机械测试技术基础 实验指导书 机械工程学院专业实验室 2015年10月
机械测试技术基础 实验指导书 机械工程学院专业实验室 2015 年 10 月
目录 实验一信号时域频域分析. 2 实验二测试系统静态特性测定 .10 实验三电阻应变电桥性能比较及动态应变测量.14 实验四不同材质对电涡流传感器的影响.18 实验五机械振动测量及分析 20 实验六转子轴心轨迹测量 27 附录：转子实验台简介 .30 数字式应变仪采集软件使用说明. 32
1 目 录 实验一 信号时域频域分析.2 实验二 测试系统静态特性测定.10 实验三 电阻应变电桥性能比较及动态应变测量.14 实验四 不同材质对电涡流传感器的影响.18 实验五 机械振动测量及分析.20 实验六 转子轴心轨迹测量.27 附录： 转子实验台简介.30 数字式应变仪采集软件使用说明.32
实验一信号时域频域分析 (一)典型信号的时域波形分析 一、实验目的 信号时域分析又称为波形分析或时域统计分析，它是通过信号的时域波形计算信号的 均值、均方值、方差等统计参数。信号的时域分析很简单，用示波器、万用表等普通仪器就 可以进行分析。通过本实验熟悉时域参数的识别方法，能够从信号波形中观测和读取所需的 信总，也就是具备读波形图的能力。 二、实验原理 图1-1是一些典型信号的波形图，熟悉它们的波形特点对实际信号进行分类。 信号（平稳） 已非平路 图11典型信号波形 信号时域波形参数和统计参数识别 信号的周期、峰值等时域波形参数依据信号的波形特征进行识别，可以直接从示波器上 读取，如图12所示： 图12信号时域波形参数识别 图中T为信号周期，P为信号峰值，P为信号双峰值。 信号的均值、均方值、方差等统计参数无法直接从信号波形图上读出，需要用公式进行 2
2 实验一 信号时域频域分析 （一）典型信号的时域波形分析 一、实验目的 信号时域分析又称为波形分析或时域统计分析，它是通过信号的时域波形计算信号的 均值、均方值、方差等统计参数。信号的时域分析很简单，用示波器、万用表等普通仪器就 可以进行分析。通过本实验熟悉时域参数的识别方法，能够从信号波形中观测和读取所需的 信息，也就是具备读波形图的能力。 二、实验原理 图 1-1 是一些典型信号的波形图，熟悉它们的波形特点对实际信号进行分类。 图 1-1 典型信号波形 信号时域波形参数和统计参数识别 信号的周期、峰值等时域波形参数依据信号的波形特征进行识别，可以直接从示波器上 读取，如图 1-2 所示： 图 1-2 信号时域波形参数识别 图中 T 为信号周期，P 为信号峰值，Pp-p 为信号双峰值。 信号的均值、均方值、方差等统计参数无法直接从信号波形图上读出，需要用公式进行 简单周期信号 复杂周期信号 瞬态信号 噪声信号(平稳) 噪声信号(非平稳) 准周期信号
计算，它们的离散计算公式分别为 a)均值4，Ex(】=∑x(n)/N b)均方值r21=是xm/N e方差o,=0)-瓦x0门=2-4， 按数学公式编程，对采样数据进行计算就可以得到信号的统计参数。 三、实验内容 正弦波、方波、三角波、噪声等波形，从图上直接读取信号峰值、周期、均值、均方值、 方差等统计参数 四、实验仪器和设备 1.计算机 1台 2.DRVM快速可重组虚拟仪器平台 1套 五、实验步骤 1.运行DVI主程序，点击“进入《工程测试技术实验学习教程》”，在软件菜单中， 选择信号分析基础类型序号7典型信号的时域波形分析实验，如图1-3所示。 典型信号的时域波形分析 号碧牌盟器益 圈贸 白华高正往发方发三西发谁度线性扫板团 8份 图13典型信号的时域波形分析 2选择不同波形，用鼠标调整右边的频率、幅值，记录统计参数。 六、实验报告要求 1简术实验目的和原理。 2.拷贝实验系统运行界面，插入到Wod格式的实验报告中
3 计算，它们的离散计算公式分别为： a) 均值 (b)均方值 (c)方差 按数学公式编程，对采样数据进行计算就可以得到信号的统计参数。 三、实验内容 正弦波、方波、三角波、噪声等波形，从图上直接读取信号峰值、周期、均值、均方值、 方差等统计参数 四、实验仪器和设备 1. 计算机 1 台 2. DRVI 快速可重组虚拟仪器平台 1 套 五、实验步骤 1. 运行 DRVI 主程序，点击“进入《工程测试技术实验学习教程》”，在软件菜单中， 选择信号分析基础类型序号 7 典型信号的时域波形分析实验，如图 1-3 所示。 图 1-3 典型信号的时域波形分析 2 选择不同波形，用鼠标调整右边的频率、幅值，记录统计参数。 六、实验报告要求 1. 简述实验目的和原理。 2. 拷贝实验系统运行界面，插入到 Word 格式的实验报告中。 − = 1 0 [ ( )] ( )/ N xE x t x n N − = 1 0 2 2 [ ( )] ( )/ N E x t x n N − = − = − 1 0 2 2 2 [ ( ) ] 1 [( ( ) [ ( )]) ] N x x x n N E x t E x t
(二)典型信号的频谱分析 一、实验目的 熟悉典型信号的频谱特征，并能够从信号频谱中读取所需的信息。 了解信号频谱分析的基本原理和方法，掌握用频谱分析提取测量信号特征的方法。 二、实验原理 信号频谱分析是采用傅里叶变换将时域信号x)变换为频域信号X,从而帮助人们从 另一个角度米了解信号的特征。 幅值 率 域分 频域分析 图1-4时域分析与频域分析的关系 信号频谱X①代表了信号在不同频率分量成分的大小，能够提供比时域信号波形更直 观，丰富的信息。时域信号x)的傅氏变换为： x(f)=[x(t)edr (1) 式中X(D为信号的频域表示，x)为信号的时域表示，f为频率。 工程上习惯将计算结果用图形方式表示， 以频率f为横坐标，XD的实部a(f)和虚部 b(f)为纵坐标画图，称为时频一虚频谱图： MMMWMM 以频率「为横坐标，XD的幅值A(∫)和相位 p)为纵坐标画图，则称为幅值一相位谱： 号功本() 以f为横坐标，A()2为纵坐标画图，则称为 功率谱，如图所示。 频谱是构成信号的各频率分量的集合，它 完整地表示了信号的频率结构，即信号由哪些 H,1250 00H112 谐波组成，各谐波分量的幅值大小及初始相 图15信号的频表示方法 位，揭示了信号的频率信息。 三、实验内容 1.白噪声信号幅值谱特性：2.正弦波信号幅值谱特性
4 （二） 典型信号的频谱分析 一、实验目的 熟悉典型信号的频谱特征，并能够从信号频谱中读取所需的信息。 了解信号频谱分析的基本原理和方法，掌握用频谱分析提取测量信号特征的方法。 二、实验原理 信号频谱分析是采用傅里叶变换将时域信号 x(t)变换为频域信号 X(f)，从而帮助人们从 另一个角度来了解信号的特征。 图 1-4 时域分析与频域分析的关系 信号频谱 X(f)代表了信号在不同频率分量成分的大小，能够提供比时域信号波形更直 观，丰富的信息。时域信号 x(t)的傅氏变换为： X f x t e dt j ft + − − = 2 ( ) ( ) (1) 式中 X(f)为信号的频域表示，x(t)为信号的时域表示，f 为频率。 工程上习惯将计算结果用图形方式表示， 以频率 f 为横坐标，X(f)的实部 a( f ) 和虚部 b( f ) 为纵坐标画图，称为时频－虚频谱图； 以频率 f 为横坐标，X(f)的幅值 A( f ) 和相位 ( f ) 为纵坐标画图，则称为幅值－相位谱； 以 f 为横坐标，A(f) 2 为纵坐标画图，则称为 功率谱，如图所示。 频谱是构成信号的各频率分量的集合，它 完整地表示了信号的频率结构，即信号由哪些 谐波组成，各谐波分量的幅值大小及初始相 位，揭示了信号的频率信息。 三、实验内容 1. 白噪声信号幅值谱特性；2. 正弦波信号幅值谱特性 图 1-5 信号的频谱表示方法
3.方波信号幅值谱特性：4.三角波信号幅值谱特性 5.正弦波信号+白噪声信号幅值谱特性 四、实验仪器和设备 1计算机 1台 2.DRVI快速可重组虚拟仪器平台 1套 五、实验步骤 1运行DR主程序，点击“进入《工程测试技术实验学习教程》”，在软件菜单中，选 择信号分析基础类型序号9典型信号的领谱分析与应用实验。 典型信号须谱分析实羚 洲 学自限产正范万发三有扫又生扫有司 行 图1-6典型信号的颜谱分析 2选择不同被形，用鼠标调整右边的频率、幅值，用鼠标读取各谱线的顿率和幅值并 记录，拷贝图形。 六、实验报告要求 1、简述实验目的和原理。 2、拷贝实验系统运行界面，插入到WOd格式的实验报告中， 七、思考题 1.与时域波形分析相比，频语分析的主要优点是？ 2.为何白噪声信号对信号的波形干扰很大，但对信号的频谱影响很小。 (三)频率混叠和采样定理 一、实验目的 1.熟悉信号采样过程，并通过本实验观察欠采样时信号频谱的混迭现象。 2。了解采样前后信号频谱的变化，加深对采样定理的理解，掌握采样频率的确定方法。 5
5 3. 方波信号幅值谱特性 ；4. 三角波信号幅值谱特性 5. 正弦波信号＋白噪声信号幅值谱特性 四、实验仪器和设备 1. 计算机 1 台 2. DRVI 快速可重组虚拟仪器平台 1 套 五、实验步骤 1 运行 DRVI 主程序，点击“进入《工程测试技术实验学习教程》”，在软件菜单中，选 择信号分析基础类型序号 9 典型信号的频谱分析与应用实验。 图 1-6 典型信号的频谱分析 2 选择不同波形，用鼠标调整右边的频率、幅值，用鼠标读取各谱线的频率和幅值并 记录，拷贝图形。 六、实验报告要求 1、简述实验目的和原理。 2、拷贝实验系统运行界面，插入到 Word 格式的实验报告中。 七、思考题 1. 与时域波形分析相比，频谱分析的主要优点是 ？ 2. 为何白噪声信号对信号的波形干扰很大，但对信号的频谱影响很小。 （三） 频率混叠和采样定理 一、实验目的 1. 熟悉信号采样过程，并通过本实验观察欠采样时信号频谱的混迭现象。 2. 了解采样前后信号频谱的变化，加深对采样定理的理解，掌握采样频率的确定方法
二、实验原理 模拟信号经过AD变换转换为数字信号的过程称之为采样，信号采样后其频谱产生了 周期延拓，每隔一个采样频率，重复出现一次。 1.频混现象 频混现象又称为频谱混叠效应，它是由于采样信号频谱发生变化，而出现高、低频成 分发生混的一种现象，如图1所示。信号x)的傅里叶变换为X,其频带范围为+ 采样信号x)的傅里叶变换是一个周期谱图，其周期为，并且：@，=2x/T T,为时域采样周期。当采样周期T,较小时，>2，周期谱图相互分离如图17(b) 所示；当T,较大时，w.2m,就不发生频混现象，因此对采样脉冲序列的间隔T须 加以限制，即采样频率仙，(2π/T)或(1/T)必须大于或等于信号x)中的最高频率m 的两倍，即：，>20m,或>2 为了保证采样后的信号能真实地保留原始模拟信号的信息，采样信号的频率必须至少 为原信号中最高颜率成分的2倍。这是采样的基本法则，称为采样定理。 6
6 二、实验原理 模拟信号经过 A/D 变换转换为数字信号的过程称之为采样，信号采样后其频谱产生了 周期延拓，每隔一个采样频率 ωs，重复出现一次。 1. 频混现象 频混现象又称为频谱混叠效应，它是由于采样信号频谱发生变化，而出现高、低频成 分发生混淆的一种现象，如图 1 所示。信号 x(t)的傅里叶变换为 X(ω)，其频带范围为-ωm~+ωm； 采样信号 x(t)的傅里叶变换是一个周期谱图，其周期为 ωs，并且：ωs=2π／Ts Ts 为时域采样周期．当采样周期 Ts 较小时，ωs＞2ωm，周期谱图相互分离如图 1-7（b） 所示；当 Ts 较大时，ωs＜2ωm，周期谱图相互重叠，即谱图之间高频与低频部分发生重叠， 如图 1 中(c)所示，此即为频混现象，这将使信号复原时丢失原始信号中的高频信息。 图 1-7 采样信号的频混现象 下面从时域信号波形来看这种情况。图 1-8 (a)是频率正确的情况，以及其复原信号； (b)是采样频率过低的情况，复原的是一个虚假的低频信号。 图 1-8 发生频混现象的时域信号波形 当采样信号的频率低于被采样信号的最高频率时，采样所得的信号中混入了虚假的低 频分量，这种现象叫做频率混叠。 2. 采样定理 上述情况表明，如果 ωs＞2ωm，就不发生频混现象，因此对采样脉冲序列的间隔 Ts 须 加以限制，即采样频率 ωs（2π／Ts）或 fs(1／Ts)必须大于或等于信号 x(t)中的最高频率 ωm 的两倍，即：ωs＞2ωm，或 fs＞2fm。 为了保证采样后的信号能真实地保留原始模拟信号的信息，采样信号的频率必须至少 为原信号中最高频率成分的 2 倍。这是采样的基本法则，称为采样定理
需要注意的是，在对信号进行采样时，满足了采样定理，只能保证不发生频率混叠，对 信号的频谱作逆傅立叶变换时，可以完全变换为原时域采样信号，而不能保证此时的采样信 号能真实地反映原信号。工程实际中采样频率通常大于信号中最高领率成分的3到5倍 三、实验内容 设计一模拟信号：xt)-800sin(2*500*)。在100Hz-5000的范围内用不同的采样 频率对信号进行采样，观察采样信号频谱的频率混迭现象。 四、实验仪器和设备 1.计算机 1台 2.DRVM快速可重组虚拟仪器平台 1套 3.打印机 1台 五、实验步骤 1、运行DRVI主程序。 2、在实验目录中选择“频率混叠和采样定理”实验，从键盘输入不同大小的采样频率， 点击“计算”按钮，观察时域中信号混迭情况。 图19類率混叠和采样定理 3.点击右上角数字2，鼠标调整测量信号的频率，（采样频率固定为5120HZ),观察频 谱的变化，说明采样定理的作用。 采样定理 真实频率 测量颗 88888 图1-10采样定理 7
7 需要注意的是，在对信号进行采样时，满足了采样定理，只能保证不发生频率混叠，对 信号的频谱作逆傅立叶变换时，可以完全变换为原时域采样信号，而不能保证此时的采样信 号能真实地反映原信号。工程实际中采样频率通常大于信号中最高频率成分的 3 到 5 倍。 三、实验内容 设计一模拟信号：x(t)=800sin(2π*500*t) 。在 100Hz - 5000 Hz 的范围内用不同的采样 频率对信号进行采样，观察采样信号频谱的频率混迭现象。 四、实验仪器和设备 1. 计算机 1 台 2. DRVI 快速可重组虚拟仪器平台 1 套 3. 打印机 1 台 五、实验步骤 1、运行 DRVI 主程序。 2、在实验目录中选择“频率混叠和采样定理”实验，从键盘输入不同大小的采样频率， 点击“计算”按钮，观察时域中信号混迭情况。 图 1-9 频率混叠和采样定理 3.点击右上角数字 2，鼠标调整测量信号的频率，（采样频率固定为 5120HZ），观察频 谱的变化，说明采样定理的作用。 图 1-10 采样定理
六、实验报告要求 1简述实验目的和原理，根据实验要求整理该实验的原理设计图。 2按实验步骤附上相应的信号波形和频谱曲线，说明采样频率的变化对信号时域和频域 特性的影响，总结实验得出的主要结论。 3拷贝实验系统运行界面，插入到Word格式的实验报告中。 七、思考题 1.什么是频率混叠？ 2.为什么在实际测量中采样频率通常要大于信号中最高频率成分的3到5倍？ (四)悬臂梁振动信号测量 一、实验目的 通过本实验了解和掌握用脉冲激振方法测量机械结构固有频率和阻尼系数的方法。 二、实验原理 悬臂梁实验台架由底座、悬臂梁、加速度传感器、激振锤等构成。悬臂梁结构总体尺 寸为120×110×150mm(长×宽×高)。可进行悬臂梁固有频率和阻尼系数的测量。 实验时通过激振锤薇击悬臂梁，产生脉冲激振，通过安装在悬臂梁上的加速度传感器 获取悬臂梁受舞态微励后输出的振动信号波形（信号触发采样方式），经信号调理设备处理 后，通过数据采集仪输入计算机中，从悬臂梁脉冲响应信号波形或信号功率谱就可以测量出 悬臂梁的固有领率和阻尼系数。 图1-11悬臂梁实验台 三、实验仪器和设备 1.计算机 1台 2.DRVI快速可重组虚拟仪器平台 1套 3.悬臂梁实验台 1套 4.USB数据采集仪 1台 8
8 六、实验报告要求 1 简述实验目的和原理，根据实验要求整理该实验的原理设计图。 2 按实验步骤附上相应的信号波形和频谱曲线，说明采样频率的变化对信号时域和频域 特性的影响，总结实验得出的主要结论。 3 拷贝实验系统运行界面，插入到 Word 格式的实验报告中。 七、思考题 1. 什么是频率混叠？ 2. 为什么在实际测量中采样频率通常要大于信号中最高频率成分的 3 到 5 倍？ （四） 悬臂梁振动信号测量 一、实验目的 通过本实验了解和掌握用脉冲激振方法测量机械结构固有频率和阻尼系数的方法。 二、实验原理 悬臂梁实验台架由底座、悬臂梁、加速度传感器、激振锤等构成。悬臂梁结构总体尺 寸为 120×110×150mm(长×宽×高)。可进行悬臂梁固有频率和阻尼系数的测量。 实验时通过激振锤敲击悬臂梁，产生脉冲激振，通过安装在悬臂梁上的加速度传感器 获取悬臂梁受瞬态激励后输出的振动信号波形（信号触发采样方式），经信号调理设备处理 后，通过数据采集仪输入计算机中，从悬臂梁脉冲响应信号波形或信号功率谱就可以测量出 悬臂梁的固有频率和阻尼系数。 三、实验仪器和设备 1. 计算机 １台 2. DRVI 快速可重组虚拟仪器平台 1 套 3. 悬臂梁实验台 1 套 4. USB 数据采集仪 1 台 图 1-11 悬臂梁实验台
四、实验步骤 1.实验台选择开关拨到“模块IV”位置。（禁止带电从采集仪上插拔传感器，否则会损 坏采集仪和传感器) 2.开启DRDAQ-USB型数据采集仪电源。 3.运行DV1主程序，在实验目录中选择“悬臂梁固有频率测量实验”。点击“测量” 4.用力锤冲击悬臂梁，得到振动时域波形及须谱图 图112是臂梁周有频率测量实验 5移动光标，读取和计算出悬臂梁的固有须率和阻尼（参考二阶系统动态响应特性参数 测定实验)。 五、实验报告要求 1、简述实验目的和原理。 2、拷贝实验系统运行界面，插入到Wod格式的实验报告中。 3、解释时域、频谱波形
9 四、实验步骤 1.实验台选择开关拨到“模块 IV”位置。(禁止带电从采集仪上插拔传感器，否则会损 坏采集仪和传感器) 2.开启 DRDAQ-USB 型数据采集仪电源。 3.运行 DRVI 主程序，在实验目录中选择“悬臂梁固有频率测量实验”。点击“测量” 4.用力锤冲击悬臂梁，得到振动时域波形及频谱图。 图 1-12 悬臂梁固有频率测量实验 5.移动光标，读取和计算出悬臂梁的固有频率和阻尼（参考二阶系统动态响应特性参数 测定实验）。 五、实验报告要求 1、 简述实验目的和原理 。 2、 拷贝实验系统运行界面，插入到 Word 格式的实验报告中。 3、 解释时域、频谱波形