【正文】 傳感器與 測試技術(shù) 實驗指導書 （虛擬實驗系統(tǒng)用） 1 前 言 隨著傳感技術(shù)、信息處理技術(shù)及計算機應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，促使測試技術(shù)在知識內(nèi)容、實驗儀器、實驗方法等方面都發(fā)生了意義深遠的變革與更新，并已充分體現(xiàn)在面向廿一世紀教學大綱與教材中，顯然原有的實驗設(shè)備環(huán)境已遠不能滿足其要求，為此我學科組應(yīng)用虛擬儀器 (VI)技術(shù)，研發(fā)了 VI 實驗平臺，推出了 26 項教學實驗，大大豐富了實驗內(nèi)容，包括基礎(chǔ)理論篇與工程應(yīng)用篇，前者主要是配合課堂教學對理論知識的演示與驗證；后者是直接針對工程應(yīng)用 技術(shù)的綜合性、設(shè)計性實驗，即以學生為主體，按實驗?zāi)康淖孕羞x擇測量裝置，搭建測試系統(tǒng)，確定試驗方法步驟等。 為了配合 機 械類 專業(yè) “ 傳感器與 測試技術(shù)”多學科、多層次實驗教學要求，我學科組重新編制了“ 傳感器與 測試技術(shù)實驗指導書”。對于不同學科，不同層次的教學任務(wù)，可按大綱要求自行選擇部分實驗內(nèi)容。為了方便學生自學與復習，本書按教材章節(jié)順序編寫實驗內(nèi)容。 因時間倉促，水平所限，難免有錯誤與不妥之處，懇請讀者批評指正，并愿廣泛征求反饋意見，進一步修改完善，推出正式版本。謝謝！ 2 第一篇 基礎(chǔ)理論教學實驗 第一章 信號及其描述 典型信號的合成與分解實驗 典型信號的頻譜分析實驗 典型信號幅值分布特性分析 典型信號的強度分析 第二章 測試裝置的基本特性 傳感器靜態(tài)標定實驗 一階系統(tǒng)頻率響應(yīng)實驗 二階系統(tǒng)頻率響應(yīng)實驗 一二階系統(tǒng)無失真測試條件實驗 第三章 常用傳感器 電阻應(yīng)變式測力、拉、壓、彎、扭傳感器原理及應(yīng)用實驗 渦流傳感器原理及應(yīng)用實驗 1 壓電式傳感器原理及前置放大器 第四章 信號調(diào)理、處理和記錄 1 電橋在應(yīng)變測試中的應(yīng)用 1 調(diào)制與解調(diào)原理實驗 1 動態(tài)電阻應(yīng)變儀工作原理實驗 1 RC 調(diào)諧式濾波器的基本特性實驗 1 倍頻程濾波器及其在噪聲測試中應(yīng)用 第五章 信號處理初步 1 頻率混疊、抗混頻濾波與采樣定理 1 窗函數(shù)與 FFT 譜的能量泄漏 1 FFT 譜的柵欄效應(yīng)與信號的整周期截取 信號的相關(guān)分析 2 信號的 FFT 功率譜分析 3 第二篇 工程測試應(yīng)用實驗 2 振動信號測試實驗 1） 儀器選擇及系統(tǒng)設(shè)計 2） 時域參量測試 3） 振動信號的頻譜分析 2 機械結(jié)構(gòu)振動參數(shù)測試實驗 1） 測試系統(tǒng)設(shè)計 2） 了解 SDASⅡ 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 3） 測試數(shù)據(jù)的分析處理 2 回轉(zhuǎn)軸徑向運動誤差測試實驗 1） 測量原理 2） 測試系統(tǒng)設(shè)計 3） 數(shù)據(jù)采集與處理 2 噪聲測試實驗 1） 測量原理 2） 測試系統(tǒng)設(shè)計 3） 數(shù)據(jù)采集與處理 2 動應(yīng)力綜合測試實驗 1） 綜合應(yīng)力發(fā)生裝置 2） 貼片與接橋 3） 模擬測試系統(tǒng)設(shè)計 4） 數(shù)字測試系統(tǒng)設(shè)計 4 綜合型、設(shè)計型實驗要求與格式（例如） 一、實驗名稱： 機械結(jié)構(gòu)振動參數(shù)測試實驗 二、實驗?zāi)康模? 1． 了解計算機輔助測試 —— SDAS2 數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，及其在振動測試中的應(yīng)用； 2． 掌握快速正弦掃頻激振測試及實驗數(shù)據(jù)處理； 3． 了解沖擊激振測試及實驗數(shù)據(jù)處理。 三、可供選擇的實驗儀器： 被測機械結(jié)構(gòu) —— 懸臂梁 激振器，功放 加速度計，電荷放大器 SDAS2 數(shù)據(jù)采集與分析 系統(tǒng) 四、擬定實驗方案： 1． 合理選擇實驗一起，搭建測試系統(tǒng)； 2． 簡述實驗原理； 3． 寫出實驗步驟； （ **必須經(jīng)指導教師答疑通過以上實驗方案，方可進行實驗） 4． 完成實驗過程，記錄實驗數(shù)據(jù)。 五、完成實驗報告： 1． 寫出實驗方案； 2． 對實驗數(shù)據(jù)進分析處理，比較被測試件的實驗測試參數(shù)與理論計算參數(shù)，并加以分析； 3． 談?wù)勗搶嶒灥男牡皿w會及建議。 5 第一篇 基礎(chǔ)理論教學實驗 第一章 信號及其描述 （ 1）典型信號的分解與合成實驗 試驗?zāi)康模? 1) 掌握信號分解與合成的原理； 2) 熟悉典型信號，如方波、三角波、鋸齒波等的分解與合成過程 。 實驗儀器與系統(tǒng)框圖： 1) 計算機，測試實驗軟件 ； 2) 實驗原理： 1） 信號的頻域描述，反映的是信號的頻率結(jié)構(gòu)和各頻率成分的幅值、相位關(guān)系。 2） 如下傅立葉級數(shù)可以看出，周期信號可看作無窮多個諧波分量的合成。而當周期信號已知時，可確定各諧波分量的系數(shù)，將其分解。 3） 對于典型的周期信號，如方波、三角波等，根據(jù)其傅立葉級數(shù)可確定分解與合成的過程，具體形式見參考 [1]。 實驗內(nèi)容與步驟： 1) 打開“測試實驗軟件 ”，進入實驗一； 2) 在典型信號中選擇方波，單擊 分解 ，觀察分解后各諧波分量 的波形； 3) 單擊 合成 ，觀察各諧波分量合成后的信號波形； 4) 改變合成諧波分量的數(shù)目為 1，重新 合成 ，觀察合成波形的變化，并與原信號波形比較； 5) 逐步增加合成諧波分量的數(shù)目，重新 合成 ，觀察合成波形的變化，并與原信號波形比較； 6) 同樣，在典型信號中選擇其它信號，重復上述操作。 實驗報告要求（包括思考題）： 典型信號的波 形 分解后各諧波分量的波形 合成信號的波形 分解 合成 6 1) 任選某一種典型信號，推導其傅立葉級數(shù)； 2) 畫出其原始信號波形； 3) 畫出其分解后各諧波分量的波形； 4) 分別畫出諧波分量的數(shù)目為 1， 2， 3 的合成波形，并與原信號波形進行比較，說明二者的區(qū)別所在，及討論為什么？ （ 2）典型信號的 頻譜分析實驗 試驗?zāi)康模? 1) 掌握信號進行頻譜分析的原理； 2) 熟悉典型周期信號，如方波、三角波、鋸齒波等的幅、相頻譜； 3) 熟悉典型非周期信號，如窗函數(shù)、單位脈沖函數(shù)、周期單位脈沖序列等的幅、相頻譜； 4) 熟悉典型隨機信號，如正態(tài)分布的隨機信號等的幅、相頻譜。 實驗儀器與系統(tǒng)框圖： 計算機，測試實驗軟件 ； 實驗原理： 1） 信號的頻域描述，反映的是信號的頻率結(jié)構(gòu)和各頻率成分的幅值、相位關(guān)系。在頻域中每個信號都必須同時用幅頻譜、相頻譜來描述，統(tǒng)稱為頻譜。 幅頻譜：以頻率為橫坐標，以幅值為縱坐標； 相 頻譜：以頻率為橫坐標，以相位為縱坐標。 2） 周期信號，采用傅立葉級數(shù)來實現(xiàn)頻譜分析； 3） 非周期信號，采用傅立葉變換來實現(xiàn)頻譜分析； 4） 隨機信號，理論上應(yīng)該采用功率譜來表示其頻域描述，但針對每一個記錄樣本，均可計算其幅值譜。 5） 以上提到的頻譜分析，當在計算機上實現(xiàn)時，均采用的是離散傅立葉變換 DFT。 實驗內(nèi)容與步驟： 1） 打開“測試實驗軟件 ”，進入實驗二； 2） 在典型周期信號中選擇方波，單擊 頻譜分析 ，觀察其幅、相頻譜； 3） 同樣，可觀察其他周期信號的幅、相頻譜，注意周期信號的頻譜特 7 點； 4） 在典型非周期信號中選擇窗 函數(shù)，單擊 頻譜分析 ，觀察其幅、相頻譜； 5） 同樣，可觀察其他非周期信號的幅、相頻譜，注意非周期信號的頻譜特點； 6） 在典型隨機信號中選擇正態(tài)分布的隨機信號，單擊 頻譜分析 ，觀察其幅、相頻譜； 7） 同樣，可觀察其他隨機信號的幅、相頻譜，注意隨機信號的頻譜特點。 實驗報告要求（包括思考題）： 1) 任選某一種典型周期信號，畫出其頻譜（包括幅、相頻譜），并總結(jié)出周期信號的頻譜特點； 2) 任選某一種典型非周期信號，畫出其頻譜（包括幅、相頻譜），并總結(jié)出非周期信號的頻譜特點； 3) 任選某一種典型隨機信號，畫出其頻譜（包括幅、相頻譜），并總結(jié)出隨機信號的頻譜特點； 4) 寫出離散傅立葉變換的公式，試編程運行？ （ 3）典型信號的幅值特性分析實驗 試驗?zāi)康模? 1) 掌握信號進行幅值特性分析的原理； 2) 熟悉典型周期信號，如方波、三角波、鋸齒波等的幅值特性； 3) 熟悉典型非周期信號，如窗函數(shù)、單位脈沖函數(shù)、周期單位脈沖序列等的幅值特性； 4) 熟悉典型隨機信號，如正態(tài)分布的隨機信號等的幅值特性。 實驗儀器與系統(tǒng)框圖： 計算機，測試實驗軟件 ； 實驗原理： 1） 概率密度函數(shù)提供了信號幅值分布的信息，不同的信號有不同的概率密度函數(shù)圖形，因此可以用來識別信號的 性質(zhì)。 2） 當該函數(shù)未知時，可以用統(tǒng)計概率分布圖和直方圖來估計。 8 實驗內(nèi)容與步驟： 1） 打開“測試實驗軟件 ”，進入實驗三； 2） 在典型周期信號中選擇方波，單擊 幅值特性分析 ，觀察其概率分布函數(shù)、概率密度函數(shù)； 3） 同樣，可觀察其他周期信號的概率分布函數(shù)、概率密度函數(shù)； 4） 在典型非周期信號中選擇窗函數(shù)，單擊 幅值特性分析 ，觀察其概率分布函數(shù)、概率密度函數(shù)； 5） 同樣，可觀察其他非周期信號的概率分布函數(shù)、概率密度函數(shù)； 6） 在典型隨機信號中選擇正態(tài)分布的隨機信號，單擊 幅值特性分析 ，觀察其概率分布函數(shù)、概率密度函數(shù)； 7） 同樣 ，可觀察其他隨機信號的概率分布函數(shù)、概率密度函數(shù)。 實驗報告要求（包括思考題）： 1) 任選某一種典型周期信號，畫出其概率分布函數(shù)、概率密度函數(shù)； 2) 任選某一種典型非周期信號，畫出其概率分布函數(shù)、概率密度函數(shù)； 3) 任選某一種典型隨機信號，畫出其概率分布函數(shù)、概率密度函數(shù)； 4) 寫出離散傅立葉變換的公式，試編程運行？ （ 4）典型信號的強度分析實驗 試驗?zāi)康模? 1) 掌握信號進行強度分析原理，計算各統(tǒng)計參數(shù)，如均值、方差、均方值等； 2) 熟悉典型周期信號，如方波、三角波、鋸齒波等的各統(tǒng)計參數(shù)； 3) 熟悉典型非周期信號，如窗函數(shù)、單 位脈沖函數(shù)、周期單位脈沖序列等的各統(tǒng)計參數(shù)； 4) 熟悉典型隨機信號，如正態(tài)分布的隨機信號等的各統(tǒng)計參數(shù)。 實驗儀器與系統(tǒng)框圖： 計算機，測試實驗軟件 ； 實驗原理： 1) 主要統(tǒng)計特征參數(shù)包括均值、均方值、方差，三者之間的關(guān)系：222 xxx ??? ?? 。 9 2) 其他統(tǒng)計特征參數(shù)還有很多，具體可見參考 [11]。 實驗內(nèi)容與步驟： 1） 打開“測試實驗軟件 ”，進入實驗四； 2） 在典型周期信號中選擇方波，單擊 強度分析 ，計算其各統(tǒng)計參數(shù)； 3） 同樣，可觀察其他周期信號的各統(tǒng)計參數(shù) ； 4） 在典型非周期信號中選擇窗函數(shù)，單擊 強度分析 ，計算其各統(tǒng)計參數(shù)； 5） 同樣，可觀察其他非周期信號的各統(tǒng)計參數(shù)； 6） 在典型隨機信號中選擇正態(tài)分布的隨機信號，單擊 強度分析 ，計算其各統(tǒng)計參數(shù)； 7） 同樣，可觀察其他隨機信號的各統(tǒng)計參數(shù)。 實驗報告要求（包括思考題）： 1） 任選某一種典型周期信號，計算其各統(tǒng)計參數(shù)； 2） 任選某一種典型非周期信號，計算其各統(tǒng)計參數(shù)； 3） 任選某一種典型隨機信號，計算其各統(tǒng)計參數(shù)； 10 第二章 測試裝置的基本特性 （ 5）傳感器靜態(tài)標定實驗 試驗?zāi)康模? 1）學習 YJD1 型電阻應(yīng)變儀的使用方法。 2）學習測量裝置靜態(tài)特性的標定方法。 3）掌握用分析軟件對靜態(tài)裝置靜態(tài)特性的標定方法。 實驗儀器與系統(tǒng)框圖： 1） YJD1 型電阻應(yīng)變儀； 2）電阻應(yīng)變式傳感器； 3）計算機，測試實驗軟件 ； 4）系統(tǒng)框圖： 實驗原理： 新設(shè)計制造的傳感器，需要對其參數(shù)和性能進行標定，以便檢查是否符合設(shè)計要求。另外，隨著時間和周圍環(huán)境的變化，使用中傳感器的參數(shù)也會有變化，也需要進行定期校準，所以測量裝置的標定，是一項經(jīng)常性，非常重要的工作。 電阻應(yīng)變式測力傳感器的靜態(tài)標定，就是在靜態(tài)下，通過加載 裝置對傳感器施加載荷，同時由應(yīng)變儀讀取輸出，而獲取傳感器的靜態(tài)特性參數(shù)如靈敏度，非線性度，回程誤差等。 實驗內(nèi)容與步驟： 4． 1 粘貼應(yīng)變片 1） 惠斯登電橋挑選兩個電阻值 120Ω左右的電阻應(yīng)變片 ,阻值差小于。 2） 砂紙打磨等強度梁，去除污物，用酒精清洗。 3） 用 502 膠水粘貼電阻應(yīng)變片。（一片粘在受力的位置，一片粘在不受力的位置。） 4） 用萬用表檢查有無短路、斷路，引線與等強度梁間的絕緣電阻應(yīng)大于150MΩ。 5） 焊接導線，并用膠帶紙固定，在常溫下，放置 24 小時后，方可使用。 4