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1、1. 典型信号频谱分析一. 实验目的1. 在理论学习的基础上，通过本实验熟悉典型信号的波形和频谱特征，并能够从信号频谱中读取所需的信息。2. 了解信号频谱分析的基本方法及仪器设备。二. 实验原理1. 典型信号及其频谱分析的作用正弦波、方波、三角波和白噪声信号是实际工程测试中常见的典型信号，这些信号时域、频域之间的关系很明确，并且都具有一定的特性，通过对这些典型信号的频谱进行分析，对掌握信号的特性，熟悉信号的分析方法大有益处，并且这些典型信号也可以作为实际工程信号分析时的参照资料。本次实验利用DRVI快速可重组虚拟仪器平台可以很方便的对上述典型信号作频谱分析。2. 频谱分析的方法及设备信号的频谱
2、可分为幅值谱、相位谱、功率谱、对数谱等等。对信号作频谱分析的设备主要是频谱分析仪，它把信号按数学关系作为频率的函数显示出来，其工作方式有模拟式和数字式二种。模拟式频谱分析仪以模拟滤波器为基础，从信号中选出各个频率成分的量值；数字式频谱分析仪以数字滤波器或快速傅立叶变换为基础，实现信号的时频关系转换分析。傅立叶变换是信号频谱分析中常用的一个工具，它把一些复杂的信号分解为无穷多个相互之间具有一定关系的正弦信号之和，并通过对各个正弦信号的研究来了解复杂信号的频率成分和幅值。信号频谱分析是采用傅立叶变换将时域信号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。时域信号x(t)
3、的傅氏变换为： 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。3. 周期信号的频谱分析周期信号是经过一定时间可以重复出现的信号，满足条件：x ( t ) = x ( t + nT )从数学分析已知，任何周期函数在满足狄利克利（Dirichlet）条件下，可以展开成正交函数线性组合的无穷级数，如正交函数集是三角函数集（sinn0t,cosn0t）或复指数函数集（），则可展开成为傅里叶级数，通常有实数形式表达式：直流分量幅值为： 各余弦分量幅值为： 各正弦分量幅值为： 利用三角函数的和差化积公式，周期信号的三角函数展开式还可写如下形式： 直流分量幅值为： A0 = a0各频率分
4、量幅值为：各频率分量的相位为：式中，T周期，T=2/0；0基波圆频率；f0基波频率；n=0,1, 。为信号的傅立叶系数，表示信号在频率fn处的成分大小。工程上习惯将计算结果用图形方式表示，以fn为横坐标，为纵坐标画图，则称为时频虚频谱图；以fn为横坐标，为纵坐标画图，则称为幅值相位谱；以fn为横坐标，An2为纵坐标画图，则称为功率谱，如图1.1所示。图1.1 周期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，从而揭示了信号的频率信息。4. 频谱分析的应用频谱分析主要用于识别信号中的周期分量，是信号分析中最
5、常用的一种手段。例如，在机床齿轮箱故障诊断中，可以通过测量齿轮箱上的振动信号，进行频谱分析，确定最大频率分量，然后根据机床转速和传动链，找出故障齿轮。再例如，在螺旋浆设计中，可以通过频谱分析确定螺旋浆的固有频率和临界转速，确定螺旋浆转速工作范围。本实验利用在DRVI上搭建的频谱分析仪来对信号进行频谱分析。由虚拟信号发生器产生多种典型波形的电压信号，用频谱分析芯片对该信号进行频谱分析，得到信号的频谱特性数据。分析结果用图形在计算机上显示出来，也可通过打印机打印出来。三. 实验仪器和设备1. 计算机 n台2. DRVI快速可重组虚拟仪器平台 1套四. 实验步骤及内容1. 启动服务器，运行DRVI主
6、程序，开启DRVI数据采集仪电源，然后点击DRVI快捷工具条上的“联机注册”图标，选择其中的“DRVI采集仪主卡检测”进行服务器和数据采集仪之间的注册。联机注册成功后，分别从DRVI工具栏和快捷工具条中启动“DRVI微型Web服务器”和“内置的Web服务器”，开始监听8600和8500端口。2. 打开客户端计算机，启动计算机上的DRVI客户端程序，然后点击DRVI快捷工具条上的联机注册图标，选择其中的“DRVI局域网服务器检测”，在弹出的对话框中输入服务器IP地址（例如：192.168.0.1），点击“发送”按钮，进行客户端和服务器之间的认证，认证完毕后即可正常运行客户端所有功能。3. 点击D
7、RVI“典型信号频谱分析”实验中的“白噪声”按钮，产生白噪声信号，分析和观察白噪声信号波形和幅值谱特性。4. 点击DRVI“典型信号频谱分析”实验中的“正弦波”按钮，产生正弦波信号，分析和观察正弦波信号波形和幅值谱特性。5. 点击DRVI“典型信号频谱分析”实验中的“方波”按钮，产生方波信号，分析和观察方波信号波形和幅值谱特性。6. 点击DRVI“典型信号频谱分析”实验中的“三角波”按钮，产生三角波信号，分析和观察三角波信号波形和幅值谱特性。7. 其余依此类推，分析和观察信号波形和幅值谱特性。五实验报告要求1. 简述实验目的和原理。2. 按实验步骤整理出正弦波、方波、三角波、白噪声以及其它波形
8、的时域和幅值谱特性图形，说明各信号频谱的特点。实验一 电涡流传感器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17.1 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。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
9、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
10、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
11、。需要注意的是，电涡流传感器的探头与前置器是配套使用的。如果探头与前置器不配套，其输出的线性程度可能会受到影响，并且需要重新标定！附录中表17.1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. 实验仪器和设备1. 计算机 n台2. DRVI快速可重组虚拟仪器平台1套3. 转子实验台1套4. 开关电源（LDY-A）1台5. 并口数据采集仪（LEPP-DAQ2） 1台6. 电涡流传感器 2套四. 实验步骤及内容1. 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），将输出电缆与前置器相连，信号经前置器处理后再经过信号采集仪最终输入到计算机中。图17.5
12、显示本实验的信号处理流程。2. 启动服务器，运行DRVI主程序，点击DRVI快捷工具条上的“联机注册”图标，选择其中的“DRVI采集仪主卡检测”进行服务器和数据采集仪之间的注册。联机注册成功后，从DRVI工具栏和快捷工具条中启动 “内置的Web服务器”，开始监听8500端口。3. 在收藏菜单栏中选中“实验指导书”菜单项打开WEB版实验指导书，在实验目录中选择“电涡流传感器轴心轨迹测量”实验，参照实验原理和要求设计该实验。4. 本实验的原理设计参考图如图17.2所示。点击附录中该实验脚本文件“服务器端”的链接，将参考的实验脚本文件贴入DRVI软件平台。启动转子试验台，点击面板中的“运行”按钮，进
13、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。5. 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。6 于客户端的分析，首先设定数据共享服务器的IP地址，在服务器端进行数据采集的同时，点击“运行”按钮进行网络数据采集，观察随着转速的变化，轴心轨迹的变化情况，并记录实验结果。五. 实验报告要求1. 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. 注意事项1. 安装电涡流探头时，必须首先把初始间隙调好。（调整方法请参考转子实验台使用说明）2. 由于原始信号波形干扰较大，特征不明显，
14、所以一般使用有低通滤波功能的实验脚本。3. 在转子实验台的飞轮上安装不同质量的配重螺钉可以取得不同的实验效果，但是请注意不要在某个方向上添加过多的配重螺钉，以免发生意外。4. 严禁用手重压飞轮！以免造成主轴的永久变形。5. 在转子旋转过程中，请勿去除保护罩！实验二 加速度传感器振动测量实验一. 实验目的1. 通过本实验了解并掌握机械振动信号测量的基本方法。二. 实验原理1. 振动测量原理机械在运动时，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。机械振动在大多数情况下是有害的，振动往往会降低机器性能，破坏其正常工作，缩短使用寿命，甚至
15、导致事故。机械振动还伴随着同频率的噪声，恶化环境，危害健康。另一方面，振动也被利用来完成有益的工作，如运输、夯实、清洗、粉碎、脱水等。这时必须正确选择振动参数，充分发挥振动机械的性能。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
