《机械工程测试技术实验指导书new》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械工程测试技术实验指导书new（34页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、机械工程实 验 指 导 书机械工程测试技术指导教师：刘吉轩西安交通大学机械基础实验教学中心2010年5月目 录实验一 信号分析与测量装置特性仿真实验21、 信号分析虚拟实验22、 测试装置动态特性仿真实验6实验二 机械工程测试虚拟仪器设计实验11实验三 传感器性能标定实验171、 金属箔式应变片单臂电桥性能实验172、 电涡流位移传感器性能实验193、 传感器动态性能标定实验20附录：（有关仪器使用指南）27实验四 动态测量信号调理实验281、 压电式传感器测振动实验282、 电涡流传感器测量振动实验293、 光电转速传感器的转速测量实验304、 交流全桥的振动测量实验31实验一 信号分析与测
2、量装置特性仿真实验1、 信号分析虚拟实验一、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。二、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： 则f(t)可以展开为傅立叶
3、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： ； 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
4、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：、周期性信号的频谱是离散的；、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；、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，则周期信号就转变成非周期信号
5、。即：式中T为周期，w0=2p/T代表相邻两根谱线之间的最小间隔或增量,故可以写成 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kw0的分量的振幅ck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。三、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
6、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。四、软件使用方法简介（实验步骤）测试技术教学实验系统软件是在Win
7、dows2000环境下，由LabView运行库支持运行。执行该软件后先进入主菜单，主菜单中有四个选择项，可以通过鼠标左键进行选择。当点击了信号分解或信号合成按钮并确定之后，就进入下一级菜单。在信号分解子菜单中有如下的一面板：面板左边第一项为输入波形设置开关，点击弹出波形设置面板，可选择波形的种类（正弦波、余弦波、方波、三角波、锯齿波等）、频率、幅值和初相角等。面板左边第二项为一显示窗口，用来显示输入波形分解后的基频。面板左边第二项为显示分解后的谐波波形选择项。缺省设置为显示直流成分，和1、2、3次谐波波形。最后一项为退出。在信号合成子菜单中有如下的一面板：面板左边第一项为显示输入波形选择开关，
8、用来选择屏幕左边四个小示波器所显示的波形。缺省设置为显示第0、1、2、3条波形。屏幕右边是合成后的波形显示。面板左边第二项是用来控制被选择的波形是否进行叠加。这是8个按钮开关，可用鼠标点击来控制。当此开关打开时所对应的波形将进行合成，否则不进行合成。8个按钮从左到右对应0到7号选择波形。当8个按钮都被选择时，输入的波形数可达到255条。面板左边第三项是用来控制弹出一个波形设置面板，可设置波形的种类、频率、幅值和初相等。也可自定义输出波形，自定义的波形公式直接文本框中（注：写完后不要回车）。用“t”代表时间，即可表示某种波形随时间变化的规律。如：“sin(5t)”。最后一项为退出。在非周期性信号
9、频谱分析子菜单中：当点击进入“非周期性信号频谱分析”时，屏幕左上角的信号源的设置中设置信号的参数。在左边中部“信号源开关”中选择需要显示的波形即可。一次可选择多个波形，输出的波形即为多个波形的叠加。在屏幕的右部显示输出的波形及其幅值谱。五、实验报告要求1、总结周期性信号的频谱特性以及对称性对周期信号频谱的影响。2、总结非周期性信号的频谱特性。3、写出本次实验的体会。2、 测试装置动态特性仿真实验一、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
10、误差与最优阻尼比的关系。二、实验原理一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：式中：SS为测量装置的静态灵敏度；t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：可知，在规定SS=1的条件下，A（w）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t确定，如果规定一个允许的幅值误差e，则允许测量的信号最高频率wH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t，以保证A（w）1-e 能够满足。2、二阶测量装置动态特性二阶测量装
11、置的幅频特性与相频特性如下： 幅频特性 相频特性 （）是和/的函数，即具有不同的阻尼比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的测试装置当输入信号频率相同时，应有不同的相位差。(1).当=0时，（）=1;(2).当，A（）=0;(3).当0.707时随着输入信号频率的加大，（）单调的下降, 0.707时（）的特性曲线上出现峰值点;(4)如果=0，显然，其峰值点出现在=处。其值为“”，当从0向0.707变化过程中随着的加大其峰值点逐渐左移，并不断减小。对以上二阶环节的幅频特性的结论论证如下：(
12、1).当=0时A()=1(2).当时,A()=0(3).要想得到A()的峰值就要使 中的取最小值。令:t= 对其求导可得t=1-2时,f(t)取最小值.由于t=0,所以1-20, 必须小于1/2时,f(t)才有最小值,即时，A()不出现峰值点;当时,f(t)对求导得，可以看出f(t):属于0，时单调递增，于是得A()的峰值点A为; 在属于0，递减。(4).当=0时 A=，t=，/=1,即=0时A()的峰值为，且必出现在/=1时，当=时,t=0=0，A()=1. 还可以看出，在属于0，增大时t=1-2就减小，即f(t)的峰值左平移。（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
13、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。 首先设允许的测量误差，由第一部分可知，存在一个使得A(w)峰值接近于 1+A，即直线A=1+A与A(w)相切，且切与A(w)的峰值点。设这个峰值点为，（1）当0时 ，A(w)与直线A=1+A有两个交点为A,B（2）当时无交点。（3）无论取何值，A(w)与A=1-A只有一个交点。 从图中可以看出，0时,环节的通频带为（0，）;时,通频带为（0，）.此时找出两种情况下的最宽的通频带，在进一步比较两个通频带，其中宽的就是误差为A时的最宽的通频带。 由于=
14、时,A(w)与直线A=1+A相切,于是可解的: 令,于是: 分别以和为目标函数,以0和为约束条件，用0.618法求和的最大值。由于求目标函数的极大化就等于求函数- f(t)的极小化，于是求和的极大化就等于求函数-和-的极小化。它们可以分别写成:其中0，0 其中，0 。对以上两个数学模型用0.618法得到最优解分别为（），（）.三、实验内容1、一阶测量装置的动态特性仿真选择虚拟的一阶测量装置，分别在不同的输入信号：周期性信号（正弦波、方波、三角波、锯齿波等）、冲击信号、正弦扫描信号、及采样函数信号等情况下，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。1、 二阶测量装置的动态特性仿真选择虚拟的二阶测量装置，分别在不同的输入信号：周期性信号（正弦波、方波、三角波、锯齿波等）、冲击信号、正弦扫描信号、及采样函数信号等情况下，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。四、实验软件简介（实验步骤）在LabView运行程序支持下，执行测试技术教学实验系统软件
