机械工程测试技术实验报告

实验结果截图
测量装置动态特性方针
1、一阶：选砸门函数 A=1；delay=1； =1
2、周期 正玄 A=1；频率=2；Wn=20；阻尼比=0.7
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二、测量系统误差计算 一阶测量装置
二届系统：允许误差 0.05；固有频率 62；阻尼比 0.6
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依然给定测量误差为 5%。在给定的误差范围内，调节固有频率和阻尼比，使可用频率 范围尽可能的大。我们发现，阻尼比在 0.6 左右时，固有频率达到 62 后，频率的可用范围 就超过了 50Hz。所以选定最佳阻尼比为 0.6，固有频率为 62Hz，此时的可用频率范围为 0 —52.81HZ。
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周期函数：幅值=0.9 米；频率=1；其余初始相位，直流分量 0 自定义函数：A=1，f=40；函数 a*sin(w*t)*cos(2*pi(1)*t)
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思考题
1.总结周期性信号的频谱特性 答：周期性信号的频谱具有谐波性、收敛性和离散性，其频谱线是离散的，且频谱间隔 为 2*π /T。谱线的幅值大小表示该信号在该频率的幅值大小。 2.总结非周期性信号的频谱特性 答：非周期性信号的频谱是是连续的且谱线幅值大小表示信号在该频率的幅值密度。
2、测试装置动态特性仿真实验
实验目的
1、加深对一阶测量装置和二阶测量装置的幅频特性与相频特性的理解； 2、加深理解时间常数变化对一阶系统动态特性影响； 3、加深理解频率比和阻尼比变化对二阶系统动态特性影响； 4、使学生了解允许的测量误差与最优阻尼比的关系。
实验原理
1、阶测量装置动态特性 一阶测量装置是它的输入和输出关系可用一阶微分方程描述。一阶测量装置的频率响应 函数为：
1、周期信号分解 分别对方波、三角波、锯齿波等几种典型的复杂周期性信号进行分解，在确定频率、幅 值和初相位的情况下，观察和分析各自的频谱特点及其谐波构成特点，并验证理论的正确性。 2、周期信号合成 分别对两个以上的同频率或不同频率的正弦信号（幅值和初相位可以是相同或不同）进 行合成，观察和分析合成后的波形及其频谱。根据周期性信号描述的理论知识，恰当地选取 几个正弦信号（或余弦信号）试合成三角波和方波，观察和分析合成后的波形及其频谱变化 情况。 3、非周期性信号频率分析 对闸门函数、冲击函数、正弦扫频函数、单边指数函数等非周期性信号进行频谱分析， 也可对自定义函数进行频谱分析。
（二）阻尼比的优化 在测量系统中，无论是一阶还是二阶系统的幅频特性都不能满足将信号中的所有频率都 成比例的放大。于是希望测量装置的幅频特性在一段尽可能宽的范围内最接近于 1。根据给 定的测量误差，来选择最优的阻尼比。
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实验内容
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一阶测量装置的动态特性仿真 选择虚拟仪器的一阶测量装置，分别在不同的输入信号：周期性信号，冲击信号正弦扫 描信号，采样信号等情况下，改变时间常数，观察和分析一阶测量装置的动态特性变化情况。 根据给定的幅值测量误差，选择最优的时间常数，确定有效的频率测量范围。 二阶测量装置的动态特性仿真 虚拟的二阶测量装置，分别在不同的输入信号周期性信号，冲击信号正弦扫描信号，采 样信号等情况下，改变频率比和阻尼比，观察和分析二阶测量装置的动态特性变化。根据给 定的幅值测量误差，选择最优的频率比和阻尼比，确定有效的频率测量范围。
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机械工程学院
姓名：侯聪明 班级：机自 81 学号：08011010
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实验一信号分析与测量装置特性仿真实验
1 信号分析虚拟实验 实验目的
1．理解周期信号可以分解成简谐信号，反之简谐信号也可以合成周期性信号； 2．加深理解几种典型周期信号频谱特点； 3．通过对几种典型的非周期信号的频谱分析加深了解非周期信号的频谱特点。
许测量的信号最高频率H 也相应地确定。
为了恰当的选择一阶测量装置，必须首先对被测信号的幅值变化范围和频率成分有个初
步了解。有根据地选择测量装置的时间常数 ，以保证 A() 1 能够满足
2、二阶测量装置动态特性 二阶测量装置的幅频特性与相频特性如下： 幅频特性
A() 1 (1 ( / 0 )2 )2 4 2 ( / 0 )2
设有非周期信号 f(t)，由它可构造出一个周期信号 fT (t) ,它是由 f (t) 每隔 T 秒重复一
次而形成。（周期 T 应选的足够大，使得 f(t)形状的脉冲信号之间没有重叠现象），是周期
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信号，故可以展开为指数函数的傅里叶级数，如果使周期 T→∞，则周期信号 fT (t) 就转变
等于有限值 则 f(t)可以展开为傅立叶级数的形式，用下式表示：
式中：
是此函数在一个周期内的平均值,又叫直流分量。
它是傅氏级数中余弦项的幅值。
它是傅氏级数中正弦级数的幅值。
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是基波的圆频率。 在数学上同样可以证明，周期性信号可以展开成一组正交复指数函数集形式，即：
式中：
为周期性信号的复数谱，其中 m 就为三角级数中的 k. 。以下都以 k 来说明。由于三角 级数集和指数函数集存在以下关系：
相频特性
() arctg(2 ( / 0 ) / (1 ( / 0)2)2
Α （ω ）是ξ 和ω /0的函数，即具有不同的阻尼比ξ 的测试装置当输入信号频率相同 时，应具有不同的幅值响应，反之，当不同的频率的简谐信号送入同一测试装置时它们的幅 值响应也不相同，同理具有不同的阻尼比ξ 的测试装置当输入信号频率相同时，应有不同的 相位差。
LabVIEW 简介
LabVIEW 软件工具的特点： 1.图形化的编程方式，和无序写任何文本各式的代码。 2.既提供了传统的程序调试手段，如设置断点、单步运行，同时提供有独到的高亮执行 工具，是程序动画式运行，利于设计者观察程序运行的细节，使程序的调试和开发更为简捷。 3.提供了丰富的数据采集、分析及存储的库函数。 4.32bit 的编器编译生成 32bit 的编译程序，保证用户数据采集、测试和测控方案的高 速执行。 5.囊括了 DAQ、GPIB、PXI、VXI、RS-232/485 在内的各种仪器通信总线标准的所有功能 函数，使得不懂总线标准的开发者也可驱动不同总线标准接口设备与仪器。 6.提供大量与外部代码或软件进行连接的机制，诸如 DDLs（动态连接库）、DDE（共享 库）、ActiveX 等。 7.强大的 Internet 功能，支持常用网络协议，方便网络化远程测控仪器的开发。 LabVIEW 软件包简介： LabVIEW 系统由 LabVIEW 应用执行文件和许多相关的文件及子目录组成。LabVIEW 使用 文件和目录来存储创建 VI 所必需的信息，部分重要的文件和目录如下： （1）、LabVIEW 可执行程序，用于启动 LabVIEW。 （2）、vi.lib 目录：该目录包含 VI 库，如数据采集、仪器控制和分析 VI。他必须与 LabVIEW 可执行程序在同一目录下。不要改变 vi.lib 目录的名称，因为 LabVIEW 启动时要 查找该目录。如果改变此名称，就不能使用众多的控件和库函数。 （3）、example 目录：该目录包含许多 VI 示例，这些例子示范 LabVIEW 的功能。 （4）、user.lib 目录：用户创建的 VI 保存与该目录并将出现在 LabVIEW 的 Functions Palette（函数选项板）上。 （5）、instr.lib 目录：如果希望用户仪器驱动程序库出现在 LabVIEW 的函数选项板上， 应将其放置在该目录下。
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1、信号合成：用正弦波合成出矩形波：f1=2；A1=10
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用频率为奇数的正弦波合成出矩形波，随着不同频率的波的增加，合成图像越来越接近 矩形波。左图为参与合成的信号，右图为合成出的信号。
2、信号分解：将矩形波分解为若干正弦波
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通过观察分解后的信号，我们看出，所有分解出的正弦波频率全部是奇数。左图为要分 解的信号，右图为分解出的信号
不会改变。 利用上面的理论对几种典型的非周期函数进行频谱分析，如闸门函数、冲击函数、正弦
扫频函数等（请参阅教材）。非周期信号的频谱特点是连续的。非周期信号的频谱分析是通 过傅里叶变换实现的，实际应用中一般采用快速傅里叶变换（FFT）实现。
实验内容
在计算机上使用信号分析虚拟实验教学软件对几种典型的周期性信号进行分解与合成， 并对非周期性信号进行频谱分析。
小结：
这次试验主要是学习 labview 这个软件的应用，一开始还不怎么会，但是经过老师的讲 解后对 labview 有了很深的认识，又经过自己努力地实验，满满的就熟悉了，而且成功的将 老师不值得任务完成了，我真的很高兴。
所以，两种形式的频谱存在如下关系。即：
复数谱 ck
ak
jbk 2
^
共轭幅频谱 ck
ak
jbk 2
幅频谱 |
ck
|
1 2
ak 2 bk 2
相频谱k
arctg( bk ak
)
还把其中的 ak () ， bk () 分别称为实频谱和虚频谱。
由此可见，一复杂的周期性信号是由有限多个或无限多个简谐信号叠加而成，当然，反 之复杂的周期性信号也就可以分解为若干个简谐信号。这一结论对工程测试极为重要，因为 当一个复杂的周期信号输入到线性测量装置时，它的输出信号就相当于其输入信号所包含的 各次简谐波分量分别输入到此装置而引起的输出信号的叠加。
周期性信号的频谱具有三个突出特点：⑴、周期性信号的频谱是离散的；⑵、每条谱线 只出现在基波频率的整倍数上，不存在非整倍数的频率分量；⑶、各频率分量的谱线高度与 对应谐波的振幅成正比。
本实验中信号的合成与分解时输入信号包含有正弦波、余弦波，以及周期性的方波、三 角波、锯齿波和矩形波。
2、非周期信号的描述及其频谱特点
实验原理
信号按其随时间变化的特点不同可分为确定性信号与非确定性信号。确定性信号又可分 为周期信号和非周期信号。本实验是针对确定性周期信号和非周期信号进行的。
1、周期性信号的描述及其频谱的特点 任何周期信号如果满足狭义赫利条件，即：在一个周期内如果有间断点，其数目应为有 限个；极大值和极小值的数目应为有限个；在一个周期内 f(t) 绝对可积，即：
虚拟仪器设计要求
设计虚拟温度监控装置 前面板设计如下：
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后面板设计如下：
高温及低温报警演示如下： 低温：
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高温：
正常：
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设计虚拟示波器（显示正弦信号时域波形）设计虚拟温度监控装置
前面板设计如下：
改变参数后：
后面板设计如下：
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3、非周期信号的分析： 单边函数 A=5 α =3
闸门函数 A=2.2 Delay=1.2 τ =0.3
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冲击函数 A=4000 delay=1.00 扫频函数 A=4.5 f1=8 f2=40
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采样函数 A=2 Delay=2 f=4 高斯白噪音 标准差=0.06
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H
(
j)
Ss
1
1 j
Ss
[ 1
1 (
)2
j 1 ( )2 ]
式中：SS 为测量装置的静态灵敏度； 为测量装置的时间常数。
一阶测量装置的幅频特性和相频特性分别为：
A() 1 1 ( )2
() arctan
可知，在规定 SS=1 的条件下， A() 就是测量装置的动态灵敏度。 当给定一个一阶测量装置，若时间常数 确定，如果规定一个允许的幅值误差 ，则允
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实验二机械工程测试虚拟仪器设计实验
实验目的
1、掌握 LabVIEW 软件的特点和用途，掌握 LabVIEW 编程的基本方法； 2、加深理解虚拟仪器的基本概念，采用 LabVIEW 图形化编程语言创建/设计基本的虚拟 仪器； 3、通过虚拟仪器应用实例，学习实用化虚拟仪器设计的基本方法。
成非周期信号。即：
fT
(t)
的复指数傅氏级数可表示为：
fT
Fra Baidu bibliotek
(t)
ck e jk0t
k
式中 T 为周期， 0 2 / T 代表相邻两根谱线之间的最小间隔或增量,故可以写
成,
0
2 T
，当 T
, 0 即非周期信号相邻两根谱线之间的距离将趋近于
0。间断谱就变成了连续谱，而 f(t)中频率是 k0 的分量 ck 的振幅则趋近于零，但频谱形状