【正文】 周期信號的整周期截取。 b) 主瓣的寬度；窄 的主瓣可以提高頻率分辨力。 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。 3）從理論上說，泄漏是不可避免的，只能減小。 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?cái)嗪笠脖厝怀蔀闊o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 。從數(shù)學(xué)處理上看，就是乘以有限寬矩形窗函數(shù)。 實(shí)驗(yàn)儀器與系統(tǒng)框圖： 計(jì)算機(jī)，測試實(shí)驗(yàn)軟件 ； 實(shí)驗(yàn)原理： 1）泄漏現(xiàn)象是在時域截?cái)噙^程中產(chǎn)生的。 27 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟： 1）打開“測試實(shí)驗(yàn)軟件 ”，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)一； 2）在典型信號中選擇指數(shù)函數(shù)，觀察信號的連續(xù)波形 及連續(xù)頻譜； 3）單擊 時域采樣 ，觀察原信號的離散波形及周期化的連續(xù)頻譜； 4）設(shè)置 濾波參數(shù) ，使原信號成為限帶寬信號，并根據(jù)采樣定理相應(yīng)設(shè)置 采樣參數(shù) ； 5）單擊 時域采樣 ，觀察限帶寬信號的離散波形及周期化的連續(xù)頻譜； 6）設(shè)置其他的濾波參數(shù)、采樣參數(shù)，重復(fù)上述過程，觀察不同參數(shù)對時域采樣后信號的波形及頻譜的影響。 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。 b) 滿足采樣定理 hs ff 2? ，即采樣頻率必須大于信號最高頻率的 2倍以上。 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。 在頻域中，如果頻譜的搬移距離過小，搬移后的頻譜就會有一部分相互交疊，從而使新合成的頻譜與原頻譜不一致，無法準(zhǔn)確地恢復(fù)原時域信號，這種現(xiàn)象稱為 混疊 。 時域采樣，就是等時間間隔地取點(diǎn)。 3）相關(guān)濾波為什么屬于恒帶寬濾波？ 26 第五章 信號處理初步 （ 17）抗混疊濾波與采樣定理 試驗(yàn)?zāi)康模? 1）觀察模擬信號數(shù)字化過程中的混疊現(xiàn)象，掌握混疊產(chǎn)生的原因； 2）掌握避免混疊的兩個措施：抗混疊濾波，采樣定理，以及正確的參數(shù)設(shè)置； 3）觀察模擬信號的正確時域采樣。 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求（包括思考題）： 1）寫出實(shí)驗(yàn)名稱、目的。 25 實(shí)驗(yàn)儀器與系統(tǒng)框圖： 計(jì)算機(jī)，測試實(shí)驗(yàn)軟件 ； 實(shí)驗(yàn)原理： 恒帶寬濾波器組 恒帶寬比濾波器組： 每一個通濾波器的上、下截止頻率之間的關(guān)系為 12 2 c ff ? ， 兩相鄰帶通濾波器的中心頻率 mf ， 1?mf 之間的關(guān)系為 mnm ff 21 ?? ， 式中 n — 倍頻程數(shù)。 3）說明帶通濾波器與高、低通濾波器的關(guān)系。 （ 3）中心頻率 nf ：帶通濾波器的中心頻率 nf 定義為上下截止頻率的幾何平均值 21 c fff ? （ 4）品質(zhì)因數(shù) Q ： Q 表征帶通濾波器的頻率選擇性， BfQ n? 實(shí)驗(yàn)內(nèi) 容與步驟： 1）打開“測試實(shí)驗(yàn)軟件 ”，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)十五； 2）在濾波器主要參數(shù)中輸入不同的值，觀察濾波效果； 3）觀察一階 RC 低通濾波器的頻率特性，以及 RC 值對頻率特性的影響； 4）觀察一階 RC 高通濾波器的頻率特性，以及 RC 值對頻率特性的影響； 5）觀察 RC 帶通濾波器的頻率特性，以及 RC 值對頻率特性的影響； 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求（包括思考題）： 1）寫出實(shí)驗(yàn)名稱、目的。對帶通濾波器有： 12 cc ffB ?? 。 被測應(yīng)變量 電橋 放大 相敏檢波 低通 顯示 振蕩器 24 實(shí)驗(yàn)儀器與系統(tǒng)框圖： 計(jì)算機(jī)，測試實(shí)驗(yàn)軟件 ； 實(shí)驗(yàn)原理： （ 1）濾波器的截止頻率 1cf ， 2cf ：幅頻特性曲線降為最大值的 21 倍時對應(yīng)的頻率為截止頻率。 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。 實(shí)驗(yàn) 內(nèi)容與步驟： 1）打開“測試實(shí)驗(yàn)軟件 ”，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)十四； 2）點(diǎn)擊圖中被測應(yīng)變量、載波、調(diào)幅波、放大后波形、解調(diào)后波形、還原后波形，觀察各級輸出波形。 2）觀察各級輸出時域波形。 2）簡述調(diào)幅及解調(diào)的原理，畫出系統(tǒng)框圖。 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟： 1）打開“測試實(shí)驗(yàn)軟件 ”，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)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。 低通濾波器：濾去高頻成分，恢復(fù)原信號。 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。 調(diào)幅的目的是使緩變信號便于放大和輸出。 調(diào)制信號 ： 即被測量。 22 實(shí)驗(yàn)儀器與系統(tǒng)框圖： 計(jì)算機(jī)，測試實(shí)驗(yàn)軟件 ； 實(shí)驗(yàn)原理： 所謂調(diào)制就是使一個信號（載波）的某些參數(shù)在另一信號（調(diào)制信號）的控制下而發(fā)生變化的過程，輸出信號為已調(diào)制波。 2）對實(shí)驗(yàn)過程得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并說明所采用的原理。 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟： 1）打開“測試實(shí)驗(yàn)軟件 ”，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)十二； 2）在直流電橋中分別選擇半橋單臂、半橋雙臂、全橋，單擊 輸出信號 ，觀察輸出電壓，并根據(jù)輸入信號和供橋電壓計(jì)算靈敏度； 3）在交流電橋中分別選擇半橋單臂、半橋雙臂、全橋，單擊 輸出信號 ，觀察輸出電壓，并根據(jù)輸入信號和供橋電壓計(jì)算靈敏度； 4）在 2）中單擊 電橋平衡 ，觀察直流電橋的平衡條件； 5）在 3）中單擊 電橋平衡 ，觀察交流電橋的平衡條件。 實(shí)驗(yàn)儀器與系統(tǒng)框圖： 計(jì)算機(jī)，測試實(shí)驗(yàn)軟件 ； 實(shí)驗(yàn)原理： 電橋平衡條件：直流電橋 4231 RRRR ? ；交流電橋??? ????423104020301 ???? ZZZZ 。 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟： 1）觀察壓電傳感器的外形； 2）按照使用說明書安裝壓電傳感器； 3）設(shè)置電荷放大器的各項(xiàng)參數(shù)； 3）觀察傳感器的輸出信號，然后采集。 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。 相位：振動信號的相位信息十分重要，如利用相位關(guān)系確定共振點(diǎn)、測量振型、旋轉(zhuǎn)件動平衡、有源振動控制、降噪等。 頻率：不同的頻率成分反映系統(tǒng)內(nèi)不同的振源。 2） 振動的幅值、頻率和相位是振動的三個基本參數(shù)，稱為振動三要素。 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)。 實(shí)驗(yàn)儀器與系統(tǒng)框圖： 渦流傳感器 渦流變換器 運(yùn)算放大器 毫伏表 A/D 轉(zhuǎn)換 計(jì)算機(jī)分析系統(tǒng) 20 1）壓電 傳感器； 2）電荷放大器； 3）測試系統(tǒng)。 （ 11）壓電式傳感器原理及前置放大器 試驗(yàn)?zāi)康模? 1）了解和掌握 壓電 傳感器測量原理和方法。用激振器激勵平行梁振動，激振頻率為 15， 20， 30Hz 處分別記錄要求對應(yīng)的輸出峰 — 峰值，并根據(jù)前面得到的校準(zhǔn)曲線計(jì)算出對應(yīng)的振動幅度。 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(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1，分析比較所得結(jié)果。示波器上讀出峰－峰值，毫伏表上讀平均值，每隔 讀一次數(shù)，直到線性嚴(yán)重破壞為止，即靜態(tài)校準(zhǔn)。 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。在探傷過程中，能同時兼顧長通傷、緩變傷等長缺陷和短小缺陷（如通孔）；能夠有效抑制管道在線、離線檢測時的某些干擾信號（如材質(zhì)不均、晃動等），對金屬管道內(nèi)外壁缺陷檢測都具有較高的靈敏度；還可用于機(jī)械零部件混料分選，滲碳深度和熱處理狀態(tài)評價(jià)，硬度測量等。然而，正是由于對多種試驗(yàn)參數(shù)有敏感反應(yīng)，也就會給試驗(yàn)結(jié)果帶 來干擾信息，影響檢測的正確進(jìn)行。對管、棒、絲材表面缺陷，渦流檢查法有很高的速度和效率。 渦流檢測只適用于能產(chǎn)生渦流的導(dǎo)電材料。輸出信號的大小隨探頭到被測體表面之間的間距而變化，電渦流傳感器就是根據(jù)這一原理實(shí)現(xiàn)對金屬物體的位移、振動等參數(shù)的測量。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。通常假定金屬導(dǎo)體材質(zhì)均勻且性能是線性和各項(xiàng)同性，則線圈和金屬導(dǎo)體系統(tǒng)的物理性質(zhì)可由金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率б、磁導(dǎo)率ξ、尺寸因子τ、頭部體線圈與金屬導(dǎo)體表面的距離 D、電流強(qiáng)度 I 和頻率ω參數(shù)來描述。 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。電渦流位移傳感器能準(zhǔn)確測量被測體（必須是金屬導(dǎo)體）與探頭端面之間的靜態(tài)和動態(tài)距離及其變化。 實(shí)驗(yàn)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。 實(shí)驗(yàn)儀器與系統(tǒng)框圖： 1） 電渦流傳感器； 2）電壓放大器。 實(shí)驗(yàn)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(xiàng)參數(shù)； 3）觀察傳感器的輸出信號，然后采集。 測扭矩 應(yīng)變 片 式傳感器 ：常用的彈性元件為圓軸。 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(shí)心圓柱形、空心圓柱形）。關(guān)鍵是合理選擇彈性元件，以及應(yīng)變片的布置方式和接橋方式，以得到測量應(yīng)變與實(shí)際應(yīng)變之間的關(guān)系。 實(shí)驗(yàn)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） 掌握如何用 電阻應(yīng)變式 傳感器測量 力、拉、壓、彎、扭 。 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。 2）畫出一階測試系統(tǒng)幅、相頻曲線，分析參數(shù)τ變化對其的影響。 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。 3）點(diǎn)擊對話框中的“二階系統(tǒng)”。 2）點(diǎn)擊對話框中的“一階系統(tǒng)”。 動 態(tài) 不 失 真 條 件 為 ： 在 動 態(tài) 測 量 時 ， 理 想 的 定 常 線 性 系 統(tǒng))()( 00 ttxAty ?? ， A0 為靈敏度， t0 為時間延遲。 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。 （ 8）一二階系統(tǒng)無失真測試條件實(shí)驗(yàn) 試驗(yàn)?zāi)康模? 1）掌握不失真測試的條件。 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)。 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求（包括思考題）： 14 1）畫出不同固有頻率 ωn、 阻尼比 ξ下的 幅 、相 頻特性 曲線，實(shí)、虛頻特性曲線，以及乃奎斯特圖。 3） 取阻尼比 ξ =， ， ， ， ，觀察二階系統(tǒng)的 幅 、相 頻特性 曲線，實(shí)、虛頻特性曲線，以及乃奎斯特圖。 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟： 1） 打開“測試 實(shí)驗(yàn)軟件 ”，進(jìn)入“動態(tài)特性”實(shí)驗(yàn)。因此作為使用裝置，極少選用這種頻率關(guān)系。 在通常的使用頻率范圍中，以固有頻率 ωn 的影響最為重要 ， 所以二階系統(tǒng)工作頻率范圍 的確定以 固有頻率為依據(jù)。 （ 7）二階系統(tǒng)頻率響應(yīng)實(shí)驗(yàn) 試驗(yàn)?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)。 2）畫出不同時間常數(shù)τ下的單位脈沖響應(yīng)和單位階躍響應(yīng)。 實(shí)驗(yàn)報(bào)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(shí)、虛頻特性曲線，以及乃奎 斯特圖。 2） 取時間常數(shù) τ =， ， ，觀察一階系統(tǒng)的 幅 、相 頻特性 曲線，實(shí)、虛頻特性曲線，以及乃奎斯特圖。 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。因此系統(tǒng)的頻率特性指系統(tǒng)在簡諧信號激勵下，其穩(wěn)態(tài)輸出對輸 入的幅值比、相位差隨激勵頻率 ω變化的特性。 實(shí)驗(yàn)儀器與系統(tǒng)框 圖： 計(jì)算機(jī)，測試實(shí)驗(yàn)軟件 ； 實(shí)驗(yàn)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。 確定本測力傳感器的靜態(tài)靈敏度 S。 非線性度：按端點(diǎn)線性、最小二乘法二種方法做出擬合直線、求出線性誤差。 0 100 200 300 400 500 加載 卸載 4． 3 數(shù)據(jù)處理 1） 打開“測試實(shí)驗(yàn)軟件 ”，進(jìn)入“靜態(tài)標(biāo)定”實(shí)驗(yàn)； 2） 將實(shí)驗(yàn)記錄的各數(shù)據(jù)分別填入，點(diǎn)擊 作圖 ； 3） 按端點(diǎn)線性、 最小二乘法二種方法做出擬合直線，求出線性誤差； 4） 繪出 回程誤差特性曲線，并確定其回程誤差 H； 5） 確定本測力傳感器的靜態(tài)靈敏度 S。 9） 依次卸載并