机械工程测试技术实验报告

西安交通大学实验报告

机械工程测试技术实验报告

机械工程学院

姓名：侯聪明 班级：机自81 学号：08011010

实验一信号分析与测量装置特性仿真实验

1 信号分析虚拟实验

实验目的

1．理解周期信号可以分解成简谐信号，反之简谐信号也可以合成周期性信号； 2．加深理解几种典型周期信号频谱特点；

3．通过对几种典型的非周期信号的频谱分析加深了解非周期信号的频谱特点。

实验原理

信号按其随时间变化的特点不同可分为确定性信号与非确定性信号。确定性信号又可分为周期信号和非周期信号。本实验是针对确定性周期信号和非周期信号进行的。

1、周期性信号的描述及其频谱的特点

任何周期信号如果满足狭义赫利条件，即：在一个周期内如果有间断点，其数目应为有限个；极大值和极小值的数目应为有限个；在一个周期内f(t) 绝对可积，即：

等于有限值

则f(t)可以展开为傅立叶级数的形式，用下式表示：

式中：

是此函数在一个周期内的平均值,又叫直流分量。

它是傅氏级数中余弦项的幅值。

它是傅氏级数中正弦级数的幅值。

是基波的圆频率。

在数学上同样可以证明，周期性信号可以展开成一组正交复指数函数集形式，即：

式中：

为周期性信号的复数谱，其中m就为三角级数中的k. 。以下都以k 来说明。由于三角级数集和指数函数集存在以下关系：

所以，两种形式的频谱存在如下关系。即：

复数谱ck

^

akjbk

2akjbk

2

共轭幅频谱ck

幅频谱|ck|

bk

) ak

相频谱karctg(

还把其中的

ak()

，

bk()

分别称为实频谱和虚频谱。

由此可见，一复杂的周期性信号是由有限多个或无限多个简谐信号叠加而成，当然，反之复杂的周期性信号也就可以分解为若干个简谐信号。这一结论对工程测试极为重要，因为当一个复杂的周期信号输入到线性测量装置时，它的输出信号就相当于其输入信号所包含的各次简谐波分量分别输入到此装置而引起的输出信号的叠加。

周期性信号的频谱具有三个突出特点：⑴、周期性信号的频谱是离散的；⑵、每条谱线只出现在基波频率的整倍数上，不存在非整倍数的频率分量；⑶、各频率分量的谱线高度与对应谐波的振幅成正比。

本实验中信号的合成与分解时输入信号包含有正弦波、余弦波，以及周期性的方波、三角波、锯齿波和矩形波。

2、非周期信号的描述及其频谱特点

设有非周期信号f(t)，由它可构造出一个周期信号

fT(t)

,它是由f(t)每隔T秒重复一

次而形成。（周期 T应选的足够大，使得f(t)形状的脉冲信号之间没有重叠现象），是周期

信号，故可以展开为指数函数的傅里叶级数，如果使周期T→∞，则周期信号成非周期信号。即：

fT(t)就转变

fT(t)的复指数傅氏级数可表示为：

式中T为周期，

fT(t)

k

ce

k



jk0t

02/T代表相邻两根谱线之间的最小间隔或增量,故可以写

成,

0

2

T，当T,0即非周期信号相邻两根谱线之间的距离将趋近于

0。间断谱就变成了连续谱，而f(t)中频率是

k0的分量ck的振幅则趋近于零，但频谱形状

不会改变。

利用上面的理论对几种典型的非周期函数进行频谱分析，如闸门函数、冲击函数、正弦扫频函数等（请参阅教材）。非周期信号的频谱特点是连续的。非周期信号的频谱分析是通过傅里叶变换实现的，实际应用中一般采用快速傅里叶变换（FFT）实现。

实验内容

在计算机上使用信号分析虚拟实验教学软件对几种典型的周期性信号进行分解与合成，并对非周期性信号进行频谱分析。

1、周期信号分解

分别对方波、三角波、锯齿波等几种典型的复杂周期性信号进行分解，在确定频率、幅值和初相位的情况下，观察和分析各自的频谱特点及其谐波构成特点，并验证理论的正确性。

2、周期信号合成

分别对两个以上的同频率或不同频率的正弦信号（幅值和初相位可以是相同或不同）进行合成，观察和分析合成后的波形及其频谱。根据周期性信号描述的理论知识，恰当地选取几个正弦信号（或余弦信号）试合成三角波和方波，观察和分析合成后的波形及其频谱变化情况。

3、非周期性信号频率分析

对闸门函数、冲击函数、正弦扫频函数、单边指数函数等非周期性信号进行频谱分析，也可对自定义函数进行频谱分析。

实验结果截图

1、信号合成：用正弦波合成出矩形波：f1=2；A1=10

用频率为奇数的正弦波合成出矩形波，随着不同频率的波的增加，合成图像越来越接近矩形波。左图为参与合成的信号，右图为合成出的信号。

2、信号分解：将矩形波分解为若干正弦波

通过观察分解后的信号，我们看出，所有分解出的正弦波频率全部是奇数。左图为要分解的信号，右图为分解出的信号

3、非周期信号的分析： 单边函数A=5 α

=3

闸门函数 A=2.2 Delay=1.2 τ=0.3

冲击函数

A=4000 delay=1.00

扫频函数A=4.5 f1=8 f2=40

采样函数

A=2 Delay=2 f=4

高斯白噪音 标准差=0.06

周期函数：幅值=0.9米；频率=1；其余初始相位，直流分量

自定义函数：A=1，f=40；函数a*sin(w*t)*cos(2*pi(1)*t)

思考题

1.总结周期性信号的频谱特性

答：周期性信号的频谱具有谐波性、收敛性和离散性，其频谱线是离散的，且频谱间隔为2*π/T。谱线的幅值大小表示该信号在该频率的幅值大小。

2.总结非周期性信号的频谱特性

答：非周期性信号的频谱是是连续的且谱线幅值大小表示信号在该频率的幅值密度。

2、测试装置动态特性仿真实验

实验目的

1、加深对一阶测量装置和二阶测量装置的幅频特性与相频特性的理解； 2、加深理解时间常数变化对一阶系统动态特性影响；

3、加深理解频率比和阻尼比变化对二阶系统动态特性影响； 4、使学生了解允许的测量误差与最优阻尼比的关系。

实验原理

1、阶测量装置动态特性

一阶测量装置是它的输入和输出关系可用一阶微分方程描述。一阶测量装置的频率响应函数为：

H(j)Ss

11

Ss[j] 22

1j1()1()

式中：SS为测量装置的静态灵敏度；为测量装置的时间常数。

一阶测量装置的幅频特性和相频特性分别为：

A()

()arctan

可知，在规定SS=1的条件下，A()就是测量装置的动态灵敏度。

当给定一个一阶测量装置，若时间常数确定，如果规定一个允许的幅值误差，则允许测量的信号最高频率

H也相应地确定。

为了恰当的选择一阶测量装置，必须首先对被测信号的幅值变化范围和频率成分有个初步了解。有根据地选择测量装置的时间常数，以保证A()1能够满足

2、二阶测量装置动态特性

二阶测量装置的幅频特性与相频特性如下： 幅频特性

A()相频特性

()arctg(2(/0)/(1(/0)2)2

Α（ω）是ξ和ω/0的函数，即具有不同的阻尼比ξ的测试装置当输入信号频率相同时，应具有不同的幅值响应，反之，当不同的频率的简谐信号送入同一测试装置时它们的幅值响应也不相同，同理具有不同的阻尼比ξ的测试装置当输入信号频率相同时，应有不同的相位差。

（二）阻尼比的优化 在测量系统中，无论是一阶还是二阶系统的幅频特性都不能满足将信号中的所有频率都成比例的放大。于是希望测量装置的幅频特性在一段尽可能宽的范围内最接近于1。根据给定的测量误差，来选择最优的阻尼比。

实验内容

一阶测量装置的动态特性仿真

选择虚拟仪器的一阶测量装置，分别在不同的输入信号：周期性信号，冲击信号正弦扫描信号，采样信号等情况下，改变时间常数，观察和分析一阶测量装置的动态特性变化情况。根据给定的幅值测量误差，选择最优的时间常数，确定有效的频率测量范围。

二阶测量装置的动态特性仿真

虚拟的二阶测量装置，分别在不同的输入信号周期性信号，冲击信号正弦扫描信号，采样信号等情况下，改变频率比和阻尼比，观察和分析二阶测量装置的动态特性变化。根据给定的幅值测量误差，选择最优的频率比和阻尼比，确定有效的频率测量范围。

实验结果截图

测量装置动态特性方针

1、一阶：选砸门函数A=1；delay=1；

=1

2、周期 正玄A=1；频率=2；Wn=20；阻尼比=0.7

二、测量系统误差计算 一阶测量装置

二届系统：允许误差0.05；固有频率62；阻尼比0.6

依然给定测量误差为5%。在给定的误差范围内，调节固有频率和阻尼比，使可用频率范围尽可能的大。我们发现，阻尼比在0.6左右时，固有频率达到62后，频率的可用范围就超过了50Hz。所以选定最佳阻尼比为0.6，固有频率为62Hz，此时的可用频率范围为0—52.81HZ。

实验二机械工程测试虚拟仪器设计实验

实验目的

1、掌握LabVIEW软件的特点和用途，掌握LabVIEW编程的基本方法； 2、加深理解虚拟仪器的基本概念，采用LabVIEW图形化编程语言创建/设计基本的虚拟仪器；

3、通过虚拟仪器应用实例，学习实用化虚拟仪器设计的基本方法。

LabVIEW简介

LabVIEW软件工具的特点：

1.图形化的编程方式，和无序写任何文本各式的代码。

2.既提供了传统的程序调试手段，如设置断点、单步运行，同时提供有独到的高亮执行工具，是程序动画式运行，利于设计者观察程序运行的细节，使程序的调试和开发更为简捷。

3.提供了丰富的数据采集、分析及存储的库函数。 4.32bit的编器编译生成32bit 的编译程序，保证用户数据采集、测试和测控方案的高速执行。

5.囊括了DAQ、GPIB、PXI、VXI、RS-232/485在内的各种仪器通信总线标准的所有功能函数，使得不懂总线标准的开发者也可驱动不同总线标准接口设备与仪器。

6.提供大量与外部代码或软件进行连接的机制，诸如DDLs（动态连接库）、DDE（共享库）、ActiveX等。

7.强大的Internet功能，支持常用网络协议，方便网络化远程测控仪器的开发。 LabVIEW软件包简介：

LabVIEW系统由LabVIEW应用执行文件和许多相关的文件及子目录组成。LabVIEW使用文件和目录来存储创建VI所必需的信息，部分重要的文件和目录如下：

（1）、LabVIEW可执行程序，用于启动LabVIEW。 （2）、vi.lib目录：该目录包含VI库，如数据采集、仪器控制和分析VI。他必须与LabVIEW可执行程序在同一目录下。不要改变vi.lib目录的名称，因为LabVIEW启动时要查找该目录。如果改变此名称，就不能使用众多的控件和库函数。

（3）、example目录：该目录包含许多VI示例，这些例子示范LabVIEW的功能。 （4）、user.lib目录：用户创建的VI保存与该目录并将出现在LabVIEW的Functions Palette（函数选项板）上。

（5）、instr.lib目录：如果希望用户仪器驱动程序库出现在LabVIEW的函数选项板上，应将其放置在该目录下。

虚拟仪器设计要求

设计虚拟温度监控装置 前面板设计如下：

后面板设计如下：

高温及低温报警演示如下： 低温：

高温：

正常：

设计虚拟示波器（显示正弦信号时域波形）设计虚拟温度监控装置 前面板设计如下： 改变参数后：

后面板设计如下：

小结：

这次试验主要是学习labview这个软件的应用，一开始还不怎么会，但是经过老师的讲解后对labview有了很深的认识，又经过自己努力地实验，满满的就熟悉了，而且成功的将老师不值得任务完成了，我真的很高兴。

实验三传感器性能标定实验

实验目的：

了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。

基本原理：

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，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。，对单臂电桥输出电压Uo1= EKε/4。

需用器件与单元：

应变式传感器实验模板、应变式传感器－电子秤、砝码、数显表、±15V电源、±4V电源、万用表（自备）。

实验步骤：

1、根据图（1－1）应变式传感器（电子秤）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。加热丝也接于模板上，可用万用表进行测量判别，R1＝R2＝R3＝R4＝350Ω，加热丝阻值为50Ω左右

图1－1 应变式传感器安装示意图

2、接入模板电源±15V（从主控台引入），检查无误后，合上主控台电源开关

图1－2应变式传感器单臂电桥实验接线图

3、在电子称上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g（或500 g）砝码加完。记下实验结果填入表1－1，关闭电源。

4、根据表1－1计算系统灵敏度S＝ΔU/ΔW（ΔU输出电压变化量，ΔW重量变化量）和非线性误差δf1=Δm/yF..S ×100％式中Δm为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差：yF·S满量程输出平均值，此处为200g（或500g）。

实验数据及处理

实验原始数据记录如下：

以重量（g）为横坐标，电压（mv）为纵坐标做出曲线图：

灵敏度S＝ΔU/ΔW=0.378 （mv/g）

非线性误差δf1=Δm/yF..S ×100％=3.25%

2 电涡流位移传感器性能实验

实验目的：

了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。

基本原理：

通过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。

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、测微头、铁圆片。

实验步骤：

1、根据图2－1安装电涡流传感器。

图2-1 电涡流传感器安装示意图

图2－2电涡流传感器位移实验接线图

2、观察传感器结构，这是一个平绕线圈。

3、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，作为振荡器的一个元件。

4、在测微头端部装上铁质金属圆片，作为电涡流传感器的被测体。 5、将实验模板输出端Vo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。

6、用连结导线从主控台接入15V直流电源接到模板上标有＋15V的插孔中。

7、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。将结果列入表2－1。

8、根据表2－1数据，画出V－X曲线，根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的最佳工作点，试计算量程为1mm、3 mm及5mm时的灵敏度和线性度（可以用端基法或其它拟合直线）。

数据记录及处理

表2－1电涡流传感器位移X与输出电压数据

根据所测得的数据画出V—X曲线：

电压—位移曲线

电压（v）

位移（mm）

我们根据曲线可以看出，在1.2-3区间内线性很好，超出3，或小于1.2的部分线性不好，不适宜测量。

3 传感器动态性能标定实验

实验目的

1、了解压电加速度传感器的结构、工作原理及其应用。 2、熟悉压电加速度传感器灵敏度标定所用仪器。

3、掌握压电加速度传感器动态灵敏度标定的校准台法，了解其他的标定方法。

实验原理

（一）、压电加速度传感器灵敏度标定

1、灵敏度

压电加速度传感器的灵敏度有两种表示方法：当它与电荷放大器配合使用时，用电荷灵敏度Sq表示。即：

Sq

Q

(PC/ms2)a

与电压放大器配合使用时用电压灵敏度Sv表示。即：

Sv

Ua

(mv/ms2)a

式中：

Q------压电传感器输出电荷（PC）： Ua-----压电传感器的开路电压（mV）； a-------被测加速度（ms-2）。

因为Ua=Q/(Ca+Cc)，所以有：Sq= Sv(Ca+Cc)。其中：Ca为传感器自身电容；Cc为电缆电容。

2、压电加速度传感器灵敏度的标定方法

实验室常用的标定方法一般有校准台法、比较法和互易法三种。 （1）、校准台法加速传感器校准台是一个能产生一定频率和一定加速度峰值的振动台。例如，本实验中所使用的“JX-3B型振动传感器校准仪”，其内部可产生频率为10Hz—1280Hz、加速度峰值为2.5m/s2—100m/s2(传感器重量100g)的标准正弦加速度信号。其电路原理框图如图1所示。将被标定的加速度传感器直接安装在振动系统的台面上，使其承受峰值为10m/s2加速度的振动，根据前置放大器的输出电压值便可确定传感器的灵敏度值。这种标定方法的标定精度为2%。注意电荷放大器是先将加速度传感器输出的电荷量转换成电压量，然后再经放大输出。确定传感器的电荷灵敏度时，要考虑放大器的增益。

图1 校准台电路原理图

（2）、比较法此方法是取一个经过计量部门标定过的加速度传感器和前置大器作为基准，与需求校准的加速度传感器作对比试验，确定被标定传感器的灵敏度。标定时，将被标定传感器与基准传感器按背靠背的方式装在同一轴线上，承受同样的振动。分别测量出被标

定传感器与基准传感器的输出振动量，然后折算出被标定传感器的灵敏度。

（3）、互易法此法不是通过直接测量振动量来确定灵敏度，而是应用互易原理，采用测量其他电量的方法求得灵敏度。一般情况下可以用两个同类型的加速度传感器进行互易，也可以用加速度传感器与振动台内部的速度线圈进行互易。这种方法的标定精度可达到0.5%。



（二）、传感器和测量系统的动态特性标定

传感器和测量系统的动态特性标定的目的是确定传感器和测量系统的频率使用范围、误差和相位特性。通过幅频特性可确定测量系统的频响和幅值误差，通过相频特性可确定测量系统的输入和输出之间的相位差。本实验主要测量幅频特性。

当振动台的振幅恒定，改变其振动频率，测量出被标定传感器相应于各频率下的输出量。以频率比f/fn（振动台的激励频率和传感器固有频率之比）为横坐标，以幅值比Ai/A0

（被标定传感器的输出值与振动台输入信号幅值之比）为纵坐标，即可得幅频特性曲线。幅频特性曲线的平直部分即为理想的动态范围。从幅频特性曲线上读取峰值Am，由下式求得传感器的阻尼比

1

2

求传感器的固有频率fn以下两种情况：当标定位移传感器时，传感器的固有频率远小

于振动频率，这时位移传感器的固有频率为：

fnf当标定加速度传感器时，传感器的固有频率远大于振动频率，这时加速度传感器的固有频率为：

fn

实验装置

1、DHF-3型电荷放大器 2、双踪示波器

3、85745 系列前置器 4、YD-1型压电式传感器 5、数字万用表

实验内容及步骤

（一）、YD-1型压电式加速度传感器灵敏度标定

1、将加速度传感器用M5螺丝头固定在校准仪振动台面上。

2、将被标定的加速度传感器与电荷放大器的输入端连接；将电荷放大器的输出端与数字万用表的交流电压输入端连接，输入电压一般应小于2V。实验仪器连接框图如图4所示。

图4 加速度传感器灵敏度标定实验仪器框图

3、将“频率选择”开关置于“80Hz”。在标定传感器时，一般应将频率定在“80Hz”。 4、将“功能选择”开关置于“加速度”位置。

5、将“增益调节”电位器调至最小；然后将电源开关置于“开”

6、调节“增益调节”电位器，使校准台振动加速度输出幅值为10(m/s2)。此时显示窗示值为：10.0。

7、用示波器观察电荷放大器输出电压的波形，应为不失真的正弦波；同时，用数字万用表的交流电压挡测量电荷放大器的输出电压。

8、根据电荷放大器输出电压的实测值和电荷放大器在输入加速度为10(m/s2)时的标准输出电压值，即可计算出被测传感器的标定误差。

误差=

标准值实测值

X100%

标准值

9、加速度传感器实际电荷灵敏度标定值为：

SQ实=

PBa

(PC/ms2) A

式中：P----电荷放大器输出电压峰值(mV)；

B----电荷放大器灵敏度设定旋纽设定值（PC/ms-2）； a-----校准台振动加速度输出幅值（取a=10m/s2）； A----电荷放大器输出增益值（mV/Unit）。

（三）、传感器及测量系统动态特性标定

标定加速度传感器及测量系统的动态特性。 1.完成加速度传感器灵敏度标定步骤1、2。 2.将“功能选择”开关置于“加速度”位置。

3.将“增益调节”电位器调至最小；然后将电源开关置于“开”。

4.将“频率选择”开关分别依次置于“40Hz”、“80Hz”、“160Hz”、“320Hz”和“640Hz”位置，相应的在各个频率下，调节“增益调节”电位器，使校准台振动加速度输出幅值保持为10(m/s2)。

5.用数字万用表交流电压挡测量电荷放大器的输出电压。

6.根据电荷放大器输出电压的实测值和相应的校准台振动频率之间的一一对应关系，即可得出加速度传感器及测量系统的幅频动态响应曲线。

实验数据记录及处理

表1 加速度传感器灵敏度标定实验数据

表2传感器及测量系统动态特性标定实验数据

通过测得数值，经2次拟合得到的幅频特性曲线

[***********]0700

实验四 动态测量信号调理实验

光电转速传感器的转速测量实验

实验目的

掌握光电转速传感器测量转速的原理及方法。

基本原理

光电式转速传感器有反射型和透射型二种，本实验装置是透射型的(光电断续器)，传感器端部二内侧分别装有发光管和光电管，发光管发出的光源透过转盘上通孔后由光电管接收转换成电信号，由于转盘上有均匀间隔的6 个孔，转动时将获得与转速有关的脉冲数，将脉冲计数处理即可得到转速值。

需用器件与单元

主机箱、转动源、光电转速传感器-光电断续器(已装在转动源上)

实验步骤

1.将主机箱中的转速调节0～24V 旋钮旋到最小(逆时针旋到底)并接上电压表；再按图1所示接线，将主机箱中频率／转速表的切换开关切换到转速处。

图1 光电传感器测速实验

2、检查接线无误后，合上主机箱电源开关，在小于12V 范围内(电压表监测)调节主机 箱的转速调节电源(调节电压改变电机电枢电压)，观察电机转动及转速表的显示情况。 3、从2V 开始记录每增加1V 相应电机转速的数据(待转速表显示比较稳定后读取数据)；画出电机的V-ｎ(电机电枢电压与电机转速的关系)特性曲线。实验完毕，关闭电源。

实验数据记录及处理

电压—转速曲线

电压（v）

5.5

66.57

7.58

转速（n/min）

8.599.5

思考题：

分析光电传感器测转速的特点。

答：光电式传感器用于转速测量系统中，通过安装在被测轴上的多孔圆盘，来控制照于光电元件光通量的强弱，从而产生与被测轴转速成比例的电脉冲信号，经整形放大电路和数字式频率计即可显示出相应的转速值。光电式传感器测转速的优点是转速范围大，可达每分钟几十万转，切使用方便，对被测轴无干扰。