传感器技术实验.docx

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传感器技术实验

传感器技术实验报告

实验一音叉的频谱分析

实验目的：

由于外差原理，敲击音叉时候的振动会产生音频信号，利用音频检测和相关软件分析，通过傅立叶分析可以分析它们的频谱位置。

实验设备：

Cobra3基本单元、Cobra3电源、RS232数据线、Cobra3频率分析软件、带有放大器的声音探头、电池、导线、支架、音叉、计算机

实验步骤：

-------启动频率分析模块，按实验指导书设置相关参数

-------连续敲击三个音叉，观察显示器上的波形，见图一、图二

-------如果观察到明显的波形，按SAVE保存图形并量出频域图形的波峰处所对应的频率

-------将采样频率设置成5kHz和10kHz再进行实验，见图三、图四、图五和图六

图一三个音叉的频率

图二三个音叉同时振动的时域图

图三采样频率为5kHz时三个音叉的频率

图四采样频率为5kHz时三个音叉同时振动的时域图

图五采样频率为10kHz时三个音叉的频率

图六采样频率为10kHz时三个音叉同时振动的时域图

傅立叶分析是一种精确分析复杂振荡过程频谱的方法，上面的实验与类似实验的不同在于傅立叶分析总是易测试的，因为任何一个复杂声音均可分解成多个单纯频率声音，傅立叶分析如同期望那样显示产生频率的频谱，从这个实验起，一系列更加复杂的信号过程可以进行分析。

注意事项：

-------除了音叉的频谱本身，几个小振幅的信号也常在频谱图中观察到，这些额外的信号是频率高于采样频率的部分所产生的，当采用更高的采样频率时，这部分变得非常清晰，这种情况下，频谱位置会向高频移动

-------如果信号增益过大，探针会发生过载，此时，调小增益直到信号放大器恢复正常，确保没有丢失信号片段

实验二高通、低通、带通滤波器

实验目的：

Measure模块中可以用鼠标手绘信号波形，这些信号与测量信号一样可以进行分析并可以通过计算机声卡进行声音的再现，使用一个典型信号完成高通、低通、带通的实验。

实验设备：

Cobra3频率分析软件、计算机、声卡

实验步骤：

本实验不需要Cobra3系统与计算机连接

-------启动“Measure”功能单元，选择“Measurement/Enterdatagraphically”功能

-------按实验指导书用鼠标手绘一个信号波形，见图一

图一手绘的信号波形

图二手绘信号波形的频率特性

-------去除在信号两端的水平恒定信号片段，这一步使得信号以同样的Y值开始和终止，否则在随后的声音再现过程中会出现扰动

-------按频率分析软件中分析该时域信号的频率特性

一、低通过滤

-------设置一个最大值，将频率大于该值的部分设置为0，根据实验指导书使用和使用合成剩下的信号成一个低通滤波信号

-------使用声卡再现这个信号几乎是一个正弦信号音调

图三低通滤波后得到的波形

二、高通过滤

-------设置一个值，将频率小于该值的部分设置为0，根据实验指导书使用和使用合成剩下的信号成一个高通滤波信号

图四高通滤波后的波形

三、带通过滤

-------设置一个范围，将频率不在该范围的部分设置为0，，根据实验指导书使用和使用合成剩下的信号成一个带通滤波信号

-------使用声卡再现这个信号，这个信号与初始信号相像，然而，可以清楚听到丢掉了一些低频片段，部分高频信号也不如开始时候清晰。

图五带通滤波后的波形

实验结果：

根据傅立叶原理，一个预定信号在正弦振荡频谱上可以分解。

初始信号形式被修改了，这在工程上称为低、高、带通滤波器，它通常使用电容和电感来设计，测量模块可以模拟这一些滤波器通过减去信号频谱的某些片段或者设置某些频谱片段为0。

低通时，在起始信号中有些陡边，用它来模拟在实际中常常存在的外加扰动，这些扰动可以被消除通过综合低频信号片段，这使信号光滑，也就是低频部分得以保存，那些扰动的去除通过计算机声卡的声音再现可以清楚的观察到。

高通时，初始信号中只有高频部分可以通过滤波器，这意味着在初始信号中的不连续的信号可以特别清楚的观察到，在高通滤波信号中，在初始信号的峰值，不连续边缘等等，当它们与0有很大不同的时，高通滤波信号会存在偏差，一个非常相似的过程同样应用在图像处理中。

在桌子上移动一个物体，它的边缘都有非常明显的曲线，如果这些是高通滤波器，按照上面的说法，边缘的对照会被扩大，边缘的位置会更准确的定位，高通滤波后的信号通过声卡再现声音很刺耳，只听到一些不协调高频部分的振荡信号。

带通时，带通滤波器作为一个选择过程和限制带宽在工程领域有很大的应用，比如说，一个应用频域就是电视机中的频道过滤或者无线连接器。

实验三信号过滤——背景噪声的消除

实验目的：

同时敲击两个不同基础频率的音叉，使用麦克风将信号记录下来，使用计算机声卡对信号的片段进行声音再现，运用傅立叶分析方法来分析测得的信号完成过滤整合成一个新的信号。

实验设备：

Cobra3基本单元、Cobra3电源、RS232数据线、Cobra3频率分析软件、带有放大器的声音探针、电池、导线、支架、440Hz的音叉、1000Hz的音叉、计算机

实验步骤：

-------启动频率分析模块，按“Recordmeasuredvalue”按钮

-------按实验指导书设置相关参数，调整麦克风的增益至适当水平

-------用橡胶锤轻敲两个音叉并记录下其波形

图一混含两个频率的信号

图二混含两个频率的信号的频率特性

-------标记一段并使用计算出一个新信号

图三过滤后的信号

-------标记最近的两个波峰之间的信号并使用播放声音，在这个过程中，确保信号标记的左右两端的振幅相同，否则由于不连续会出现较大的扰动

实验结果：

-------在工业背景下，信号不会是这种纯净的形式，而会存在一些扰动，这个实验作为一个典型例子，一个信号是1kHz混含另外一个440Hz振荡频率信号

-------傅立叶分析基本确保不同频率信号的分离，那样不同频率的两个音叉形成两条曲线

-------如果要得到的信号在频谱中被标记，一个新的过滤信号就可以由它而计算出来，而后通过计算机的声卡重现

注意事项：

-------使用该实验方法可以过滤一些叠加信号

-------当信号用声卡重现时，确保重现频率在记录过程中与信号采样频率相匹配，否则信号频率会发生翻倍或者减半

实验四空气柱自然振动的观察

实验目的：

如果向一个大的管端吹气，一个共振的声音将被听到，通过麦克风记录下这个声音并指示出这个共振频率，通过频率实验管的长度并可由计算公式算得

实验设备：

Cobra3基本单元、电源、RS232数据线、Cobratimer/Counter软件、带放大器的麦克风、电池、两个实验管、导线、计算机

实验步骤：

-------按照实验指导书连接好导线

-------开启“Timer1Counter”单元并按标设置相关参数

-------手持麦克风靠近实验管口向管口吹气，但不要直接向管里吹气，因为这样会产生干扰噪声，吹气使其产生共振，不要用力吹，因为那样会导致谐振。

图一16cm的试管共振频率测试

NumberCounter（0.20s）

n/#n/#

260

271

281

290

300

310

320

330

340

350

360

370

380

39180

40169

41169

42176

43175

44170

45154

461

470

480

490

500

512

521

530

541

取平均值为170，室温为15℃

实验结果：

-------使用16cm长的试管作为典型测量，多个脉冲在gate时间0.2s内侧测得

通过下列公式进行计算：

（n=1,2,3…）

-------通过基础频率f，试管的长度可以通过一下公式计算

-------声速与温度的函数关系利用下面公式：

=331.8m/s

得到声速为340.8m/s.计算得到管长约为10cm，与实际长度存在6cm的误差。

-------试管变长后其共振频率会下降

注意事项：

-------在测量过程中尽量避免背景噪声的产生，以为它们同样会被记录并是实验结果出错

-------为了计算试管长度，声速必须为已知，而声音的速度是与温度有关的，应当根据手册公式计算出实验时的声音速度

实验五空气中的声速测量

实验目的：

通过测量声音的传播时间来测量在空气中的声音速度

实验设备：

Cobra3基本单元、电源、RS232数据线、Cobra3timer/counter软件、带放大器的麦克风、电池、支架、导线、计算机

实验步骤

-------按实验指导书连接导线

-------开启“timer/counter”模块，设置参数

-------两个金属棒碰撞后产生一个声音脉冲，两个金属棒接触导线电路闭合，启动了timer1,当声音传播s距离后，声音的脉冲会被记录下来，timer1停止，人们就可以获得声音传播时间t或者也可以立即计算出声音的速度通过公式v=s/t。

如果传播距离事先已经给定，确保产生声音的脉冲高度与放大器的高度大致相同是为了保证发声处与麦克风的水平距离就是实际距离。

-------偶尔的，计时器在短暂测量后立即重启因为有额外的出发脉冲发送到计时器，这是金属棒在敲击后会有反弹，在这种情况下，停止测量噪声并重新开始一个测量过程。

-----重复多次测量不通距离s后比较所测得值

实验结果

在典型测量设置s=0.3m测量数据如下

NumberTimer1

n/#v/m/s

57321.888

58318.810

60313.480

61314.465

63312.500

76308.642

78308.642

79307.692

85309.917

106312.826

107310.559

108308.008

取其平均值为312.286m/s.

图一声速曲线

-------在实际中，人们发现声音传播速度在0m/s是331m/s随着温度的变化与温度有一定关系，在本测量实验过程中，周围温度大约为18℃，经过公式计算声音速度为342.6m/s.

注意事项：

-------在测量过程中确保没有其他噪声，因为噪声同样会被麦克风记录并导致实验出错，当存在那些噪声时，就会测得一些速度很大的值

-------确保麦克风没有收到任何噪声由桌面产生，在木头或相似材料声音传播速度比在空气中高很多，如果产生了那样的噪声会测得一些速度很大的值，同样的，用来发生的金属棒应放在泡沫材料或者两个支架放在两个不同桌面上。

实验六金属棒中声速测量

实验目的：

因为Cobra3基本单元有测量非常短的时间的能力，所以用它来测量声音在金属棒中的传播时间

实验设备：

Cobra3基本单元、RS232数据线、Cobra3计时软件、带放大器的麦克风、电池、支架、金属棒、导线、计算机

实验步骤：

-------按实验指导书连接好导线

-------开启“timer1counter”单元，设置测量参数

-------用一个带洞的小金属棒去敲击大金属棒产生一个声音脉冲，同时，两金属棒接触时电路形成闭合回路，这就开启了timer1，声音传播距离s后声音信号会被麦克风记录，此时timer1停止，人们就可以得到声音传播时间t或者如果传播距离事先给定可通过公式立即算出声音传播速度，麦克风必须与金属棒底端直接接触之间不存在间隙

-------在大金属棒一端用小金属棒轻敲，随后计时器停止就可以读取声音测量值，偶尔的，计时器在短暂测量之后会立即重启，因为金属棒敲击后会有反弹会产生额外触发脉冲，在这种情况下，停止测量重新启动。

-------调整不通距离重复测量，比较测量值

-------典型的用s=60cm，数据如下：

NumberTimer1

n/#v/m/s

42764.977

82777.778

92727.273

162752.294

202727.273

212777.778

252816.901

272752.294

292702.703

332714.932

352702.703

452752.294

502702.703

652702.703

672752.294

712739.726

882702.703

902752.294

932739.726

952702.703

1052803.738

1082816.901

1122816.901

1142857.143

1202816.901

1272739.726

1332777.778

1532870.813

1722803.738

1752739.726

1772843.602

1802739.726

1842816.901

1882777.778

1952843.602

1982843.602

2522857.143

2592884.616

3102714.932

3212739.726

3232764.977

取其平均值为2771.562m/s

图一声速曲线

-------在不同距离时，声音的传播速度应是一致的，在均匀同样材料的金属中声速本身是固定的，如铜中所得的声速约是2798m/s

-------基本地，金属本身有弹性特性，在它们中的声音速度是热预处理和轨迹污染的函数，所以严格意义上讲，声速不是恒定的速度，比如说还与金属材料的密度有关，用该实验的测量方法，传输时间会稍微有点长因为存在声音从金属棒端与麦克风间的过度距离没有在考虑范围内。

消除这一错误因子，我们需要用同一金属棒的多次实验使用不同长度，在相互倾斜的斜面上测量时间ts，在这种情况下，没有经过起点，人们可以获得更加准确的声音速度。

注意事项：

-------在测量过程中确保没有噪声产生，因为这同样会被麦克风记录下来并影响实验结果，这些背景噪声出现当声音传播时间太短，或者非常高的声音速度，并且很容易识别。

-------金属棒的敲击方式同样会对这种方法的声速测量产生特殊的影响，在理论上，横波和纵波按自己的方式传播沿着金属棒，横波主要产生在短棒被用来敲击测量棒的底面，纵波被会的当短棒从上面敲击在非常靠近的侧表面，纵波传播速度正常要比横波快。

-------非金属棒也可以用来测量，当少量铝箔片在棒底端，然后用短金属棒敲击，连接该铝片用鳄鱼夹夹在timer1开始端子上。

实验七单值和多值傅立叶频谱

实验目的：

该实验为了说明单值频谱只有当采样频率高于信号频率两倍时信号才不会失真。

本实验使用频率在100Hz至500kHz之间的采样信号对一个9kHz正弦信号进行采样。

实验设备：

Cobra3基本单元、Cobra3电源、RS232数据线、Cobra频率分析软件、函数发生器、导线、计算机

实验步骤：

-------按实验指导书连接导线

-------启动“frenquencyanalysis”模块准备测量

-------按指导书进行参数设置，设置函数发生器产生8kHz的正选信号幅值为3.5V

-------分别用100Hz、5kHz、10kHz、50kHz、500kHz采样频率进行采样

图一采用频率为100Hz的信号频率特性

图二采用频率为100Hz的信号时域特性

图三采用频率为5kHz的信号频率特性

图四采用频率为5kHz的信号时域特性

图五采用频率为10kHz的信号频率特性

图六采用频率为10kHz的信号时域特性

图七采用频率为50kHz的信号频率特性

图八采用频率为50kHz的信号时域特性

图九采用频率为500kHz的信号频率特性

图十采用频率为500kHz的信号时域特性

实验结果：

实验结果显示，当采样频率为100Hz、5kHz、10kHz时候，信号的频率都出现错误，只有当采样频率大于原信号频率两倍时候信号采样才不会失真。

在500kHz，傅立叶频谱在16kHz和24kHz处出现很弱的空间调和。

不同函数发生器谐波的频谱位置发生变化。

偶尔的也会只有基础频率奇数倍的振荡信号：

8kHz、24kHz、40kHz放大频率可以计算出单一值

使用50KHZ采样频率，基础信号频率可以更准确读出来，空间谐波16KHZ也可以很容易观察到。

即使在采样信号极端不匹配情况下，一条曲线总会出现在屏幕上。

该测量没有获得原信号的真实信息，然而，线宽的确提供了一个定量描述一个可能的信号发生的频率漂移，在测量过程中，频率变化不大于0.0006HZ

注意事项：

-------傅立叶多值频谱描述在实际中没有任何问题，因为一般都会有测量信号的更多信息，对于测量一个完全未知的信号，使用高频率的采样信号表明了是否测量频谱包含了反应曲线，傅立叶频谱测试的可行性方案是连接一个低通滤波器在同源端，在信号后面的一个被称为图形失真过滤器，这限制了信号的带宽和过滤所有高频片段，在它被采样前，如上述实验所示，随后的低通滤波并没有提供想要的结果

-------混叠的现象，在给定范围的纯净正弦信号并不总能显示在屏幕上，差别迥异的结果来自同一个正选信号，产生这种现象的原因是一个连续信号波形使用不连续采样点重现。

实验八分析单一、合成的正弦信号

实验目的：

使用傅立叶分析方法分析单一和叠加的正弦信号。

在这个过程中，利用功能强大的傅立叶分析复杂信号可以分析出它们的频谱特性。

实验设备：

Cobra3基本单元、Cobra3电源、RS232数据线、Cobra3频率分析软件、电源、函数发生器、导线、计算机

实验步骤

-------将函数发生器与Cobra3基本单元相连接

-------启动“frequencyanalysis”模块单元初始化测量记录值

-------设置相关参数

图一59Hz的正弦信号频率特性

图二59Hz的正弦信号时域特性

图三50Hz的正弦信号频率特性

图四50Hz的正弦信号时域特性

-------将两个函数发生器并联接入，使用Cobra3软件记录其波形

图五59Hz与50Hz混合信号的频率特性

图六59Hz与50Hz混合信号的时域特性

实验结果：

在cobra3基本单元的帮助下，信号可以被测量并且记录其变化过程，使用“frequencyanalysis”单元，除了时间上的变化过程，信号频谱特性可以被观测。

单一信号的频谱是一个单一频谱线，如果一个人用傅立叶分析方法研究混叠信号，两个独立频率信号在频谱上挨着彼此。

傅立叶分析允许快速可靠的表现复杂信号图形，像它们的基础振荡频率一样。

在叠加信号观察中，同样存在信号振幅摆动，这是由于两个不同信号的叠加所导致的这种现象称为拍频。

实验九正弦、方波、三角波频谱分析

实验目的：

分析信号发生器所产生的不同信号。

用这种方式，实验说明最初的信号形成能够通过一系列的相位修正谐振荡叠加得到。

实验设备：

Cobra3基本单元、Cobra3电源、RS232数据线、Cobra3频率分析软件、函数发生器、导线、计算机

实验步骤：

-------按图连接导线，开启“frequencyanalysis”功能模块，进入准备测量阶段

-------设置函数发生器参数

-------使用傅立叶频率分析使用采样频率为50kHz的采样信号记录一个正弦波

图一50kHz采样正弦波波形

-------使用傅立叶频率分析使用采样频率为500kHz的采样信号记录一个方波的振动

图二方波频率特性

图三方波时域波形

-------移动光标至f0、3f0、5f0、7f0处记录其幅度值与理论值比较

-------连续从左到有逐渐增加，用来信号合成，合成后展现合成信号

图四f0方波波形

图五f0和3f0方波波形

图六f0、3f0和5f0方波波形

图七f0、3f0、5f0和7f0方波波形

-------使用傅立叶频谱分析使用采样频率为100kHz采样信号记录三角波振动

图八100kHz采样信号采样的三角波频率特性

图九100kHz采样信号采样的三角波时域特性

-------移动光标至f0、3f0、5f0、7f0处记录其幅度值与理论值比较

-------连续从左到有逐渐增加，用来信号合成，合成后展现合成信号

图十f0三角波波形

图十一f0、3f0三角波波形

图十二f0、3f0、5f0三角波波形

实验结果：

正弦信号的傅立叶分析是窄的波峰，它在频谱中的位置与正弦信号的频率相关。

相比较，三角波的频谱包含多个曲线。

测量值大致与理论值相等，由基础频率合成方波的过程和一系列连续的空间谐振的呈现。

除了测量频谱，独立部分的相位关系在方波信号的合成中也十分重要。

这个解释说明展现了等相位的初始方波和4f0时的波，这个对比表明相位巧合在共同的基础频率和3f0的零横道上。

相比较，在基础振荡的顶点，空间谐振是相位相反的，所有这些相位属性对于陡斜面的形成和水平顶部也是十分重要的，而它们正是方波的特性。

除了基础频率，图中的三角波频谱同样也包含了一系列空间谐振，它们随时间迅速衰减，傅立叶分析表明空间谐振的频率是一个奇数倍的基础频率的叠加。

除了基础频率和第一个谐振频率，同样展示了谐振的合成并且最终的基础和开始5个谐振波形的合成。

只有基础频率和第一个谐振波的振荡提供了一个大致的三角波波形。

不仅测量频谱对波形很重要，各个谐振的相位关系也很重要。

对于基本和第一次谐振波，可以发现基础的和第一次谐振波振动的共同转型，对于不同信号的傅立叶分析在结果中曲线是平坦的，当通过0相关处以基础正弦振荡，这点是符合的，在基础频率的顶点处，谐振是等相位振荡，这是三角波波形特性。