测试技术实验指导书新版

1、测试技术实验指导书第二版江南大学机械工程学院机电系2009年4月实验一 信号频谱分析实验一、实验目的通过对周期信号的频谱分析实验，理解傅立叶系数的物理意义和频谱的概念、特征，掌握信号的合成和分解方法，并进一步了解频谱的应用。二、实验设备通用计算机（装有LabVIEW软件8.0或以上版本）PCI总线数据采集卡(NI6221-37)VD1641型低频信号发生器SR8（V252）二踪示波器屏蔽电缆接线端子板三、实验原理周期函数只要符合狄里赫利条件都可以展开成傅立叶级数，即周期信号可以表达为由不同频率不同幅值的正弦或余弦信号之和。由式（1）表示。Y(t)=a0+ansin(n0+n) (1) 式中：a

2、0 - 直流分量an - n次谐波分量的幅值n 谐波次数n n次谐波分量的相位各次谐波的幅值an是频率=n0的函数称作信号的幅频谱；各次谐波的初相位n是频率=n0的函数称作信号的相频谱。实验者应做三方面的实验工作：1、通过对已知的方波和三角波等周期信号进行傅立叶变换获得信号频谱图。实验者从该过程中了解周期信号的组成成分，掌握信号的分解过程。2、在分解后的信号中取前有限次的谐波进行求和，并改变谐波次数，观察求和所得到的信号的时域波形的变化。实验者可从该过程中了解用有限次谐波替代周期信号所带来的失真随谐波次数的变化。3、把求和所得到的信号的时域波形和原信号波形进行比较，观察出能够替代原周期信号的用

3、以求和的最少谐波次数。4、自行给出三角级数式，显示该级数的波形。通过实验理解信号的频谱概念，以及信号频谱和系统动态特性的应用关系。三、实验准备实验前学生应作好充分的预备实验工作，预备工作有以下几项：（1） 仔细阅读实验指导书，了解实验目的、参考教材有关章节理解实验原理。（2） 了解实验步骤和实验使用的设备。（3） 了解实验系统的组成和设备之间的连接关系。（4） 了解实验系统的软件环境和操作方法。 四、信号频谱分析实验（一）实验步骤该实验的输入信号（被分析信号）由“虚拟信号发生器”即内部程序产生。实验步骤如下：1、打开桌面的文件夹“实验一”。2、双击图标如下图所示， 运行界面如下图，图中右箭头为

4、运行操作键，填黑时为正在运行，空白时为运行停止；红点为停止运行键。3、 在运行界面的设定区可设定被分析信号的类型如：方波（ Square Wave）、Sine Wave、三角波、锯齿波等（用鼠标点击信号类型框左侧的上、下箭头选择）；同样可以改变信号幅值（范围0-10V）、频率（0-150HZ）、相位。采样频率和采样数采用默认值。n是指前n次谐波次数取(0-30)。4、 在运行界面的显示区可显示被测信号的幅频谱、相频谱图。观察并记录各次谐波的幅值和相位。5、 设定n次数，在其右下方显示窗内可显示前n次谐波的各次谐波的波形和前n次谐波求和的结果。将前n次谐波求和的近似波形和原信号波形比较，描述两者

5、差别。改变谐波次数n可观察波形的失真程度随n 的变化情况。6、向下调节最右侧的滚动条，可显示最下方的设定和显示窗口。在设定窗内输入需要求和的三角级数式和基频园频率值，在右侧显示窗内即可显示该级数表示的信号波形。实验者不妨将已知信号的傅立叶三角级数式的有限次输入，以验证信号波形。见下图操作面板。五、信号频谱分析实验（二）实验步骤该实验的输入信号由试验台上的信号发生器输出，经由接线端子板接入计算机内的数据采集卡。实验步骤如下：1、按下图接好线路。切记在将信号接入端子板之前一定要用示波器观察信号，将信号幅值调在-5V+5V以内；并且注意信号正负极性不要接错；否则会损坏数据采集卡！ 2、检查接线无误后

6、，首先打开示波器电源，操作相应旋钮位置准备观察信号发生器的输出信号。3、 把信号发生器输出幅度旋钮旋到最小位置，打开信号发生器电源，把输出波形选择开关放在方波位置，输出频率调在100Hz，调节输出旋钮增大输出幅度，从示波器上观察，使输出幅度的峰峰值为5V。保持信号发生器和示波器的调节状态不变。4、 双击图标如下图所示， 5、 打开运行界面，如下图， 6、 在界面上进行相应的参数设置，将采样通道设置为Dec1/ai2、每通道采样（次数）设为10000、采样（速）率设为10000。7、 设置好参数后，观察信号波形，和频谱图。 8、 可按上述步骤对三角波或锯齿波信号进行频谱分析。五、实验报告1、 绘

7、制被分析的周期信号的频谱图（如果有条件可打印显示的频谱图）。2、写出重构周期信号的各次谐波的和式，绘制求和后的时域波形。3、讨论周期信号的频谱特征。4、讨论求和的谐波次数对波形的影响。实验二滤波器的幅频相频特性实验一、实验目的 通过对一阶RC低通滤波器的实验，了解一阶系统的幅频和相频特性，了解滤波器的选频特性。二、实验设备 VD1641型低频信号发生器 SR8（V252）二踪示波器 RC低通滤波器三、实验原理 RC低通滤波器自一只电阻与一只电容组成，见图1。图2 RC电路设滤波器的输入电压为，输出电压为, 电路和微分方程为 令时间常数 并对上式进行拉氏变换 这是一个典型的一阶系统，它的相幅频特

8、性书上已有阐述，在本实验中，主要就是验证它的相频幅频特性当时，A(f)=1，此时信号不受衰减，当f增加时A(f)逐渐变化，当，时，我们定义为低通滤波器的截止频率，同时当频率发生变化时，输出信号相对于输入信号的相位差也发生变化。四、实验步骤1、按图2接线图把仪器与RC低通滤波器接好，将低频振荡器的占空比旋钮（DUTYRAMR/PULSE）逆时针旋到底（CAL）位置，输出衰减开关（ATT）处于弹出位置即衰减为0，把输出幅度旋钮（POWER/AMPLITUDE）调到最小位置，旋动频率调节旋钮（粗调MAIN，细调FINE），把频率调到60HZ，作为基准信号频率。 图3 仪器接线图2、把示波器X轴的微调

9、调到2ms，然后再调Y轴的衰减开关拨到档，微调电位器，使从输入的基准信号和从输入的滤波器输入信号在荧光屏上都占据5大格，并与X轴对称，这时我们可以看到滤波器在低频时就有一定的相位差（不重合）。 3、改变低频振荡器的频率，同时调节X轴微调使图形稳定下来，然后测量滤波器输出的幅值（把参考信号幅值定为1）同时也测量出滤波器输出波形与输入波形的相位差。 注意：在调节频率时，如基准波形幅值发生变化时，可调节低频振荡器输出，使波形幅值不变。五、实验报告要求 1、记录滤波器输出输入的幅值比和相位差。表1 幅值比 频 率 Hz601503004005006007008002000示波器 （输出/输入） VPP

10、表2 相位差频 率 Hz601503004005006007008002000相位差 （x）x：相位差，两波形在X轴上占有的格数。X：周期，正弦波一个周期在X轴上占有的格数。2、画出幅频与相频特性图。3、找出低通滤波器的截止频率，并与理论值相比较。 调节低频信号发生器的频率，使输出信号幅值为输入信号幅值的0.707倍，这时对应的频率即为滤波器的截止频率。实验三电感式传感器性能实验（一）差动变压器性能实验一、实验目的了解差动变压器式传感器的原理、静态特性参数以及电路接线方法。 二、所需单元及部件1 仪器：CSY型传感器系统实验仪。2仪器单元：音频振荡器、差动变压器式传感器、双线示波器 三、有关旋

11、钮初始位置 音频振荡器4kHZ，双线示波器第一通道灵敏度500mVcm，第二通道灵敏度10mVcm，触发选择打到第一通道。 四、实验步骤（1） 按图4接线，音频振荡器必须从LV接出。图4 差动变压器接线图 （2）调整音频振荡器幅度旋钮，使音频LV信号输入到初级线圈的电压为2Vp-p。（3）旋动测微头，从示波器上读出次级输出电压Vp-p值填入下表：位 移 （X） mm54.54.00.50-0.5-4.5-5电 压 （Vo） V p-p读数过程中应注意初、次级波形的相位关系： 当铁芯从上至下时，相位由_ 相变为_相。 （4）仔细调节测微头使次级的差动输出电压力最小，必要时应将通道二的灵敏度打到较

12、高档，如，这个最小电压叫做_。过零时输出信号的相位变化为 度。（5）根据步骤（3）所得结果，画出（VoppX）曲线即实际定度曲线，指出线性工作范围，求出灵敏度 更一般地，由于灵敏度还与激励电压有关，因此： （6）采用两点连线法绘制理想定度曲线，并求出传感器的非线性度。五、注意事项 （1）差动变压器的激励源必须从音频振荡器的电流输出插口（LV插口）输出。 （2）差动变压器的两个次级线圈必须接成差动形式（即同名端相连。这可通过信号相位有否变化判别之）。 （3）差动变压器与示波器的连线应尽量短一些，以避免引入干扰。（二）电涡流式传感器的静态标定一、实验目的了解电涡流式传感器的原理及静态特性。二、所需

13、仪器及单元1仪器：CSY型传感器系统实验仪、示波器。2仪器单元：涡流变换器、电压表、测微头、铁测片、涡流传感器。三、实验步骤1、 装好传感器和测微头。2、 观察传感器的结构，它是一个平绕线圈。3、 用导线将传感器接入涡流变换器的输入端，将输出端接至电压表，电压表初始位置置于20V档，见图5。图五 涡流传感器接线图4、 用示波器观察涡流变换器输入端的波形。如发现没有振荡波形出现，将被测体移开一些。可见：波形为 波形，示波器的时基为 us/cm,故波形频率约为 。5、适当调节传感器的高度，使其与被测铁片接触，从此开始读数，记下示波器和电压表的数值，填入下表：位移量X(mm)示波器VPP（V）电压表

14、U（V）建议每隔0.20mm读数，到线性严重变坏为止。根据实验数据，在坐标纸上画出UX曲线，指出大致的线性范围，求出系统灵敏度。（最好能用误差理论的方法求出线性范围和灵敏度）。可见：涡流传感器最大的特点是 ，传感器与被测体间有一个最佳初始工作点。这里采用的变换电路是一种 。实验完毕关闭主、副电源。四、注意事项被测体与涡流传感器测试探头平面尽量平行，并将探头尽量对准被测体中间，以减少涡流损失。（三）电涡流式传感器的应用振幅测量一、实验目的了解电涡流式传感器测量动态信号的原理和方法二、所需仪器及单元1仪器：CSY型传感器系统实验仪、示波器。2仪器单元：电涡流传感器、涡流变换器、差动放大器、电桥平衡

15、电路、铁测片、直流稳压电源、低频振荡器、V/F表。三、有关旋钮的初始位置差动放大器增益电位器旋至最小，直流稳压电源置±4V档。四、实验步骤1、 转动测微器，将振动平台中间的磁铁与测微头分离，使梁振动时不至于再被吸住（这时振动台处于自由静止状态），适当调节涡流传感器头的高低位置（目测），以实验四的结果（线性范围的中点附近为佳）为参考。2、 根据图六的电路结构接线，将涡流传感器探头、涡流变换器、电桥平衡网络、差动放大器、F/V表、直流稳压电源连接起来，组成一个测量线路（这时直流稳压电源应置于±4V档），F/V表置于20V档，开启主副电源。图六 涡流传感器振幅测量接线图3、 调节

16、电桥平衡网络，使电压表读数为零。4、 去除差动放大器与电压表的连线，将差动放大器的输出与示波器连起来，将F/V表置2KHz档，并将低频振荡器的输出端与频率表的输入端和激振线圈I相连。5、 固定低频振荡器的幅度旋钮至某一位置（以振动台振动时不碰撞其他部件为好），调节频率，调节时用频率表监测频率，用示波器读出峰峰值填入下表，实验完毕，关闭主、副电源。F(Hz)3Hz5Hz7Hz10Hz13Hz15Hz18Hz20Hz23Hz25HzV(p-p)五、思考（1） 根据实验结果，可知道振动台的自振频率大致为多少？（2） 如果已知被测梁振幅为0.2mm，传感器是否一定要安装在最佳工作点？（3） 如果此传感

17、器仅用来测量振动频率，工作点问题是否仍十分重要？实验四 综合实验一、实验目的全面了解测试系统的组成；了解典型物理量检测的各个环节，如传感器、检测电路、计算机数据采集、信号分析、显示等的原理和方法；了解系统频率特性及其实验法；了解用虚拟仪器技术构成测试装置的硬件组成和编程方法。二、实验设备通用计算机（装有LabVIEW软件8.0版或以上版本）PCI总线数据采集卡(NI6221-37)SR8（V252）二踪示波器屏蔽电缆接线端子板CSY型传感器系统实验仪单元：1、电涡流传感器、涡流变换器、差动放大器、振动圆盘、直流稳压电源、低频振荡器。2、压电式传感器、悬臂梁、电荷放大器、电压放大器、低频振荡器。

18、三、实验说明及要求本实验是以CSY型传感器系统实验仪构成动态测试单元，并用计算机数据采集系统对信号采集，在虚拟仪器平台上对信号进行采集、处理、分析、输出结果。针对两个动态测试单元：电涡流传感器测量振动振幅和压电式传感器测量悬臂梁振动加速度。CSY型传感器系统实验仪动态测试单元输出信号通过接线端子板接入虚拟仪器系统（即配置数据采集卡并装置LabVIEW软件的计算机系统）。在虚拟仪器系统中启动准备好的程序对振动信号进行处理，获得振动的振幅、速度、加速度曲线、振动系统的频率特性等。实验者也可用自己编制的程序获得以上测量结果。如果采用自己编制的程序，实验者需在实验前将程序准备好。四、电涡流传感器测振系

19、统实验下图为电涡流传感器测振系统接线图，由两路信号构成，一路是激振信号通过跟随器接入接线端子板进入数据采集卡；另一路即是电涡流传感器测量振动盘的振动幅值。电涡流传感器的输出接入涡流变换器将传感器阻抗变化转变为电压变化，接入接线端子板进入数据采集卡。1、实验可以观察该强迫振动系统的激振信号和被测信号的比较，可以观察振动振幅波形、振动速度和加速度波形。2、可以通过频率法测得该振动系统的频率特性。按下图接线，切记在将信号接入端子板之前一定要用示波器观察信号，将信号幅值调在-5V+5V以内；并且注意信号正负极性不要接错；否则会损坏数据采集卡！ 涡流传感器测量振动接线图 实验步骤1、按接线图接线后，转动

20、测微器，将振动平台中间的磁铁与测微头分离，使平台振动时不至于再被吸住（这时振动台处于自由静止状态），适当调节涡流传感器头的高低位置（目测），以实验三（三）的结果（线性范围的中点附近为佳）为参考。2、 根据上图的电路结构接线，涡流传感器探头、低频振荡器、涡流变换器、差动放大器、示波器、接线端子板、数据采集卡组成一个测量线路。开启主副电源。3、 调节好低频振荡器的幅度旋钮至某一位置（设置在2V左右，用示波器观察），注意使产生共振时振动盘和涡流传感器的断面不要碰撞，以免损坏器件。4、 双击图标，如下图所示， 5、 观察界面如下图所示，该界面下可作两方面的实验一是信号分析实验：最上部的两幅波形图分别显示激振和测振振幅信号，下面依次显示信号的频谱、功率谱和振动速度、加速度曲线。二是系统频率特性实验：由最下端显示窗显示系统频率特性曲线。 6、 调节实验台上低频信号发生器的频率，在以上界面显示窗内，可显示