【正文】 節(jié)順序編寫實驗內(nèi)容。 傳感器與 測試技術(shù) 實驗指導(dǎo)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(jī)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(yuǎn)的變革與更新，并已充分體現(xiàn)在面向廿一世紀(jì)教學(xué)大綱與教材中，顯然原有的實驗設(shè)備環(huán)境已遠(yuǎn)不能滿足其要求，為此我學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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。 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(jìn)一步修改完善，推出正式版本。 5 第一篇 基礎(chǔ)理論教學(xué)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 。 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]。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。 實驗內(nèi)容與步驟： 1） 打開“測試實驗軟件 ”，進(jìn)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(jī)信號中選擇正態(tài)分布的隨機(jī)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(jī)信號的幅、相頻譜，注意隨機(jī)信號的頻譜特點。 8 實驗內(nèi)容與步驟： 1） 打開“測試實驗軟件 ”，進(jìn)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(jī)信號中選擇正態(tài)分布的隨機(jī)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(jī)信號的概率分布函數(shù)、概率密度函數(shù)。 實驗內(nèi)容與步驟： 1） 打開“測試實驗軟件 ”，進(jìn)入實驗四； 2） 在典型周期信號中選擇方波，單擊 強(qiáng)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(qiáng)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(jī)信號中選擇正態(tài)分布的隨機(jī)信號，單擊 強(qiáng)度分析 ，計算其各統(tǒng)計參數(shù)； 7） 同樣，可觀察其他隨機(jī)信號的各統(tǒng)計參數(shù)。 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(jī)，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(jìn)行標(biāo)定，以便檢查是否符合設(shè)計要求。 2） 砂紙打磨等強(qiáng)度梁，去除污物，用酒精清洗。 5） 焊接導(dǎo)線，并用膠帶紙固定，在常溫下，放置 24 小時后，方可使用。 4） 檢查微調(diào)，中調(diào)，粗調(diào)三個調(diào)節(jié)旋鈕，是否都指在零位。在“予”、“靜”反復(fù)調(diào)整幾次后，此時電橋已予調(diào)平衡。 9） 依次卸載并記錄讀數(shù)。 非線性度：按端點線性、最小二乘法二種方法做出擬合直線、求出線性誤差。 實驗儀器與系統(tǒng)框 圖： 計算機(jī)，測試實驗軟件 ； 實驗原理： 頻率響應(yīng)函數(shù)是描述和考察系統(tǒng)在頻率域中的特性的，利用它和傳遞函數(shù)的關(guān)系，極易求出傳遞函數(shù)，是研究系統(tǒng)特性的重要的工具。 改變系統(tǒng)的動態(tài)特性參數(shù) —— 時間常數(shù)τ可以觀察相應(yīng)的特性曲線。 實驗報告要求（包括思考題）： 1）畫出不同時間常數(shù)τ下的 幅 、相 頻特性 曲線，實、虛頻特性曲線，以及乃奎 斯特圖。 （ 7）二階系統(tǒng)頻率響應(yīng)實驗 試驗?zāi)康模? 1） 了解二階系統(tǒng)的 時域 響應(yīng)函數(shù)； 2） 掌握二階系統(tǒng) 的 頻率響應(yīng)函數(shù)。因此作為使用裝置，極少選用這種頻率關(guān)系。 3） 取阻尼比 ξ =， ， ， ， ，觀察二階系統(tǒng)的 幅 、相 頻特性 曲線，實、虛頻特性曲線，以及乃奎斯特圖。 2）畫出不同固有頻 率 ωn、 阻尼比 ξ下的單位脈沖響應(yīng)和單位階躍響應(yīng)。 2）了解參數(shù) nf 、ξ變化對二階測試裝置不失真測試范圍的影響。 2）點擊對話框中的“一階系統(tǒng)”。 在 ?? 值條件下，改變 nf ， ? ?Hzf 1000?? 變化，畫出幅頻、相頻曲線進(jìn)行分析，確定對不失真頻率范圍影響。 4）畫出 ?? 時，改變 nf 值的二階測試系統(tǒng)幅、相頻曲線，根據(jù)nf 曲線說明對不失真測試條件影響，從而確定在最佳阻尼條件下不失真的工作頻率范圍。 實驗原理： 1） 應(yīng)變 片 式傳感器 分類：依據(jù)測量目的分為載荷測量和應(yīng)力測量。 2）常用的幾種 應(yīng)變 片 式傳感器 測拉（壓）力 應(yīng)變 片 式傳感器 ：常用的彈性元件有環(huán)形（圓環(huán)形、扁圓環(huán)形）和柱形 （實心圓柱形、空心圓柱形）。 實驗內(nèi)容與步驟： 1）觀察電阻應(yīng)變式 傳感器 的外形； 2）按照使用說明書安裝電阻應(yīng)變式 傳感器 ； 3）設(shè)置電阻應(yīng)變儀的各項參數(shù)； 3）觀察傳感器的輸出信號，然后采集。 實驗原理： 1） 電渦流傳感器就是能靜態(tài)和動態(tài)地非接觸，高線性度，高分辨力地測量被測金屬導(dǎo)體距探頭表面的距離。 前置器中高頻振蕩電流通過延伸電纜流入探頭線圈，在探頭頭部的線圈中產(chǎn)生交變的磁場。通常我們能做到控制τ , ξ , б , I, ω這幾個參數(shù)在一定范圍內(nèi)不變，則線圈的特征阻抗 Z 就成為距離 D 的單值函數(shù)，雖然它整個函數(shù)是一非線性的，其函數(shù)特征為 S型曲線，但可以選取它近似為線性的一段。 渦流檢測只適用于能產(chǎn)生渦流的導(dǎo)電材料。然而，正是由于對多種試驗參數(shù)有敏感反應(yīng)，也就會給試驗結(jié)果帶 來干擾信息，影響檢測的正確進(jìn)行。 4）靜態(tài)校準(zhǔn) 按 下圖 接好線路，調(diào)整被測片與渦流 線圈的距離。 5）被測體對傳感器特性的影響 根據(jù)上圖，分別用鋁、銅、鐵被測片重復(fù)實驗內(nèi)容 1，分析比較所得結(jié)果。 （ 11）壓電式傳感器原理及前置放大器 試驗?zāi)康模? 1）了解和掌握 壓電 傳感器測量原理和方法。 壓電傳感器的力學(xué)模型可簡化為一個單自由度質(zhì)量 彈簧系統(tǒng)。 頻率：不同的頻率成分反映系統(tǒng)內(nèi)不同的振源。 在振動測量時，應(yīng)合理選擇測量參數(shù)，如振動位移是研 究強(qiáng)度和變形的重要依據(jù)；振動加速度與作用力或載荷成正比，是研究動力強(qiáng)度和疲勞的重要依據(jù)；振動速度決定了噪聲的高低，人對機(jī)械振動的敏感程度在很大頻率范圍內(nèi)是由速度決定的。 實驗儀器與系統(tǒng)框圖： 計算機(jī)，測試實驗軟件 ； 實驗原理： 電橋平衡條件：直流電橋 4231 RRRR ? ；交流電橋??? ????423104020301 ???? ZZZZ 。 2）對實驗過程得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并說明所采用的原理。 調(diào)制信號 ： 即被測量。 解調(diào)器 ：利用載波信號與調(diào)幅波的相位比得出原信號的幅值和極性。 實驗內(nèi)容與步驟： 1）打開“測試實驗軟件 ”，進(jìn)入實驗十三； 2）輸入 fm=100Hz， f0=300Hz，觀察調(diào)幅過程的時域波形和頻譜； 3）輸入不同的 fo， fm值，觀察信號波形和頻譜的變化； 調(diào)制信號 載波信號 100?mf 500?f 100?mf 1000 ?f 100?mf 10000 ?f 4）選擇 失真方式 ，觀察失真現(xiàn)象； 5）選擇 不失真修正 ，觀察不失真的條件并分析原因。 2）觀察各級輸出時域波形。 2）畫出動態(tài)電阻應(yīng)變儀的系統(tǒng)框圖，并標(biāo)出各級輸出波形。對帶通濾波器有： 12 cc ffB ?? 。 3）說明帶通濾波器與高、低通濾波器的關(guān)系。 實驗報告要求（包括思考題）： 1）寫出實驗名稱、目的。 時域采樣，就是等時間間隔地取點。 3）為了避免混疊所采取的措施為： a) 對非有限帶寬的模擬信號，在采樣之前進(jìn)行低通濾波，濾去高頻成分，使其成為限帶寬的的信號。 4）從理論上來說，只要滿足了以上兩個條件，就可以從根本上避免混疊，保證正確的分析結(jié)果。 實驗儀器與系統(tǒng)框圖： 計算機(jī)，測試實驗軟件 ； 實驗原理： 1）泄漏現(xiàn)象是在時域截斷過程中產(chǎn)生的。 在頻域中，由于矩形窗函數(shù)的頻譜是一個無限帶寬的 sinc 函數(shù)，即使原模擬信號是有限帶寬的，截斷后也必然成為無限帶寬的，這種信號的能量 28 在頻率軸分布擴(kuò)展的現(xiàn)象稱為 泄漏 。 但采用合適的窗函數(shù)（如常見典型窗函數(shù)），可以減小泄漏。 實驗報告要求（包括思考題）： 1）畫出矩形窗及其頻譜，以及對應(yīng)信號的離散波形及周期化的連續(xù)頻譜； 2）畫出汗寧窗及其頻譜，以及對應(yīng)信號的離散波形及周期化的連續(xù)頻譜； 3）總結(jié)泄漏產(chǎn)生的原因，及窗函數(shù)的選用標(biāo)準(zhǔn)； 4）為什么泄漏是不可避免的？ 5）為什么泄漏會引起混疊？ （ 19） FFT 譜的柵欄效應(yīng)與周期信號的整周期截取 試驗?zāi)康模? 1）觀察模擬信號數(shù)字化過程中的柵欄效應(yīng)，掌握柵欄效應(yīng)產(chǎn)生的原因； 2）了解避免柵欄效應(yīng)的幾種的措施； 3）掌握周期信號的整周期截取。頻域相乘相當(dāng)于時域作卷積，就相當(dāng)于時域波形的周期延拓，即頻域波形的搬移。 2）產(chǎn)生柵欄效應(yīng)的原因為：頻率采樣間隔 Δ f 太大。 c) 頻率細(xì)化技術(shù) ZOOMDFT。因此，周期信號的頻率必須預(yù)先知道 。 實驗儀器與系統(tǒng)框圖： 計算機(jī)，測試實驗軟件 ； 實驗原理： 1 ） 信 號 的 自 相 關(guān) 函 數(shù)220)()()(1lim)( xxxTTx dttxtxTR ?????? ???? ??? ，具有以下性質(zhì)： ① )(?xR 的取值區(qū)間為 2222 )( xxxxx R ????? ???? 。 31 ⑤ 周期函數(shù)的自相關(guān)函數(shù)仍為同頻的周期函數(shù)，保留了原信號的幅值信息，丟失了原信號的初始相位信息。 3 ） 信 號 的 互 相 關(guān) 函 數(shù)yxxyyxTTxy dttytxTR ???????? )()()(1lim)(0???? ??? ，具有以下性質(zhì)： ① )(?xyR 的取值區(qū)間為 yxyxxyyxyx R ????????? ???? )(。 ⑤ 同頻相關(guān)，不同頻不相關(guān)；即兩同頻的周期函數(shù)的互相關(guān)函數(shù)仍為同頻的周期函數(shù)，保留各自的幅值信息和 相位差信息，而不同頻的兩周期函數(shù)必定不相關(guān)。 ② 互相關(guān)技術(shù)還廣泛應(yīng)用于各種測試中。 12,1,0)()(1)()()(1)(1010 ???????????????????? NmrrnynxNrRrnxnxNrRNnxyNnx? 實驗內(nèi)容與步驟： 1）打開“測試實驗軟件 ”，進(jìn)入實驗四； 2）在典型信號中選擇正弦信號，觀察信號的自相關(guān)函數(shù)； 3）在典型信號中選擇正弦信號 +噪聲，觀察信號的自相關(guān)函數(shù)； 4）在典型信號中分別選擇正弦信號和矩形波，觀察兩個信號的互相關(guān)函數(shù)； 5）改變正弦信號和矩形波的頻率，重復(fù)上述過程。 2）自功率譜與信號幅值譜之間的關(guān)系 2)(1lim)( fXTfS Tx ??? ，即自功率譜為信號幅值譜的平方。但實際處理時，由于矩形窗函數(shù)進(jìn)行了時域截斷，頻譜由無限大的高度變?yōu)橛邢薷叨?，由無限小的寬度變?yōu)橛幸欢▽挾?，所以周期成分在實測的自功率譜中以陡峭峰值的形態(tài)出現(xiàn)。 5）互功率譜的應(yīng)用場合為 ① )( )()( fS fSfH xxy?，即通過輸入、輸出的互譜分析，可以得出系統(tǒng)的頻響函數(shù) ，同時包含了幅頻特性和相頻特性。 ③ 評價系統(tǒng)的輸入信號和輸出信號之間的因果性。 6）用周期圖法估計功率譜密度函數(shù) 利用自功率譜與幅值譜的關(guān)系 2)(1lim)( fXTfSTx ???， 取有限長觀察值得 2)(1)( fXTfSx ? 推廣得 )()(1)()()(1)( ** fXfYTfSfYfXTfSyxxy ?? ， 則對于數(shù)字信號12,1,0)()(1)()()(1)()(1)(**2??????????NkkXkYTkSkYkX