广东工业大学：《测试技术与信号分析》课程教学资源（实验指导书）.pdf_大学文库

测试技术与信号分析实验指导书 3.光电转速传感器及转速测量原理机械转子系统中的光电转速传感器属于反射式光电传感器，其转速测量系统的工作原理如图2所示。主要由被测旋转部件、反光片（或反光贴纸）、反射式光电传感器组成，在可以进行精确定位的情况下，在被测部件上对称安装多个反光片或反光贴纸会取得较好的测量效果。在本实验中，由于测试距离近且测试要求不高，仅在被测部件上只安装了一片反光贴纸，因此，当旋转部件上的反光贴纸通过光电传感器前时，光电传感器的输出就会跳变一次。通过测出这个跳变频率f,就可知道转速n,n=f。如果在被测部件上对称安装m个反光片或反光贴纸，那么，n=f/m。旋转部件反光片/反光粘纸反射式光电传感器图2光电传感器的转速测量原理四.光电测量实验方法和步骤 1.说明单点采样：利用定时器，每10ms采集一个数据点：批量采样：按照设定的批量采样频率一次采集一批数据：批量采样频率：设定批量采集的频率，单位为Hz,表示1s内采集的数据个数：采集光电传感器的输出电压和转子转速比较低时，频率可以低一点：采集磁电传感器的输出电压和转子转速比较高时，频率应该高一点。采样通道：设定采样的通道，采集卡有16个通道，但是接线板上只用了前面的1-10个通道。批量采样点数：设定批量采样的数据个数。 2.实验步骤 1)启动实验程序转子转速和齿轮齿数测量.x”；输入个人信息，也可以启动之后通过单击“修改”按钮修改个人信息。 2)观察转子转动时光电和磁电传感器的输出电压的变化规律，理解实验原理。 a.单击“采样设置”按钮，输入采集卡连接光电传感器的采样通道号； b.单击“单点采样”，然后用手转动转子的转轴，观察光电传感器转过反光纸时输出电压的变化规律：观察转子旋转一圈时，光电传感器电压变化的次数与反光纸片数的关系。 ℃.单击“采样设置”按钮，输入采集卡连接磁电传感器的采样通道号： b.单击“单点采样”，然后用手转动转子的转轴，观察磁电传感器转过齿轮的齿顶和齿谷时输出电压的变化规律：观察转子旋转一圈时，磁电传感器电压变化的次数与齿轮齿数的关系

测试技术与信号分析实验指导书 3．光电转速传感器及转速测量原理机械转子系统中的光电转速传感器属于反射式光电传感器，其转速测量系统的工作原理如图 2 所示。主要由被测旋转部件、反光片（或反光贴纸）、反射式光电传感器组成，在可以进行精确定位的情况下，在被测部件上对称安装多个反光片或反光贴纸会取得较好的测量效果。在本实验中，由于测试距离近且测试要求不高，仅在被测部件上只安装了一片反光贴纸，因此，当旋转部件上的反光贴纸通过光电传感器前时，光电传感器的输出就会跳变一次。通过测出这个跳变频率 f，就可知道转速 n，n  f 。如果在被测部件上对称安装 m 个反光片或反光贴纸，那么，。 n f  / m 图 2 光电传感器的转速测量原理四．光电测量实验方法和步骤 1.说明单点采样：利用定时器，每 10ms 采集一个数据点；批量采样：按照设定的批量采样频率一次采集一批数据；批量采样频率: 设定批量采集的频率，单位为 Hz，表示 1s 内采集的数据个数；采集光电传感器的输出电压和转子转速比较低时，频率可以低一点；采集磁电传感器的输出电压和转子转速比较高时，频率应该高一点。采样通道: 设定采样的通道，采集卡有 16 个通道，但是接线板上只用了前面的 1-10 个通道。批量采样点数:设定批量采样的数据个数。 2. 实验步骤 1）启动实验程序“转子转速和齿轮齿数测量.exe”; 输入个人信息，也可以启动之后通过单击“修改”按钮修改个人信息。 2）观察转子转动时光电和磁电传感器的输出电压的变化规律，理解实验原理。 a. 单击“采样设置”按钮，输入采集卡连接光电传感器的采样通道号； b. 单击“单点采样”，然后用手转动转子的转轴，观察光电传感器转过反光纸时输出电压的变化规律；观察转子旋转一圈时，光电传感器电压变化的次数与反光纸片数的关系。 c. 单击“采样设置”按钮，输入采集卡连接磁电传感器的采样通道号； b. 单击“单点采样”，然后用手转动转子的转轴，观察磁电传感器转过齿轮的齿顶和齿谷时输出电压的变化规律；观察转子旋转一圈时，磁电传感器电压变化的次数与齿轮齿数的关系

测试技术与信号分析实验指导书 d.通过上述观察，理解本实验的原理。 3)打开转子电机的电源，旋转调节旋钮改变转子的转速，先调为低速。 4)转子的转速和齿轮齿数的测量 (1)单击“采样设置”按钮，输入采集卡连接光电传感器的采样通道号、批量采样频率、批量采样点数。 (2)单击“批量采样按钮，完成采样： (3)观察采集到的光电传感器输出电压的曲线是否正常，如果不正常（如存在异常跳变、数据个数过少)，则重新采集一次。 (4)单击“保存”按钮，将采集到的光电传感器的电压数据保存为文本文件。单击“保存设置”改变保存的目录和文件名。文件默认保存到C:ExperiData”目录下。 (⑤)根据保存在文本文件中数据，计算出转子的转速（课后完成）。 (6)重复测量5次，注意更改文件名。取5次测量的平均值作为测量结果（课后完成）。 (⑦)单击“采样设置”按钮，输入采集卡连接磁电传感器的采样通道号、批量采样频率、批量采样点数。 (8)单击“批量采样”按钮，完成采样： (9)观察采集到的磁电传感器输出电压的曲线是否正常，如果不正常（如存在异常跳变、数据个数过少)，则重新采集一次。 (10)单击“保存”按钮，将采集到的磁电传感器的电压数据保存为文本文件。单击“保存设置”改变保存的目录和文件名。文件默认保存到C:ExperiData”目录下。注意更改文件名。 (11)根据保存在文本文件中数据和测量出来转子的转速，计算出齿轮的齿数： (12)重复测量5次，取5次测量的平均值作为测量结果（课后完成）。 5)旋转调节旋钮改变转子的转速，先调为中速，重复步骤4)。 6)旋转调节旋钮改变转子的转速，先调为高速，重复步骤4)。 3.数据的处理（课后完成，建议利用matlab完成） 1)启动matlab 2)转子转速n的计算 (1)打开保存有光电转速传感器输出电压数据的文本文件，如打开文件“3104000402张三Nol.txt,将该文件另存为Nol.txt”后，选中并删除文本文件Nol.txt”开头包含有汉字的前7行（有5行汉字，2个空格行）。删除了开头几行汉字的No1.txt文本文件的开头如图2所示。 (2)将文本文件Nol.txt复制到matlab的当前工作目录下或将Nol.txt所在的文件夹设为 matlab的当前工作目录。 (3)在matlab的命令窗口中输入1 load Nol.txt”。通过上述命令将文本文件Nol.txt”中的数据导入matlab的工作空间，生成一个名为No1的多行4列的数组，可利用whos命令查看，如图3所示。 (4)绘制电压曲线 DNnl,tx对-记事本日回☒ C:'ExperData 文件调城)格式)查看)帮动回 Commind Widow 团☒ +9.日自00 +1.3006 11813 +9.0000 41.8●00 11018 Using Toolbox Fath Cache,Type "help toolbor path cache" 11018 +9.0080 41.000 1101g Te get starte4,s1et"WATh姐Halr”fron th=1pn*nu 6 +9.0100 11010 118 +9.0明00 +1.0000 1110 》ho Bytes Class 1012 181018 +9.008 +1.090 101010 5●181924 262144 double wrray Grand total is 32768 elenents using 262144 bytes 图2 图3 横坐标为时间，根据数组No1中第1列和采样频率来计算。利用No1(,1)提取数

测试技术与信号分析实验指导书 d. 通过上述观察，理解本实验的原理。 3）打开转子电机的电源，旋转调节旋钮改变转子的转速，先调为低速。 4) 转子的转速和齿轮齿数的测量 (1)单击“采样设置”按钮，输入采集卡连接光电传感器的采样通道号、批量采样频率、批量采样点数。 (2)单击“批量采样”按钮，完成采样； (3)观察采集到的光电传感器输出电压的曲线是否正常，如果不正常(如存在异常跳变、数据个数过少)，则重新采集一次。 (4)单击“保存”按钮，将采集到的光电传感器的电压数据保存为文本文件。单击“保存设置”改变保存的目录和文件名。文件默认保存到“C:\ExperiData\”目录下。 (5)根据保存在文本文件中数据，计算出转子的转速（课后完成）。 (6)重复测量 5 次，注意更改文件名。取 5 次测量的平均值作为测量结果（课后完成）。 (7)单击“采样设置”按钮，输入采集卡连接磁电传感器的采样通道号、批量采样频率、批量采样点数。 (8)单击“批量采样”按钮，完成采样； (9)观察采集到的磁电传感器输出电压的曲线是否正常，如果不正常(如存在异常跳变、数据个数过少)，则重新采集一次。 (10)单击“保存”按钮，将采集到的磁电传感器的电压数据保存为文本文件。单击“保存设置”改变保存的目录和文件名。文件默认保存到“C:\ExperiData\”目录下。注意更改文件名。 (11) 根据保存在文本文件中数据和测量出来转子的转速，计算出齿轮的齿数； (12) 重复测量 5 次，取 5 次测量的平均值作为测量结果（课后完成）。 5）旋转调节旋钮改变转子的转速，先调为中速，重复步骤 4）。 6）旋转调节旋钮改变转子的转速，先调为高速，重复步骤 4）。 3. 数据的处理（课后完成，建议利用 matlab 完成） 1) 启动 matlab 2) 转子转速 n 的计算 (1) 打开保存有光电转速传感器输出电压数据的文本文件，如打开文件“3104000402_张三_No1.txt”, 将该文件另存为“No1.txt”后，选中并删除文本文件“No1.txt” 开头包含有汉字的前 7 行（有 5 行汉字，2 个空格行）。删除了开头几行汉字的“No1.txt”文本文件的开头如图 2 所示。 (2) 将文本文件 No1.txt 复制到 matlab 的当前工作目录下或将 No1.txt 所在的文件夹设为 matlab 的当前工作目录。 (3) 在 matlab 的命令窗口中输入“load No1.txt”。通过上述命令将文本文件“No1.txt”中的数据导入 matlab 的工作空间，生成一个名为 No1 的多行 4 列的数组，可利用 whos 命令查看，如图 3 所示。 (4) 绘制电压曲线横坐标为时间，根据数组 No1 中第 1 列和采样频率来计算。利用 No1(:,1)提取数图 2 图 3

测试技术与信号分析实验指导书组中的第4列全部数据，利用No1(1:2,1)提取数组中的第4列中的第11-2行数据。由于第1列保存的是采样数据的序号，因此时间应该是序号与采样间隔(=1f采样频率)，单位为秒(s)。纵坐标为电压，是数组No1中的第2列。利用No1(,2)提取数组中的第2列。如果采样频率戶10000（即10KHz),则在命令窗口输入： plot(No1(1:8192,1)*(1/10000),No1(1:8192,2) plot命令会得到一个后缀为.fg的图形文件，显示为电压曲线。对fig图形文件的处理参见实验“典型信号的合成与分解”的相关内容。主要是将背景改为白色及改变纵坐标的显示范围。如图4所示。 10 9 6 5 3 2 0 0.10.20.30.40.50.60.70.80.9 图4光电传感器的输出波形 (⑤)根据电压曲线，计算转子的转速如果转子上粘贴的反光纸的片数为2，则电压每2次跳变所经历的时间为一个周期 T,即转子转一圈所需要的时间，则转子的转速n=60T(单位，r/min)。由图4可看出，=T,2=2T,=3T。建议利用多个周期的时间来计算，可均化误差。因此，图4所示的曲线，最好利用3来求周期T,即T=/3。直接根据图4的横坐标来求取3，误差比较大。建议利用文本文件No1.txt中第一列数据中保存的采样数据序号ⅰ和采样频率来求取。 43=(62-)×(11f) 2—右跳变时的采样数据序号； —t左跳变时的采样数据序号：五、振动速度测量实验主要仪器设备和材料 1.本次实验的主要仪器设备有：机械转子系统，光电式转速传感器，磁电式振动速度传感器，USB数据采集卡，计算机等。 2.磁电式速度传感器简介 OD9200系列振动速度传感器，可用于对轴承座、机壳或结构相对于自由空间的绝对振动测量。其输出电压与振动速度成正比，故又称速度式振动传感器。其输出可以是速度值的大小，也可以是把速度量经过积分转换成位移量信号输出。这种测量可对旋转或往复式机构的综合工况进行评价。 OD9200系列速度振动传感器属于惯性式传感器。是利用磁电感应原理把振动信号变换成电信号。它主要由磁路系统、惯性质量、弹簧阻尼等部分组成。在传感器壳体中刚性地固定有磁铁，惯性质量（线圈组件）用弹簧元件悬挂于壳体上。工作时，将传感器安装在机器上，在机器振动时，在传感器工作频率范围内，线圈与磁铁相对运动、切割磁力线，在线圈

测试技术与信号分析实验指导书组中的第 4 列全部数据，利用 No1(l1:l2,1)提取数组中的第 4 列中的第 l1-l2 行数据。由于第 1 列保存的是采样数据的序号，因此时间应该是序号与采样间隔（=1/f 采样频率），单位为秒（s）。纵坐标为电压，是数组 No1 中的第 2 列。利用 No1(:,2)提取数组中的第 2 列。如果采样频率 f=10000（即 10KHz），则在命令窗口输入： plot(No1(1:8192,1)*(1/10000),No1(1:8192,2)) plot 命令会得到一个后缀为.fig 的图形文件，显示为电压曲线。对 fig 图形文件的处理参见实验“典型信号的合成与分解”的相关内容。主要是将背景改为白色及改变纵坐标的显示范围。如图 4 所示。 t3=3T t2=2T t1=T 图 4 光电传感器的输出波形 (5) 根据电压曲线，计算转子的转速如果转子上粘贴的反光纸的片数为 2，则电压每 2 次跳变所经历的时间为一个周期 T，即转子转一圈所需要的时间，则转子的转速 n=60/T (单位，r/min)。由图 4 可看出，t1=T，t2=2T，t3=3T。建议利用多个周期的时间来计算，可均化误差。因此，图 4 所示的曲线，最好利用 t3 来求周期 T，即 T=t3/3。直接根据图 4 的横坐标来求取 t3,误差比较大。建议利用文本文件 No1.txt 中第一列数据中保存的采样数据序号 i 和采样频率 f 来求取。 3 21 t ii f   ( ) (1/ ) i 2——t3 右跳变时的采样数据序号； i 1——t3 左跳变时的采样数据序号；五、振动速度测量实验主要仪器设备和材料 1. 本次实验的主要仪器设备有：机械转子系统，光电式转速传感器，磁电式振动速度传感器，USB 数据采集卡，计算机等。 2. 磁电式速度传感器简介 OD9200 系列振动速度传感器，可用于对轴承座、机壳或结构相对于自由空间的绝对振动测量。其输出电压与振动速度成正比，故又称速度式振动传感器。其输出可以是速度值的大小，也可以是把速度量经过积分转换成位移量信号输出。这种测量可对旋转或往复式机构的综合工况进行评价。 OD9200 系列速度振动传感器属于惯性式传感器。是利用磁电感应原理把振动信号变换成电信号。它主要由磁路系统、惯性质量、弹簧阻尼等部分组成。在传感器壳体中刚性地固定有磁铁，惯性质量（线圈组件）用弹簧元件悬挂于壳体上。工作时，将传感器安装在机器上，在机器振动时，在传感器工作频率范围内，线圈与磁铁相对运动、切割磁力线，在线圈

测试技术与信号分析实验指导书内产生感应电压，该电压值正比于振动速度值。与二次仪表相配接（如OD9000振动系列仪表)，即可显示振动速度或振动位移量的大小。也可以输送到其它二次仪表或交流电压表进行测量。六.振动速度测量实验步骤 1.启动实验程序“机械转子系统的振动测量.xe”；输入个人信息，也可以启动之后通过单击“修改”按钮修改个人信息。 2.单击“采样设置”按钮，输入采集卡连接磁电速度传感器的采样通道号，批量采样频率 (建议设为10KHz)、批量采样点数（建议设为10000）。 3.打开转子电机的电源，单击“单点采样”。 4.旋转调节旋钮改变转子的转速，观察图形区显示的磁电速度传感器采集到的转子底座振动信号：如果振动信号比较小，可适当提高转子的转速。 5.转子转速的测量： (1)单击“采样设置”按钮，输入采集卡连接光电转速传感器的采样通道号、批量采样频率（建议值为10KHz)、批量采样点数（建议值为10000）。 (2)单击“批量采样”按钮，开始采样；采样完成之后，采集到的波形信号会显示在图形窗口，系统会自动计算出转子的速度并显示出来。记录下此时的转子的转速（单位：rs)。 (3)再重复步骤(2)测量2次。以三次测量的平均值作为此时转子的转速。 6.振动信号的测量和频谱分析： (1)单击“采样设置”按钮，输入采集卡连接磁电速度传感器的采样通道号、批量采样频率（建议设为10KHz)、批量采样点数（建议设为10000）。 (2)单击“批量采样”按钮，开始采样：采样完成之后，采集到的波形信号会显示在图形窗口。如果信号不正常，重复点击“批量采样”按钮 (3)单击“保存”按钮，将采集到的磁电传感器的信号数据保存为文本文件。文件必须保存到C:ExperiData”目录下。可单击“保存设置”更改文件名。 (4)打开刚保存的文本文件，文件前面几行保存了个人信息、采样频率、采样通道、保存的数据个数等信息。文件中共有四列数据，第一列为数据的序号，第二列为磁电传感器检测到的数据。 (5)将文本文件另存为Nol.tt,删除文本文件No1.txt”开头包含有汉字的前7行（有 5行汉字，2个空格行)。删掉文件前面几行汉字是为了将数据导入matlab。 (6)启动matlab,将“C.ExperiDatal”目录设为matlab的当前工作目录。 (7)在matlab的命令窗口中输入experi7并回车，matlab会运行当前目录下experi7.m 文件完成振动信号的频谱分析。绘出信号的时域波形、功率谱图，并计算出信号的主频。 (8)截屏保存图形。 7.对比转子的转速(s)与测得的振动信号的主频。 8.改变（建议增大）转子的转速，重复步骤5和步骤6，观察振动信号的主频是否会随着转子转速的变化而变化。保存数据时注意更改文件名，不要覆盖掉前面的数据文件。 9.将保存的数据文本文件和experi7?.m文件拷贝回去，用于实验报告的撰写和实验数据的进一步处理分析；仔细阅读experi7?.m,在看懂了experi7.m文件基础上进行修改，对振动信号进行其它的分析处理，如滤波、幅值谱、自相关函数、自功率谱等（课后完成)。七.思考题 1.简述利用磁电速度传感器测量转子实验台底座振动的原理

测试技术与信号分析实验指导书内产生感应电压，该电压值正比于振动速度值。与二次仪表相配接（如OD9000 振动系列仪表），即可显示振动速度或振动位移量的大小。也可以输送到其它二次仪表或交流电压表进行测量。六．振动速度测量实验步骤 1．启动实验程序“机械转子系统的振动测量.exe”; 输入个人信息，也可以启动之后通过单击“修改”按钮修改个人信息。 2．单击“采样设置”按钮，输入采集卡连接磁电速度传感器的采样通道号，批量采样频率（建议设为 10KHz）、批量采样点数（建议设为 10000）。 3．打开转子电机的电源，单击“单点采样”。 4．旋转调节旋钮改变转子的转速,观察图形区显示的磁电速度传感器采集到的转子底座振动信号；如果振动信号比较小，可适当提高转子的转速。 5．转子转速的测量： (1) 单击“采样设置”按钮，输入采集卡连接光电转速传感器的采样通道号、批量采样频率（建议值为 10KHz）、批量采样点数（建议值为 10000）。 (2) 单击“批量采样”按钮，开始采样；采样完成之后，采集到的波形信号会显示在图形窗口，系统会自动计算出转子的速度并显示出来。记录下此时的转子的转速（单位：r/s）。 (3) 再重复步骤(2)测量 2 次。以三次测量的平均值作为此时转子的转速。 6．振动信号的测量和频谱分析： (1) 单击“采样设置”按钮，输入采集卡连接磁电速度传感器的采样通道号、批量采样频率（建议设为 10KHz）、批量采样点数（建议设为 10000）。 (2) 单击“批量采样”按钮，开始采样；采样完成之后，采集到的波形信号会显示在图形窗口。如果信号不正常，重复点击“批量采样”按钮 (3) 单击“保存”按钮，将采集到的磁电传感器的信号数据保存为文本文件。文件必须保存到“C:\ExperiData\”目录下。可单击“保存设置”更改文件名。 (4) 打开刚保存的文本文件，文件前面几行保存了个人信息、采样频率、采样通道、保存的数据个数等信息。文件中共有四列数据，第一列为数据的序号，第二列为磁电传感器检测到的数据。 (5) 将文本文件另存为 No1.txt，删除文本文件“No1.txt” 开头包含有汉字的前 7 行（有 5 行汉字，2 个空格行）。删掉文件前面几行汉字是为了将数据导入 matlab。 (6) 启动 matlab，将“C:\ExperiData\”目录设为 matlab 的当前工作目录。 (7) 在 matlab 的命令窗口中输入 experi7 并回车，matlab 会运行当前目录下 experi7.m 文件完成振动信号的频谱分析。绘出信号的时域波形、功率谱图，并计算出信号的主频。 (8) 截屏保存图形。 7．对比转子的转速(r/s)与测得的振动信号的主频。 8．改变（建议增大）转子的转速，重复步骤 5 和步骤 6，观察振动信号的主频是否会随着转子转速的变化而变化。保存数据时注意更改文件名，不要覆盖掉前面的数据文件。 9．将保存的数据文本文件和 experi7.m 文件拷贝回去，用于实验报告的撰写和实验数据的进一步处理分析；仔细阅读 experi7.m，在看懂了 experi7.m 文件基础上进行修改，对振动信号进行其它的分析处理，如滤波、幅值谱、自相关函数、自功率谱等（课后完成）。七．思考题 1. 简述利用磁电速度传感器测量转子实验台底座振动的原理