9 廣束2荣大 《测试技术实验》 实验指导书 肖体兵宋月贤 机电工程学院 二0一三年一月印
《测试技术实验》 实验指导书 肖体兵 宋月贤 机电工程学院 二０一三年一月印
《测试技术实验》实验指导书 目录 实验一典型信号的合成和分解..1 实验二 电涡流传感器静态特性的测量7 实验三测试装置动态特性的测量.12 实验四转子转速和齿轮齿数的测量23 实验五机械转子底座的振动测量和分析30 实验六虚拟仪器(Labview)上机实验 ..33 附1实验报告书格式.…。 .47 附2实验报告内容..… .48
《测试技术实验》实验指导书 目 录 实验一 典型信号的合成和分解……………………..…1 实验二 电涡流传感器静态特性的测量…………….….7 实验三 测试装置动态特性的测量………………..…..12 实验四 转子转速和齿轮齿数的测量…………...…….23 实验五 机械转子底座的振动测量和分析……………30 实验六 虚拟仪器（Labview）上机实验………………33 附 1 实验报告书格式………………………………47 附 2 实验报告内容……………………………...……48
实验一典型信号的合成和分解 实验指导书 实验项目名称：典型信号的合成和分解 实验项目性质：普通 所属课程名称：测试技术实验 实验计划学时：2 一.实验目的 通过本实验熟悉信号的合成、分解原理，了解信号频谱的含 义和特点。 二.实验内容和要求 1.周期信号的合成和分解 在有限区间内，凡满足狄里赫利条件的周期信号x()都可以展开傅 里叶三角函数级数。 x()(d cosnot +bsin mo,!) 2 a4+∑A,cosn0,0, (n=1,2,3,…) 2 式中 常值分量 a=1 a,—余弦分量的幅值 2r12 b一正弦分量的幅值
实验一 典型信号的合成和分解 1 实验指导书 实验项目名称：典型信号的合成和分解 实验项目性质：普 通 所属课程名称：测试技术实验 实验计划学时：2 一．实验目的 通过本实验熟悉信号的合成、分解原理，了解信号频谱的含 义和特点。 二．实验内容和要求 1．周期信号的合成和分解 在有限区间内，凡满足狄里赫利条件的周期信号 x( )t 都可以展开傅 里叶三角函数级数。 0 0 1 0 0 1 ( ) ( cos sin ) 2 cos( ) ( 1, 2,3, ) 2 n nn n n n n a xt a n t b n t a A nt n ω ω ω ϕ ∞ = ∞ = =+ + =+ − = ∑ ∑ " 式中 0 a ——常值分量 0 0 / 2 0 / 2 0 2 ( ) T T a x t dt T − = ∫ n a ——余弦分量的幅值 0 0 / 2 0 / 2 0 2 ( )cos T n T a x t n tdt T ω − = ∫ n b ——正弦分量的幅值
《测试技术实验》实验指导书 2 CTo/2 bn= x(t)sin no tdt T -T0/2 A,一n次谐波的振幅，是n的偶函数 An=Va+b好 p。一n次谐波的相角，是n的奇函数 arctan an 可见，周期信号是由一个或几个、乃至无穷多个不同频率的 谐波叠加而成的。也就是说，复杂周期信号是由几个乃至无穷多 个简单的周期信号组成的，这些组成的周期信号的频率具有公约 数，周期具有公共的周期。 因此，周期信号可以分解成多个乃至无穷多个谐波信号。反 过来说，我们可以用一组谐波信号来合成任意形状的周期信号。 例如对于如右图所示的方 x(t) 波，其时域描述表达式为 x(t)=x(t+nTo) x(t)= -A T<t<0 其傅立叶三角函数展开式为 4A x(t)= (2n-10x号 4A sinsinn+ 其中，基频。-严。可见，该周期方波是由一系列频率成分成谐 波关系，幅值成一定比例，相位角为0的正弦波叠加而成的。 以圆频率为横坐标，以各次谐波的幅值A或相角p为纵坐 标，则可分别得其幅频谱和相频谱。由于为整数，相邻的谱线的
《测试技术实验》实验指导书 2 0 0 / 2 0 / 2 0 2 ( )sin T n T b x t n tdt T ω − = ∫ An ——n次谐波的振幅，是n的偶函数 2 2 An nn = + a b ϕn——n次谐波的相角，是n的奇函数 arctan n n n a b ϕ = 可见，周期信号是由一个或几个、乃至无穷多个不同频率的 谐波叠加而成的。也就是说，复杂周期信号是由几个乃至无穷多 个简单的周期信号组成的，这些组成的周期信号的频率具有公约 数，周期具有公共的周期。 因此，周期信号可以分解成多个乃至无穷多个谐波信号。反 过来说，我们可以用一组谐波信号来合成任意形状的周期信号。 例如对于如右图所示的方 波，其时域描述表达式为 0 0 0 () ( ) 0 2 ( ) 0 2 x t x t nT T A t x t T A t ⎧ = + ⎪ ⎧ ⎪ < < ⎪ ⎨ = ⎨ ⎪ ⎪− − << ⎪ ⎩ ⎩ 其傅立叶三角函数展开式为 0 1 000 4 ( ) sin (2 1) 4 11 sin sin 3 sin 5 3 5 n A xt n t n A ttt ω π ωωω π ∞ = ⎛ ⎞ = ⎜ ⎟ − ⎝ ⎠ ⎛ ⎞ = +++ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ∑ " 其中，基频 0 0 2 T π ω = 。可见，该周期方波是由一系列频率成分成谐 波关系，幅值成一定比例，相位角为0的正弦波叠加而成的。 以圆频率为横坐标，以各次谐波的幅值 An 或相角ϕn 为纵坐 标，则可分别得其幅频谱和相频谱。由于n为整数，相邻的谱线的
实验一典型信号的合成和分解 频率间隔为基频o。,因此周期信号的频谱是离散的。 2.准周期信号 准周期信号是由两种以上的周期信号合成的，但其组成分量 间无法找到公共周期，因此无法按某一时间间隔周而复始重复出 现。 例如 x(t)=5sin10t+6sin 20t+7sin v10t 该信号由3个周期信号组成，但由于3个周期信号的圆频率 10、20、√10没有公约数即该三个信号无公共周期，因此该信号 不呈现周期性。 准周期信号的频谱是离散的。 三.实验主要仪器设备和材料 1.计算机n台 2.matlab软件1套 四.实验步骤 1.启动matlab软件，点击菜单File/new/M-File,打开一个空 的m文件。 2.理解并输入附录中的程序代码：然后点击菜单File/save 进行保存，保存的文件名不能以数字开头或含有汉字。 3.点击菜单Debug/Run,运行程序。 4.程序的运行结果是生成一个*.fig图形文件，文件中有4个 图。第1个图为周期信号的时域图形和0~n次谐波叠加后 的时域图形：第2个图为0~n次谐波及其叠加后的时域图 形：第3个图为周期信号0~n次谐波的幅值与频率的关系 曲线，即幅频谱图：第4个图为周期信号0~n次谐波的幅 值与频率的关系曲线，即相频谱图。 5.点击*.fig图形文件的菜单Edit/Figure Properties,在弹 出的对话框的style/color下拉选项中，选择“white”。 改变图形文件的背景色为白色
实验一 典型信号的合成和分解 3 频率间隔为基频ω0，因此周期信号的频谱是离散的。 2．准周期信号 准周期信号是由两种以上的周期信号合成的，但其组成分量 间无法找到公共周期，因此无法按某一时间间隔周而复始重复出 现。 例如 xt t t t ( ) 5sin10 6sin 20 7sin 10 =++ 该信号由3个周期信号组成，但由于3个周期信号的圆频率 10、20、 10 没有公约数即该三个信号无公共周期，因此该信号 不呈现周期性。 准周期信号的频谱是离散的。 三．实验主要仪器设备和材料 1.计算机 n台 2. matlab软件1套 四．实验步骤 1. 启动 matlab 软件，点击菜单 File/new/M-File,打开一个空 的 m 文件。 2. 理解并输入附录中的程序代码；然后点击菜单 File/save 进行保存，保存的文件名不能以数字开头或含有汉字。 3. 点击菜单 Debug/Run，运行程序。 4. 程序的运行结果是生成一个*.fig 图形文件，文件中有 4 个 图。第 1 个图为周期信号的时域图形和 0~n 次谐波叠加后 的时域图形；第 2 个图为 0~n 次谐波及其叠加后的时域图 形；第 3 个图为周期信号 0~n 次谐波的幅值与频率的关系 曲线，即幅频谱图；第 4 个图为周期信号 0~n 次谐波的幅 值与频率的关系曲线，即相频谱图。 5. 点击*.fig 图形文件的菜单 Edit/Figure Properties,在弹 出的对话框的 style/color 下拉选项中，选择“white”。 改变图形文件的背景色为白色
《测试技术实验》实验指导书 2 2 0 12 -2 -3 0 12 3 3 1 215 0.5 0eeeeeee 0.5 0 199992 -0.5 -1 0102030405060 0102030405060 图3-1 6.将图形文件抓频保存为BMP文件或保存为fig文件。为避 免混淆，建议图形文件名中包含波形名称和n的次数，如 fangbon7.bmp或fangbon7.fig,表示该图形为方波的，n=7。 建议将此时的m程序文件另存为fangbon7.m,与图形文件同 名。 7.改变程序中第4行中n的取值，重复步骤16。 每个人n的取值：n1=学号的最后2位+7，n2=n1*3, n3=n1*10; 8.修改程序，重复步骤1~7，实现教材表1-2中的三角波的合 成，画出其频谱图。 9.修改程序，重复步骤1~7，实现教材表1-2中的锯齿角波的 合成，画出其频谱图。 10.实现准周期信号x(t)的合成，画出其频谱图。 x(t)=5sin10t+6sin 20t+7sin v10t 11.用优盘拷贝自己保存的图形文件和程序，课后进行实验数 据处理和分析。 五.实验报告要求 1.实验报告写作大纲
《测试技术实验》实验指导书 4 6. 将图形文件抓频保存为 BMP 文件或保存为 fig 文件。为避 免混淆，建议图形文件名中包含波形名称和 n 的次数，如 fangbon7.bmp 或 fangbon7.fig，表示该图形为方波的，n=7。 建议将此时的 m程序文件另存为 fangbon7.m,与图形文件同 名。 7. 改变程序中第 4 行中 n 的取值，重复步骤 1~6。 每个人 n 的取值：n1=学号的最后 2 位+7，n2=n1*3， n3=n1*10; 8. 修改程序，重复步骤 1~7，实现教材表 1-2 中的三角波的合 成，画出其频谱图。 9. 修改程序，重复步骤 1~7，实现教材表 1-2 中的锯齿角波的 合成，画出其频谱图。 10.实现准周期信号 x(t)的合成，画出其频谱图。 x( ) 5sin10 6sin 20 7sin 10 t tt t =++ 11.用优盘拷贝自己保存的图形文件和程序，课后进行实验数 据处理和分析。 五．实验报告要求 1．实验报告写作大纲 图 3-1
实验一典型信号的合成和分解 (1)实验的目的和要求 (2)实验的内容和结果 整理实验得到的图形，并进行分析。分析周期信号及准 周期信号的组成和频谱特点 (3)结论 (4)问题和讨论 对思考题的回答。 (⑤)对本试验的体会和建议 2.实验报告中可以附上实验的源程序。 3.图形要求打印，纸张大小需剪裁到与实验报告纸一致。 六.思考题 1.复杂周期信号的各组成成分之间的频率有什么关系？ 2.具有离散频谱的一定是周期信号吗？ 3.由多个简单周期信号叠加而成的信号一定是周期信号吗？ 附录.合成典型方波信号的matlab程序 %x(t)=A(0<=tKT0/2),x(t)=-A(T0/2<=tT0) clear all;%清除所有变量 clc,%清屏 n=7:%n为叠加的谐波数日 T0=2;A=2%T0为方波的周期：A为方波的幅值： NofT0=2:%所画的时域波形的周期数 %周期信号时域描述 tn i=1; for tn=0:0.01:NofTO*TO if(rem(tn,TO)<=TO/2) y_t(tn i)=A; %信号前半周期的表达式 else y_t(tn i)=-A: %信号后半周期的表达式
实验一 典型信号的合成和分解 5 (1) 实验的目的和要求 (2) 实验的内容和结果 整理实验得到的图形，并进行分析。分析周期信号及准 周期信号的组成和频谱特点 (3) 结论 (4) 问题和讨论 对思考题的回答。 (5) 对本试验的体会和建议 2. 实验报告中可以附上实验的源程序。 3. 图形要求打印，纸张大小需剪裁到与实验报告纸一致。 六．思考题 1．复杂周期信号的各组成成分之间的频率有什么关系？ 2．具有离散频谱的一定是周期信号吗？ 3．由多个简单周期信号叠加而成的信号一定是周期信号吗？ 附录. 合成典型方波信号的 matlab 程序 %x(t)=A (0<=t<T0/2);x(t)=-A (T0/2<=t<T0) clear all;%清除所有变量 clc;%清屏 n=7;% n为叠加的谐波数目 T0=2;A=2;;%T0为方波的周期;A为方波的幅值; NofT0=2;%所画的时域波形的周期数 %周期信号时域描述 tn_i=1; for tn=0:0.01:NofT0*T0 if(rem (tn,T0)<=T0/2) y_t(tn_i)=A; %信号前半周期的表达式 else y_t(tn_i)=-A; %信号后半周期的表达式
《测试技术实验》实验指导书 end; t t(tn i)-tn; tn i=tn i+l; end; %周期信号的频域描述 t=0:0.01:NofT0*T0:%时域波形的长度 x=0:%合成的信号值，初始化为0 pi=3.1415926: w0=2*pi/T0:%基波的频率 for i=1:n fw(①)=(2*i-1)*w0:%第i次谐波的频率 a(i)=(4*A/(pi*(2*i-1)沙；%第i次谐波的幅值 fai(i)=0;%第i次谐波的相位 y(i,:)=a(①)*sin(fw(i)*t);%第i次谐波的值 X=x+y(i,);%0-i次谐波之和 end; %subplot将画图区分成2行2列的四个小画图区 subplot(2,2,1):%选择第1个画图☒ plot(tt,ytx]);%画信号的时域及合成后的图形 subplot(2,2,2):%选择第2个画图☒ plot(t,[x,y]);%画0-n次谐波及合成后的图 subplot(2,2,3):%选择第3个画图☒ stem(fw,a),%画0-n次谐波的幅值 频率图 subplot(2,2,4);%选择第4个画图☒ stem(fw,fai):%画0-n次谐波的相位一频率图 6
《测试技术实验》实验指导书 6 end; t_t(tn_i)=tn; tn_i=tn_i+1; end; %周期信号的频域描述 t=0:0.01:NofT0*T0;%时域波形的长度 x=0;%合成的信号值，初始化为0 pi=3.1415926; w0=2*pi/T0;%基波的频率 for i=1:n fw(i)=(2*i-1)*w0;%第i次谐波的频率 a(i)=(4*A/(pi*(2*i-1))); %第i次谐波的幅值 fai(i)=0;%第i次谐波的相位 y(i,:)=a(i)*sin(fw(i)*t);%第i次谐波的值 x=x+y(i,:);%0-i次谐波之和 end; %subplot将画图区分成2行2列的四个小画图区 subplot(2,2,1);%选择第1个画图区 plot(t_t,[y_t;x]);%画信号的时域及合成后的图形 subplot(2,2,2);%选择第2个画图区 plot(t,[x; y]);%画0-n次谐波及合成后的图 subplot(2,2,3);%选择第3个画图区 stem(fw,a); %画0-n次谐波的幅值——频率图 subplot(2,2,4);%选择第4个画图区 stem(fw,fai);%画0-n次谐波的相位——频率图
实验二电涡流传感器的使用与标定 实验指导书 实验项目名称：电涡流传感器静态特性的测量 实验项目性质：普通 所属课程名称：测试技术实验 实验计划学时：1 一.实验目的 1.掌握电涡流传感器的使用方法： 2.通过对不同材料的传感器间隙电压及灵敏度、非线性度和 回程误差的测定，了解涡流传感器基本静态特性。 二，实验内容与要求 1.学会电涡流式传感器的使用方法； 2.对电涡流式传感器进行静态标定；测量传感器的灵敏度、 非线性度和回程误差。 3.观测不同材料的金属涡流片对涡流传感器的特性影响： 4.练习用作图法处理测量数据。 三.实验主要仪器设备和材料 实验需要使用的仪器主要有：三种不同材料的金属涡流片、 电涡流传感器、螺旋测微计、标准接线前置器、数字万用表。 电涡流传感器是一种不接触式测量的位移传感器，它具有较 宽的使用频率范围(DC一10KHz),因此特别适合于测量转子轴 的振动、静偏摆、油膜厚度、轴心轨迹等机械量，可用于其它对 象的静态和动态位移的测量
实验二 电涡流传感器的使用与标定 7 实验指导书 实验项目名称：电涡流传感器静态特性的测量 实验项目性质：普 通 所属课程名称：测试技术实验 实验计划学时：1 一．实验目的 l．掌握电涡流传感器的使用方法； 2. 通过对不同材料的传感器间隙电压及灵敏度、非线性度和 回程误差的测定，了解涡流传感器基本静态特性。 二．实验内容与要求 1．学会电涡流式传感器的使用方法; 2．对电涡流式传感器进行静态标定；测量传感器的灵敏度、 非线性度和回程误差。 3．观测不同材料的金属涡流片对涡流传感器的特性影响; 4．练习用作图法处理测量数据。 三．实验主要仪器设备和材料 实验需要使用的仪器主要有：三种不同材料的金属涡流片、 电涡流传感器、螺旋测微计、标准接线前置器、数字万用表。 电涡流传感器是一种不接触式测量的位移传感器，它具有较 宽的使用频率范围（DC一10KHZ），因此特别适合于测量转子轴 的振动、静偏摆、油膜厚度、轴心轨迹等机械量，可用于其它对 象的静态和动态位移的测量
《测试技术实验》实验指导书 传感器头端部的电感线圈L被高频电流激励，产生高频磁场Φ， 当被测金属导体靠近这个高频线圈L时，由于①的作用，在导体 表面产生涡电流，涡电流又产生与Φ相反的磁场Φ，以抵抗原磁 场的变化。如图1所示，这一过程要损耗能量，使线圈L的电感 量变化，损耗电阻增加，品质因数Q值变低。这些参数的变化量 是随被测导体与线圈之间的间隙δ的大小而变化的。采用适当的 电路检测这个变化量，即可实现位移或振幅的测量。变换原理如 图2所示。 导体 6线圈1 变换级 检波级放大级输出级 图1涡流效应 图2变换原理 四.实验方法和步骤 1.实验方法 电涡流传感器的输出电压对间隙的关系曲线，称之为间隙电 压曲线，在曲线上基本接近直线部分称之为传感器线性范围。在 线性区的斜率即为间隙电压灵敏度一对应于每单位间隙变化时的 输出电压变化量(mV/μ或V/mm)。 间隙电压曲线及间隙电压灵敏度与被测试对象材料的电磁性 能有关，因此针对不同类型材料应进行标定，由于电涡流传感器 具有零频率响应，因此可以采用静态标定的方法，这一标定的结 果同样适用于动态测量。 2.实验步骤 1)按图3接线，特别注意电源电压的极性：
《测试技术实验》实验指导书 8 传感器头端部的电感线圈L被高频电流I激励，产生高频磁场Ф， 当被测金属导体靠近这个高频线圈L 时，由于Ф 的作用，在导体 表面产生涡电流，涡电流又产生与Ф相反的磁场Фe，以抵抗原磁 场的变化。如图1 所示，这一过程要损耗能量，使线圈L 的电感 量变化，损耗电阻增加，品质因数Q 值变低。这些参数的变化量 是随被测导体与线圈之间的间隙δ的大小而变化的。采用适当的 电路检测这个变化量，即可实现位移或振幅的测量。变换原理如 图2 所示。 四．实验方法和步骤 1．实验方法 电涡流传感器的输出电压对间隙的关系曲线，称之为间隙电 压曲线，在曲线上基本接近直线部分称之为传感器线性范围。在 线性区的斜率即为间隙电压灵敏度—对应于每单位间隙变化时的 输出电压变化量（mV／μ或 V／mm）。 间隙电压曲线及间隙电压灵敏度与被测试对象材料的电磁性 能有关，因此针对不同类型材料应进行标定，由于电涡流传感器 具有零频率响应，因此可以采用静态标定的方法，这一标定的结 果同样适用于动态测量。 2．实验步骤 1) 按图3接线，特别注意电源电压的极性； 图 1 涡流效应 图 2 变换原理