机械工程测试技术Word格式文档下载.docx

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15、RC调谐式滤波器的基本特性实验

16、倍频程滤波器及其在噪声测试中应用

第五章信号处理初步

17、频率混叠、抗混频滤波与采样定理

18、窗函数与FFT谱的能量泄漏

19、FFT谱的栅栏效应与信号的整周期截取

20、信号的相关分析

21、信号的FFT功率谱分析

第二篇工程测试应用实验

22、振动信号测试实验

1）仪器选择及系统设计

2）时域参量测试

3）振动信号的频谱分析

23、机械结构振动参数测试实验

1）测试系统设计

2）了解SDASⅡ数据采集系统

3）测试数据的分析处理

24、回转轴径向运动误差测试实验

1）测量原理

2）测试系统设计

3）数据采集与处理

25、噪声测试实验

26、动应力综合测试实验

1）综合应力发生装置

2）贴片与接桥

3）模拟测试系统设计

4）数字测试系统设计

综合型、设计型实验要求与格式（例如）

一、实验名称：

机械结构振动参数测试实验

二、实验目的：

1．了解计算机辅助测试——SDAS2数据采集与分析系统，及其在振动测试中的应用；

2．掌握快速正弦扫频激振测试及实验数据处理；

3．了解冲击激振测试及实验数据处理。

三、可供选择的实验仪器：

被测机械结构——悬臂梁

激振器，功放

加速度计，电荷放大器

SDAS2数据采集与分析系统

四、拟定实验方案：

1．合理选择实验一起，搭建测试系统；

2．简述实验原理；

3．写出实验步骤；

（**必须经指导教师答疑通过以上实验方案，方可进行实验）

4．完成实验过程，记录实验数据。

五、完成实验报告：

1．写出实验方案；

2．对实验数据进分析处理，比较被测试件的实验测试参数与理论计算参数，并加以分析；

3．谈谈该实验的心得体会及建议。

（1）典型信号的分解与合成实验

1、试验目的：

1）掌握信号分解与合成的原理；

2）熟悉典型信号，如方波、三角波、锯齿波等的分解与合成过程。

2、实验仪器与系统框图：

1）计算机，测试实验软件DTEST1.0；

2）

3、实验原理：

1）信号的频域描述，反映的是信号的频率结构和各频率成分的幅值、相位关系。

2）如下傅立叶级数可以看出，周期信号可看作无穷多个谐波分量的合成。

而当周期信号已知时，可确定各谐波分量的系数，将其分解。

3）对于典型的周期信号，如方波、三角波等，根据其傅立叶级数可确定分解与合成的过程，具体形式见参考[1]。

4、实验内容与步骤：

1）打开“测试实验软件DTEST1.0”，进入实验一；

2）在典型信号中选择方波，单击分解，观察分解后各谐波分量的波形；

3）单击合成，观察各谐波分量合成后的信号波形；

4）改变合成谐波分量的数目为1，重新合成，观察合成波形的变化，并与原信号波形比较；

5）逐步增加合成谐波分量的数目，重新合成，观察合成波形的变化，并与原信号波形比较；

6）同样，在典型信号中选择其它信号，重复上述操作。

5、实验报告要求（包括思考题）：

1）任选某一种典型信号，推导其傅立叶级数；

2）画出其原始信号波形；

3）画出其分解后各谐波分量的波形；

4）分别画出谐波分量的数目为1，2，3的合成波形，并与原信号波形进行比较，说明二者的区别所在，及讨论为什么？

（2）典型信号的频谱分析实验

1）掌握信号进行频谱分析的原理；

2）熟悉典型周期信号，如方波、三角波、锯齿波等的幅、相频谱；

3）熟悉典型非周期信号，如窗函数、单位脉冲函数、周期单位脉冲序列等的幅、相频谱；

4）熟悉典型随机信号，如正态分布的随机信号等的幅、相频谱。

计算机，测试实验软件DTEST1.0；

在频域中每个信号都必须同时用幅频谱、相频谱来描述，统称为频谱。

幅频谱：

以频率为横坐标，以幅值为纵坐标；

相频谱：

以频率为横坐标，以相位为纵坐标。

2）周期信号，采用傅立叶级数来实现频谱分析；

3）非周期信号，采用傅立叶变换来实现频谱分析；

4）随机信号，理论上应该采用功率谱来表示其频域描述，但针对每一个记录样本，均可计算其幅值谱。

5）以上提到的频谱分析，当在计算机上实现时，均采用的是离散傅立叶变换DFT。

1）打开“测试实验软件DTEST1.0”，进入实验二；

2）在典型周期信号中选择方波，单击频谱分析，观察其幅、相频谱；

3）同样，可观察其他周期信号的幅、相频谱，注意周期信号的频谱特点；

4）在典型非周期信号中选择窗函数，单击频谱分析，观察其幅、相频谱；

5）同样，可观察其他非周期信号的幅、相频谱，注意非周期信号的频谱特点；

6）在典型随机信号中选择正态分布的随机信号，单击频谱分析，观察其幅、相频谱；

7）同样，可观察其他随机信号的幅、相频谱，注意随机信号的频谱特点。

1）任选某一种典型周期信号，画出其频谱（包括幅、相频谱），并总结出周期信号的频谱特点；

2）任选某一种典型非周期信号，画出其频谱（包括幅、相频谱），并总结出非周期信号的频谱特点；

3）任选某一种典型随机信号，画出其频谱（包括幅、相频谱），并总结出随机信号的频谱特点；

4）写出离散傅立叶变换的公式，试编程运行？

（3）典型信号的幅值特性分析实验

1）掌握信号进行幅值特性分析的原理；

2）熟悉典型周期信号，如方波、三角波、锯齿波等的幅值特性；

3）熟悉典型非周期信号，如窗函数、单位脉冲函数、周期单位脉冲序列等的幅值特性；

4）熟悉典型随机信号，如正态分布的随机信号等的幅值特性。

1）概率密度函数提供了信号幅值分布的信息，不同的信号有不同的概率密度函数图形，因此可以用来识别信号的性质。

2）当该函数未知时，可以用统计概率分布图和直方图来估计。

1）打开“测试实验软件DTEST1.0”，进入实验三；

2）在典型周期信号中选择方波，单击幅值特性分析，观察其概率分布函数、概率密度函数；

3）同样，可观察其他周期信号的概率分布函数、概率密度函数；

4）在典型非周期信号中选择窗函数，单击幅值特性分析，观察其概率分布函数、概率密度函数；

5）同样，可观察其他非周期信号的概率分布函数、概率密度函数；

6）在典型随机信号中选择正态分布的随机信号，单击幅值特性分析，观察其概率分布函数、概率密度函数；

7）同样，可观察其他随机信号的概率分布函数、概率密度函数。

1）任选某一种典型周期信号，画出其概率分布函数、概率密度函数；

2）任选某一种典型非周期信号，画出其概率分布函数、概率密度函数；

3）任选某一种典型随机信号，画出其概率分布函数、概率密度函数；

（4）典型信号的强度分析实验

1）掌握信号进行强度分析原理，计算各统计参数，如均值、方差、均方值等；

2）熟悉典型周期信号，如方波、三角波、锯齿波等的各统计参数；

3）熟悉典型非周期信号，如窗函数、单位脉冲函数、周期单位脉冲序列等的各统计参数；

4）熟悉典型随机信号，如正态分布的随机信号等的各统计参数。

1）主要统计特征参数包括均值、均方值、方差，三者之间的关系：

。

其他统计特征参数还有很多，具体可见参考[11]。

1）打开“测试实验软件DTEST1.0”，进入实验四；

2）在典型周期信号中选择方波，单击强度分析，计算其各统计参数；

3）同样，可观察其他周期信号的各统计参数；

4）在典型非周期信号中选择窗函数，单击强度分析，计算其各统计参数；

5）同样，可观察其他非周期信号的各统计参数；

6）在典型随机信号中选择正态分布的随机信号，单击强度分析，计算其各统计参数；

7）同样，可观察其他随机信号的各统计参数。

1）任选某一种典型周期信号，计算其各统计参数；

2）任选某一种典型非周期信号，计算其各统计参数；

3）任选某一种典型随机信号，计算其各统计参数；

（5）传感器静态标定实验

1）学习YJD-1型电阻应变仪的使用方法。

2）学习测量装置静态特性的标定方法。

3）掌握用分析软件对静态装置静态特性的标定方法。

1）YJD-1型电阻应变仪；

2）电阻应变式传感器；

3）计算机，测试实验软件DTEST1.0；

4）系统框图：

新设计制造的传感器，需要对其参数和性能进行标定，以便检查是否符合设计要求。

另外，随着时间和周围环境的变化，使用中传感器的参数也会有变化，也需要进行定期校准，所以测量装置的标定，是一项经常性，非常重要的工作。

电阻应变式测力传感器的静态标定，就是在静态下，通过加载装置对传感器施加载荷，同时由应变仪读取输出，而获取传感器的静态特性参数如灵敏度，非线性度，回程误差等。

4．1粘贴应变片

1）惠斯登电桥挑选两个电阻值120Ω左右的电阻应变片,阻值差小于0.5。

2）砂纸打磨等强度梁，去除污物，用酒精清洗。

3）用502胶水粘贴电阻应变片。

（一片粘在受力的位置，一片粘在不受力的位置。

）

4）用万用表检查有无短路、断路，引线与等强度梁间的绝缘电阻应大于150MΩ。

5）焊接导线，并用胶带纸固定，在常温下，放置24小时后，方可使用。

4．2测试数据

1）联接电桥：

将应变式传感器的应变片引出线分别接于A、B、C三点,并将接线柱旋紧,组成半桥单臂测量电路。

2）调整灵敏系数盘K，使之与应变片的灵敏系数K相符。

3）检查指示器指针是否准确的停止在机械零位，否则必须校正后方可工作。

4）检查微调，中调，粗调三个调节旋钮，是否都指在零位。

5）经指导老师检查无误后，方可打开电源。

6）将选择开关旋到“予”上，调节“电阻平衡”，“电容平衡”两电位器，使指示电表的指针指与零位。

然后将开关旋到“静”的位置，再调节“电阻平衡”使指针指于零位。

在“予”、“静”反复调整几次后，此时电桥已予调平衡。

7）仔细观察三分钟，电表指针不应有漂移。

8）进行加载，指针偏移零位，旋转“微调”旋钮使指针指回零位，记下此时“微调”旋钮读数。

加载：

100，200，300，400，500（g）记录读数。

9）依次卸载并记录读数。

注意卸载至零载荷时，不要忘记将微调旋钮读数记录下来。

100

200

300

400

500

加载

卸载

4．3数据处理

1）打开“测试实验软件DTEST1.0”，进入“静态标定”实验；

2）将实验记录的各数据分别填入，点击作图；

3）按端点线性、最小二乘法二种方法做出拟合直线，求出线性误差；

4）绘出回程误差特性曲线，并确定其回程误差H；

5）确定本测力传感器的静态灵敏度S。

1）写出实验名称、目的，及画出实验系统框图；

2）实验数据处理—电阻应变式测力传感器静态特性指标评定。

非线性度：

按端点线性、最小二乘法二种方法做出拟合直线、求出线性误差。

绘出回程误差特征曲线,并确定其回程误差H。

确定本测力传感器的静态灵敏度S。

3）心得体会及对实验的改进意见

（6）一阶系统频率响应实验

1）了解一阶系统的时域响应函数；

2）掌握一阶系统的频率响应函数。

频率响应函数是描述和考察系统在频率域中的特性的，利用它和传递函数的关系，极易求出传递函数，是研究系统特性的重要的工具。

定常系统在简谐信号的激励下，其稳态输出信号和输入信号的幅值比定为该系统的幅值特性，记为A（ω）；

稳态输出信号对输入信号的相位差被定义为该系统的相频特性，两者 

统称为系统的频率特性。

因此系统的频率特性指系统在简谐信号激励下，其稳态输出对输 

入的幅值比、相位差随激励频率ω变化的特性。

一阶系统的幅频特性为

，相频特性为

改变系统的动态特性参数——时间常数τ可以观察相应的特性曲线。

1）打开“测试实验软件DTEST1.0”，进入“动态特性”实验。

2）取时间常数τ=0.02s，0.06s，0.1s，观察一阶系统的幅、相频特性曲线，实、虚频特性曲线，以及乃奎斯特图。

3）仍取以上三个时间常数，观察一阶系统的单位脉冲响应和单位阶跃响应。

1）画出不同时间常数τ下的幅、相频特性曲线，实、虚频特性曲线，以及乃奎斯特图。

观察时间常数τ对系统频域特性的影响。

2）画出不同时间常数τ下的单位脉冲响应和单位阶跃响应。

观察时间常数τ对系统时域特性的影响。

（7）二阶系统频率响应实验

1）了解二阶系统的时域响应函数；

2）掌握二阶系统的频率响应函数。

二阶系统的传递函数为

频率响应函数为

幅频特性为

相频特性为

二阶系统的动态特性参数是固有频率ωn和阻尼比ξ。

在通常的使用频率范围中，以固有频率ωn的影响最为重要，所以二阶系统工作频率范围的确定以固有频率为依据。

在ω=ωn附近，系统幅频特性受阻尼比影响极大，当ω≈ωn时，系统发生共振。

因此作为使用装置，极少选用这种频率关系。

但这种关系在测定系统本身的参数时，却是很重要的。

2）取固有频率ωn=20，100Hz，观察二阶系统的幅、相频特性曲线，实、虚频特性曲线，以及乃奎斯特图。

3）取阻尼比ξ=0.1，0.3，0.5，0.7，1.0，观察二阶系统的幅、相频特性曲线，实、虚频特性曲线，以及乃奎斯特图。

4）仍取以上参数，观察二阶系统的单位脉冲响应和单位阶跃响应。

1）画出不同固有频率ωn、阻尼比ξ下的幅、相频特性曲线，实、虚频特性曲线，以及乃奎斯特图。

2）画出不同固有频率ωn、阻尼比ξ下的单位脉冲响应和单位阶跃响应。

（8）一二阶系统无失真测试条件实验

1）掌握不失真测试的条件。

2）了解参数τ变化对一阶测试装置不失真测试范围的影响。

2）了解参数

、ξ变化对二阶测试装置不失真测试范围的影响。

静态不失真条件为：

在静态测量时，理想的定常线性系统

，S为灵敏度。

动态不失真条件为：

在动态测量时，理想的定常线性系统

，A0为灵敏度，t0为时间延迟。

1）打开“测试实验软件DTEST1.0”，进入“无失真测试”实验。

2）点击对话框中的“一阶系统”。

改变τ值，设

变化，画出幅频、相频曲线进行分析，确定幅值误差

工作频率范围。

3）点击对话框中的“二阶系统”。

改变ξ值，确定

＝２０值，

变化，画出幅频、相频曲线，分析改变ξ对测量装置的影响，求出最佳阻尼。

在

值条件下，改变

，

变化，画出幅频、相频曲线进行分析，确定对不失真频率范围影响。

1）写出实验名称、目的。

2）画出一阶测试系统幅、相频曲线，分析参数τ变化对其的影响。

3）画出

=20时，改变ξ值的二阶测试系统幅、相频曲线，并分析ξ对测量装置的影响。

4）画出

时，改变

值的二阶测试系统幅、相频曲线，根据

曲线说明对不失真测试条件影响，从而确定在最佳阻尼条件下不失真的工作频率范围。

（9）电阻应变式测力、拉、压、弯、扭传感器原理及应用实验

1）了解和掌握电阻应变式传感器的测量原理和方法。

2）掌握如何用电阻应变式传感器测量力、拉、压、弯、扭。

1）电阻应变式传感器；

2）电阻应变仪；

3）测试系统。

1）应变片式传感器

分类：

依据测量目的分为载荷测量和应力测量。

构成：

由应变片和弹性元件构成。

关键是合理选择弹性元件，以及应变片的布置方式和接桥方式，以得到测量应变与实际应变之间的关系。

因此，应变片式传感器在使用之前必须进行标定，以确定传感器的灵敏度。

2）常用的几种应变片式传感器

测拉（压）力应变片式传感器：

常用的弹性元件有环形（圆环形、扁圆环形）和柱形（实心圆柱形、空心圆柱形）。

测弯矩应变片式传感器：

常用的弹性元件为悬臂梁（等截面梁、等强度梁）。

测扭矩应变片式传感器：

常用的弹性元件为圆轴。

需采用应变花。

1）观察电阻应变式传感器的外形；

2）按照使用说明书安装电阻应变式传感器；

3）设置电阻应变仪的各项参数；

3）观察传感器的输出信号，然后采集。

1）电阻应变式传感器能测量哪些参量？

2）电阻应变仪如何调平衡？

（10）涡流传感器原理及应用实验

了解和掌握电涡流传感器测量原理和方法。

1）电涡流传感器；

2）电压放大器。

1）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。

2）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。

通常假定金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性，则线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率б、磁导率ξ、尺寸因子τ、头部体线圈与金属导体表面的距离D、电流强度I和频率ω参数来描述。

则线圈特征阻抗可用Z=F（τ,ξ,б,D,I,ω）函数来表示。

通常我们能做到控制τ,ξ,б,I,ω这几个参数在一定范围内不变，则线圈的特征阻抗Z就成为距离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。

3）涡流检测不需要改变试件的形状，也不会影响试件的使用性能，因此，是一种无损地评定试件有关性能和发现试件有无缺陷等的检测方法。

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，影响检测的正确进行。

涡流检测设备用于各种金属管、棒、线、丝材的在线、离线探伤。

在探伤过程中，能同时兼顾长通伤、缓变伤等长缺陷和短小缺陷（如通孔）；

能够有效抑制管道在线、离线检测时的某些干扰信号（如材质不均、晃动等），对金属管道内外壁缺陷检测都具有较高的灵敏度；

还可用于机械零部件混料分选，渗碳深度和热处理状态评价，硬度测量等。

1）观察涡流传感器的外形；

2）按照使用说明书安装涡流传感器；

4）静态校准

按下图接好线路，调整被测片与涡流线圈的距离。

使系统发生振荡（用计算机分析系统监视）。

示波器上读出峰－峰值，毫伏表上读平均值，每隔0.25mm读一次数，直到线性严重破坏为止，即静态校准。

根据以上数据，找出传感器与被测体间的最佳工作距离和起始点。

5）被测体对传感器特性的影响

根据上图，分别用铝、铜、铁被测片重复实验内容1，分析比较所得结果。

6）电涡流式振幅测量系统

按下图接线。

用激振器激励平行梁振动，