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传感器与测试技术实验指导书（虚拟实验系统用）河北科技大学机械电子工程学院2005．61前言随着传感技术、信息处理技术及计算机应用技术的发展，促使测试技术在知识内容、实验仪器、实验方法等方面都发生了意义深远的变革与更新，并已充分体现在面向廿一世纪教学大纲与教材中，显然原有的实验设备环境已远不能满足其要求，为此我学科组应用虚拟仪器(VI)技术，研发了VI实验平台，推出了26项教学实验，大大丰富了实验内容，包括基础理论篇与工程应用篇，前者主要是配合课堂教学对理论知识的演示与验证；后者是直接针对工程应用技术的综合性、设计性实验，即以学生为主体，按实验目的自行选择测量装置，搭建测试系统，确定试验方法步2骤等。为了配合机械类专业“传感器与测试技术”多学科、多层次实验教学要求，我学科组重新编制了“传感器与测试技术实验指导书”。对于不同学科，不同层次的教学任务，可按大纲要求自行选择部分实验内容。为了方便学生自学与复习，本书按教材章节顺序编写实验内容。因时间仓促，水平所限，难免有错误与不妥之处，恳请读者批评指正，并愿广泛征求反馈意见，进一步修改完善，推出正式版本。谢谢！3编者2005．6第一篇基础理论教学实验第一章信号及其描述1、典型信号的合成与分解实验2、典型信号的频谱分析实验3、典型信号幅值分布特性分析4、典型信号的强度分析第二章测试装置的基本特性5、传感器静态标定实验46、一阶系统频率响应实验7、二阶系统频率响应实验8、一二阶系统无失真测试条件实验第三章常用传感器9、电阻应变式测力、拉、压、弯、扭传感器原理及应用实验10、涡流传感器原理及应用实验11、压电式传感器原理及前置放大器第四章信号调理、处理和记录12、电桥在应变测试中的应用13、调制与解调原理实验14、动态电阻应变仪工作原理实验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5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624、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1）测量原理2）测试系统设计3）数据采集与处理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7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8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。910第一篇基础理论教学实验第一章信号及其描述（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。典型信号的波形分解后各谐波分量的波形合成信号的波形分解合成112）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1，12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131、试验目的：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。2、实验仪器与系统框图：计算机，测试实验软件DTEST1.0；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。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14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。4、实验内容与步骤：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，15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。5、实验报告要求（包括思考题）：161)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、试验目的：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；173)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。2、实验仪器与系统框图：计算机，测试实验软件DTEST1.0；3、实验原理：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。4、实验内容与步骤：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，18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。5、实验报告要求（包括思考题）：191)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)写出离散傅立叶变换的公式，试编程运行？（4）典型信号的强度分析实验1、试验目的：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；203)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。2、实验仪器与系统框图：计算机，测试实验软件DTEST1.0；3、实验原理：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：222xxx。2)其他统计特征参数还有很多，具体可见参考[11]。4、实验内容与步骤：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，计算其各统计参21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。5、实验报告要求（包括思考题）：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；223）任选某一种典型随机信号，计算其各统计参数；23第二章测试装置的基本特性（5）传感器静态标定实验1、试验目的：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。2、实验仪器与系统框图：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：电阻应变式传感器器YJD-1电阻应变仪加载装置243、实验原理：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、实验内容与步骤：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250.5。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。263）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27下此时“微调”旋钮