臂梁（已粘贴应变片并组成电桥）、数字式应变数据采集仪、计算机、Vib'SYS软件5.1将悬臂梁（传感器与检测技术实验台右下）应变电桥与数字式应变数据采集仪电桥盒连接。打开传感器与检测技术实验台电源（右上方），启动计算机。5.2将传感器与检测技术实验台低频振荡器输出电压插孔与悬臂梁（传感器与检测技术实验台右下）处低频输入插孔相连。5.3调节低频振荡器的频率旋钮、幅值旋钮，观察悬臂梁振动情况，注意不要使振动幅值过大，以免损坏悬臂梁。5.4运行计算机桌面Vib'SYS，采集记录动态应变波形。数字式应变仪采集软件使用说明参见附录32页或计算机桌面电子说明书。5.5分析应变波形（幅值、频率等），记录应变数据，保存应变测量波形。五、实验数据表3-1不同组桥原始记录数据电桥形式加载方式载荷(g)0载荷(g)20载荷(g)40载荷(g)60载荷(g)80载荷(g)100载荷(g)120载荷(g)140载荷(g)160载荷(g)180载荷(g)200半桥叠加加载卸载半桥抵消加载全桥测量加载卸载单臂测量加载卸载六、实验报告要求1、用作图软件画出单臂、半桥叠加、全桥测量三种情况下静态特性曲线，计算各自的灵敏度、非线性度。2、计算在100g载荷下梁所受的应力大小。（等强度梁的弹性模量E＝200GPa）3、分析比较各种组桥方式之间的关系。4、打印动态应变信号记录曲线，分析幅值、频率等信息。实验四不同材质对电涡流传感器的影响实验目的：1了解电涡流传感器的结构。2掌握电涡流传感器的工作原理。3掌握电涡流传感器的特性。二、实验原理：基于电涡流效应。通以高频电流的线圈产生磁场，当有导电体接近时，因导电体涡流效应产生涡流损耗，而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。三、需用器件与单元：电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、直流电源、数显单元、百分表、不同被测材料。四、实验内容电涡流传感器测量铜、钢、铝（分两种不同面积）材料四种情况下的输入输出特性。五、实验步骤：1、根据图4-1所示安装电涡流传感器。图4-1电涡流传感器安装示意图图4-2电涡流传感器位移实验接线图2、将电涡流传感器输出线接入实验模板上标有Ｌ的两端插孔中，如图4-2，作为振荡器的一个元件（传感器屏蔽层接地）。3、在测微头端部装上被测金属，作为电涡流传感器的被测体。4、将实验模板输出端V0与数显单元输入端Vi相接。数显表量程切换开关选择电压20V档。5、用连接导线从主控台接入＋15V直流电源到模板上标有+15V的插孔中。6、使测微头与传感器线圈端部接触，开启主控箱电源开关，记下数显表读数，然后每隔0.2mm读一个数，直到输出几乎不变为止。将结果列入下表。表4-1电涡流传感器给定位移X与输出电压U数据记录（正行程）正行程X(mm)0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.42.62.83.0钢U(v)铜U(v)铝U(v)小铝U(v)正行程X(mm)3.23.43.63.84.04.24.44.64.85.05.25.45.65.86.06.2钢U(v)铜U(v)铝U(v)小铝U(v)表4-2电涡流传感器给定位移X与输出电压U数据记录（逆行程）逆行程X(mm)6.26.05.85.65.45.25.04.84.64.44.24.03.83.63.43.2钢U(v)铜U(v)铝U(v)小铝U(v)逆行程X(mm)3.02.82.62.42.22.01.81.61.41.21.00.80.60.40.20.0钢U(v)铜U(v)铝U(v)小铝U(v)六、实验报告：1、根据上表数据，用作图软件画出三种不同材料下电涡流传感器静态特性曲线，2、分析三种不同材料下传感器线性测量范围，并进行线性回归（拟合），计算各自灵敏度、非线性度。实验五机械振动测量（一）加速度传感器振动测量一、实验目的通过本实验了解并掌握机械振动信号测量的基本方法。二、实验内容和原理YD-37加速度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。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。YD-37加速度传感器与DRBS-12-A型简易电荷放大器的综合灵敏度约是6080mV/m.s-2。机械在运动时，由于旋转件的不平衡、负载的不均匀、结构刚度的各向异性、间隙、润滑不良、支撑松动等因素，总是伴随着各种振动。在现代企业管理制度中，除了对各种机械设备提出低振动和低噪声要求外，还需随时对机器的运行状况进行监测、分析、诊断，对工作环境进行控制。为了提高机械结构的抗振性能，有必要进行机械结构的振动分析和振动设计。这些都离不开振动测试。振动测试包括两种方式：一是测量机械或结构在工作状态下的振动，如振动位移、速度、加速度、频率和相位等，了解被测对象的振动状态，评定等级和寻找振源，对设备进行监测、分析、诊断和预测。二是对机械设备或结构施加某种激励，测量其受迫振动，以便求得被测对象的振动力学参量或动态性能，如固有频率、阻尼、刚度、频率响应和模态等。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。三、实验器材计算机 1台DRVI快速可重组虚拟仪器平台 1套加速度传感器（YD-37） 1套数据采集仪（DRDAQ-EPP2） 1台开关电源（DRDY-A） 1套转子实验台（DRZZS-A） 1台转子实验模块 1套转子调速箱 1套四、操作方法及实验步骤振动测量实验，将加速度传感器通过配套的磁座吸附在转子实验台底座上，然后将其输出端连接到模块对应的接口上。开启DRVI数据采集仪电源，启动电脑，运行DRVI主程序，选择DRVI工具栏虚拟仪器样例，在弹出的下拉菜单中选择“多功能转子实验台”实验脚本。在实验目录中选择“转子实验台—加速度传感器振动测量实验”实验，如图5-1所示，启动电机，调整到一个稳定的转速，点击软件中“开关”按钮，观察和分析振动信号波形和频谱的变化情况并记录实验结果。图5-1实验脚本调节转速旋钮，调整电机转动速度，观察和分析所得到振动信号的波形和频谱。关闭电机，改变加速度传感器的测量位置，再次启动电机进行测量，观察和分析随着测量位置的改变，振动信号的波形和频谱的变化情况。五、实验数据简述实验目的和原理。整理和分析实验中得到的振动信号的数据。六、实验结果与分析用加速度传感器测量振动信号有何特点？加速度传感器频响范围、灵敏度是多少？分析时域、频域波形。（二）速度传感器振动测量一、实验目的通过本实验了解并掌握机械振动信号测量的基本方法。二、实验内容和原理CD-21振动速度传感器的基本原理是基于一个惯性质量（线圈组件）和壳体，壳体中固定有磁铁，惯性质量用弹性元件悬挂在壳体上工作时，将传感器壳体固定在振动体上，这样当振动体振动时，在传感器工资频率范围内，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，这就是振动速度传感器的工作原理。图5-2是CD-21振动速度传感器的内部结构示意图。图5-2型磁电式振动速度传感器结构示意图CD-21振动速度传感器的测量范围是10～1000Hz，灵敏度约是200mv/cm·s-1，并且灵敏度K也是随着振动频率的改变而改变的，这个数据需要参考传感器的检定证书。另外，随DRMU-ME-B型综合实验台提供的转子实验模块内对速度传感器的信号也进行了放大，放大器的增益是10倍。三、实验器材计算机 1台DRVI快速可重组虚拟仪器平台1套速度传感器（CD-21） 1套数据采集仪（DRDAQ-EPP2） 1台开关电源（DRDY-A） 1套5芯-BNC转接线 1条转子实验台（DRZZS-A） 1台转子实验模块 1套转子调速箱 1套三、操作方法与实验步骤将速度传感器通过配套的磁座吸附在转子实验台底座上，然后通过一根带五芯航空插头-BNC转接电缆连接到模块对应的接口上。开启DRVI数据采集仪电源，启动电脑，运行DRVI主程序，点击DRVI菜单栏中的虚拟仪器样例，在弹出的下拉菜单中选择“多功能转子实验台”实验脚本。在实验目录中选择“转子实验台—速度传感器振动测量实验”实验，如图5-3所示，启动电机，调整到一个稳定的转速，点击软件中“开关”按钮，观察和分析振动信号波形和频谱的变化情况并记录实验结果。图5-3实验脚本4. 调节转速旋钮，调整电机转动速度，观察和分析所得到振动信号的波形和频谱。5. 关闭电机，改变速度传感器的测量位置，再次启动电机进行测量，观察和分析随着 测量位置的改变，振动信号的波形和频谱的变化情况。四、实验数据简述实验目的和原理，根据实验原理和要求整理本实验的设计原理图。整理和分析实验中得到的振动信号的数据，并分析其结果。五、实验结果与分析用速度传感器测量振动信号有什么特点？速度传感器频响范围、灵敏度是多少？常用的振动信号测量方式有那些？（三）磁电传感器转速测量实验一、实验目的通过本实验了解和掌握采用磁电传感器测量的原理和方法。通过本实验了解和掌握转速测量的基本方法。二、实验内容和原理DRCD-12-A型磁电转速传感器采用了RS9001-1型无源磁电转速传感器作为敏感探头，为了适应采集卡对信号幅度的要求，在探头的处理电路中使用了限幅放大电路、比较器等电路，最后将幅值与转速成正比的类正弦（与发讯齿轮的齿形有关系）脉冲信号，处理成幅值在0～＋5V的方波信号。传感器的探头与转子实验模块通过BNC连接器连接，探头本身就是一个完整的RS9001-1型工业用无源磁电转速传感器。探头的工作信号可以接到模拟示波器上进行观察。据资料，RS9001-1型无源磁电转速传感器的测量范围在10～10000rpm（60齿），发讯齿轮的齿形最好是渐开线齿形，模数2～4。输出的波形是近似正弦波。如果使用大模数的齿轮或者用其他齿形将会产生巨大的波形畸变，妨碍精确测量。DRZZS-A型转子实验台的发讯齿轮齿数为16，为了安全的考虑，并没有将齿轮做成标准的渐开线齿形，而是做成了圆顶。磁电传感器的内部结构请参考图5-4，它的核心部件有衔铁、磁钢、线圈几个部分，衔铁的后部与磁性很强的磁钢相接，衔铁的前端有固定片，其材料是黄铜，不导磁。线圈缠绕在骨架上并固定在传感器内部。为了传感器的可靠性，在传感器的后部填入了环氧树脂以固定引线和内部结构。图5-4磁电传感器的内部结构使用时，磁电转速传感器是和测速（发讯）齿轮配合使用的，如图5-5。测速齿轮的材料是导磁的软磁材料，如钢、铁、镍等金属或者合金。测速齿轮的齿顶与传感器的距离d比较小，通常按照传感器的安装要求，d约为1mm。齿轮的齿数为定值（通常为60齿）。这样，当测速齿轮随被测旋转轴同步旋转的时候，齿轮的齿顶和齿根会均匀的经过传感器的表面，引起磁隙变化。在探头线圈中产生感生电动势，在一定的转速范围内，其幅度与转速成正比，转速越高输出的电压越高，输出频率与转速成正比。图5-5直射式光电转速传感器的工作方式那么，在已知发讯齿轮齿数的情况下，测得脉冲的频率就可以计算出测速齿轮的转速。如设齿轮齿数为N，转速为n，脉冲频率为f，则有：n=f/N通常，转速的单位是转/分钟（rpm），所以要在上述公式的得数再乘以60，才能得到以rpm为单位的转速数据，即n=60×f/N。在使用60齿的发讯齿轮时，就可以得到一个简单的转速公式n=f。所以，就可以使用频率计测量转速。这就是在工业中转速测量中发讯齿轮多为60齿的原因。三、实验器材1.计算机 1台2.DRVI快速可重组虚拟仪器平台1套3.数据采集仪（DRDAQ-EPP2） 1台4.开关电源（DRDY-A） 1台5.磁电转速传感器（DRCD-12-A） 1套6.转子实验台（DRZZS-A）1台7.转子实验模块 1套8.转子调速模块 1台四、操作方法与实验步骤将磁电传感器安装在转子试验台上专用的传感器架上，使其探头对准测齿轮的中部，调节探头与齿顶的距离，使测试距离为1mm，然后将其连接到模块对应的通道上。开启DRVI数据采集仪电源，启动电脑，运行DRVI主程序，点击DRVI菜单栏中的虚拟仪器样例，在弹出的下拉菜单中选择“多功能转子实验台”实验脚本。在实验目录中选择“转子实验台—磁电传感器转速测量实验”实验，如图5-6所示，点击软件中“开关”按钮。图5-6实验脚本启动转子实验台，调节转速旋钮使电机达到某一稳定转速，点击“开关”按钮进行测量，观察并记录测量的转速值，调整传感器的位置，同时观察检测到的转速波形和传感器位置之间的关系，并分析由此带来的测量误差。调节电机转速至另一稳定转速，再次进行测量，观察并记录测量结果。五、实验数据简述实验目的和原理，根据实验原理和要求整理实验设计原理图。根据实验步骤分析并整理转速测量结果。六、实验结果与分析转速测量还可以采用其它那些传感器进行？采用磁电传感器测量转速的精度如何，怎样保证测量的准确性？

实验六转子轴心轨迹测量实验一、实验目的通过本实验了解和掌握电涡流传感器测量的原理和方法。二、实验内容和原理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。图6-1电涡流传感器工作原理图探头、(延伸电缆)、前置器以及被测体构成基本工作系统，如图5-1所示。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。通常我们使线圈的特征阻抗Z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。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，影响检测的信号。本实验所使用的传感器是RS-9008（03）型传感器，其输入/输出特性是一个基本线性的曲线，量程2mm。附录中表40.1是两个电涡流传感器的实际标定数据。测试的试件为45＃钢，标准灵敏度5V/mm。三、实验器材计算机 1台DRVI快速可重组虚拟仪器平台 1套开关电源（DRDY-A） 1台数据采集仪（DRDAQ-EPP2） 1台电涡流传感器 2套6.转子实验台（DRZZS-A）1台7.转子实验模块 1套8.转子调速箱 1台四、操作方法与实验步骤在转子实验台支架上安装电涡流传感器探头（X、Y向互成90度），将输出电缆连接到模块对应的通道上。开启DRVI数据采集仪电源，启动电脑，运行DRVI主程序，点击DRVI菜单栏中的虚拟仪器样例，在弹出的下拉菜单中选择“多功能转子实验台”实验脚本。在实验目录中选择“转子实验台—轴心轨迹”实验，如图5-2所示，启动转子试验台，点击“运行”按钮，进行轴心轨迹的测量。如果波形不清楚，需要调节电涡流探头与轴之间的距离，直到两个方向的波形稳定，振幅相近为止。调节电机转速，观察随着转速的变化，轴心轨迹曲线的变化情况，分析并记录实验结果。图6-2转子轴心轨迹测量五、实验数据简述实验目的和原理，根据实验步骤要求，整理和分析相应的波形和特性曲线。六、实验结果与分析电涡流传感器特点？可以检测哪些特征量？轴心轨迹测量意义？计算轴心轨迹大小。七、问题与建议安装电涡流探头时，必须首先把初始间隙调好，大约1到5mm左右。由于原始信号波形干扰较大，特征不明显，所以一般使用有低通滤波功能的实验脚本。转子台简介DRZZS-A型多功能转子试验台由：1底座、2主轴、3飞轮、4直流电机、5主轴支座、6含油轴承及油杯、7电机支座、8连轴器及护罩、9RS9008电涡流传感器支架、10磁电转速传感器支架、11测速齿轮(15齿)、12保护挡板支架，几部分组成，如图1所示。图1DRZZS-A型多功能转子试验台传感器安装位置示意图1.主要技术指标为：可调转速范围：0～30000转/分，无级电源：DC12V主轴长度：500mm主轴直径：12mm外形尺寸：640×140×160mm重量：12.5kg2.与DRVI软件平台结合，可以开设以下实验：◆加速度传感器振动测量实验◆速度传感器振动测量实验◆磁电传感器转速测量◆光电传感器转速测量◆转子轴心轨迹测量实验◆力传感器标定及称重实验◆声传感器噪声测量3.传感器的安装：1.将所需的传感器分别安装在转子实验台上，如图2所示。图22.将各传感器接入转子实验模块的相应通道：◆1通道，振动加速度◆2通道，振动速度◆3通道，电涡流X轴◆4通道，电涡流Y轴◆5通道，磁电转速◆6通道，光电转速◆7通道，扩展1接噪声传感器◆8通道，扩展2接应变式力传感器WS-3811数字式应变仪采集软件使用说明运行计算机桌面Vib'SYS程序后，选择“信号采集”菜单项，点击“动、静应变采集”如下图：1、参数设置对于应变或其它传感器信号的测量，应选择比较适合的测量量程，选择测量量程时应尽量选择比较小的量程，仪器的量程越小精度越高；（图中仪器已将测试值量纲标称为微应变（με），标定系数为1，即测试值1代表1个με）。（1）应变量程设置当测量应变时，对于应变片灵敏度系数K=2和桥压为2V的情况下，每个微应变（με）对应于1个微伏（μV），应变测量有两挡选择。设置方法：进入参数设定界面，选择量程和要设置的通道，点击“设置…”。相应通道量程即被设定，也可直接点击界面中的“〇”，单独设置各通道量程，对应通道变为“●”。（2）滤波频率设置 仪器中设计了集成抗混滤波器。当测量应变时，由于存在各种干扰，所以在进行测试时，先要设置滤波频率；（通常设置为20Hz即可）。 设置方法：进入参数设定界面，在滤波频率设置栏中输入相应通道滤波频率，待其它参数设置完毕，点击“设置到仪器”，将所选参数设置到仪器。（3）桥压设置 为了使仪器能使用多种阻值的应变计（50Ω~10000Ω），仪器的输出桥压可以在4档内选择：2V、5V、10V、15V。 设置方法：进入参数设定界面，在桥压类型设置栏中选择相应通道的桥压(参看应变仪使用帮助)，待其它参数设置完毕，点击“设置到仪器”，将所选参数设置到仪器。（4）桥路类型设置 设置方法：进入参数设定界面，在桥路类型设置栏中选择相应通道的桥路接线方式，实验中选“全桥”方式。待其它参数设置完毕，点击“设置到仪器”，将所选参数设置到仪器。（5）灵敏度系数设置设置方法：进入参数设定界面，在灵敏度系数设置栏中填写相应的系数，待其它参数设置完毕，点击“设置到仪器”，将所选参数设置到仪器。选2.00（6）标定为了简化用户计算，软件提供了标定功能。参考“四.应变贴片方法、桥盒接法及应变换算方法”（P18）：在2V桥压下，灵敏度系数为2的应变片四分之一桥贴法时，每个微应变（με）对应于1个微伏（μV）。用户可以对结果进行任意标定。设置方法：进入参数设定界面，在标定系数和量纲设置栏中填写相应的系数和单位，待其它参数设置完毕，点击“设置到仪器”，将所选参数设置到仪器。2、仪器校准首次测试或经过长时间不用时，需对仪器进行校准，该仪器具有自动校准功能；校准的目的是使测试值更加精确；校准方法：断开各通道，即拔下桥合接头,插上仪器自带的校准接头；设置各校准通道的量程和滤波频率；一切就绪后，点击“自动校准”，仪器开始进行校准，该过程需要持续若干秒时间，当然也可中途退出校准；校准完成，校准结果（一般都在1.000左右）显示于对应通道栏中；校准结果可保存，点击“存校准值”，输入文件名，校准结果