工程测试技术实验报告

实验一典型信号频谱分析
一、实验目的
1、在理论学习的基础上，通过本实验熟悉典型信号的波形和频谱特征，并能够从信
号频谱中读取所需的信息。

2、了解信号频谱分析的基本方法及仪器设备。

二、实验原理
本实验利用在DRVI上搭建的频谱分析仪来对信号进行频谱分析。

由虚拟信号发生器产生多种典型波形的电压信号，用频谱分析芯片对该信号进行频谱分析，得到信号的频谱特性数据。

分析结果用图形在计算机上显示出来，也可通过打印机打印出来。

三、实验设计原理图
图1 典型信号频谱分析实验原理设计图
四、实验步骤及内容
1. 启动服务器，运行DRVI主程序，开启DRVI数据采集仪电源，然后点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的"DRVI采集仪主卡检测"进行服务器和数据采集仪之间的注册。

2. 点击"实验脚本文件"的链接，将本实验的脚本文件贴入并运行，实验截屏效果图如图2所示。

图2 典型信号频谱分析实验
3. 点击DRVI"典型信号频谱分析"实验中的"白噪声"按钮，产生白噪声信号，分析和观察白噪声信号波形和幅值谱特性。

特点分析：所有频率具有相同能量的随机噪声称为白噪声。

白噪声信号的波形没有任何的规律可言，它的分布是杂乱的、随机的、无序的；幅值谱特性：白噪声的幅值基本为零，因而将白噪声加到其他任意信号上不影响其他信号的幅频特性。

4. 点击DRVI"典型信号频谱分析"实验中的"正弦波"按钮，产生正弦波信号，分析和观察正弦波信号波形和幅值谱特性。

特点分析：正弦波是周期信号，在频谱图上可以看做是垂直于横坐标的一跳直线。

正弦信号只在固有频率出存在一个不规则的尖脉冲，其余各频率处对应幅值为0。

5. 点击DRVI"典型信号频谱分析"实验中的"方波"按钮，产生方波信号，分析和观察方波信号波形和幅值谱特性。

特点分析：方波是周期信号，在频谱图上，方波的频谱为周期脉冲序列，且在该序列中，对应频率增高，脉冲幅值呈衰减状态，其余各频率对应的幅值为0。

6. 点击DRVI"典型信号频谱分析"实验中的"三角波"按钮，产生三角波信号，分析和观察三角波信号波形和幅值谱特性。

特点分析：三角波是一种周期信号，在频谱图上，和方波类似，有无数条长度不同的垂直于横坐标的直线组成，其幅值随频率的增加而快速衰减。

五、实验结果与理论结果误差分析
根据各不同波形的傅里叶展开式，可以看出实际波形和理论波形还是有差别的。

造成这种情况的原因有很多种，可以是实验仪器的精度不高、引入了外界的其他干扰，或是人为的操作原因等等。

综上所述，理论值与实际值肯定是有误差的，但仍然可以用理论规律来刻画实际情况。

六、思考题
1、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？
答：因为白噪声的波形是随机的、无序的、无规律的，加到别的信号上，对时域很大的干扰；但白噪声由于其随机的特点，几乎为零，所以叠加到别的信号上，对其频谱影响就很小。

2、在DRVI快速可重组平台上面搭建一个“频谱分析仪”需要采用哪些软件芯片？它们相互之间的关系怎样？
答：先由自定义图形芯片、标签芯片来产生对应时域和频域的波形和相关说明性文
字（单方向）。

通过开/关芯片、多联开关芯片向信号发生器芯片单方向发出开关脉冲，同时由该芯片产生相关数据，并将数据发送至时域波形基本参数计算芯片，将数据单向传递至方型仪表芯片用于仪表显示和控制，同时将数据后传递至频谱运算芯片，进行时域和频域的波形计算，通过波形/频谱曲线操作芯片，传递至波形/频谱显示芯片显示波形。

实验二典型信号相关分析
一.实验目的
1. 在理论学习的基础上，通过本实验加深对相关分析概念、性质、作用的理解。

2. 掌握用相关分析法测量信号中周期成分的方法。

二. 实验原理
1.相关的基本概念
相关是指客观事物变化量之间的相依关系，在统计学中是用相关系数来描述两个变量x，y之间的相关性的，即：
式中ρxy是两个随机变量波动量之积的数学期望，称之为协方差或相关性，表征了x、y之间的关联程度；σx、σy分别为随机变量x、y的均方差，是随机变量波动量平方的数学期望。

2.相关函数
如果所研究的随机变量x, y是与时间有关的函数，即x(t)与y(t)，这时可以引入一个与时间τ有关的量ρxy(τ)，称为相关系数，并有：
式中假定x(t)、y(t)是不含直流分量(信号均值为零)的能量信号。

分母部分是一个常量，分子部分是时移τ的函数，反映了二个信号在时移中的相关性，称为相关函数。

因此相关函数定义为：
或
如果 x(t)=y(t)，则称为自相关函数，即：
若 x(t)与y(t)为功率信号，则其相关函数为：
计算时，令x(t)、y(t)二个信号之间产生时差τ，再相乘和积分，就可以得到τ时刻二个信号的相关性。

连续变化参数τ，就可以得到x(t)、y(t)的相关函数曲线。

相关函数描述了两个信号或一个信号自身波形不同时刻的相关性（或相似程度），揭示了信号波形的结构特性，通过相关分析我们可以发现信号中许多有规律的东西。

相关分析作为信号的时域分析方法之一，为工程应用提供了重要信息，特别是对于在噪声背景下提取有用信息，更显示了它的实际应用价值。

三. 实验仪器和设备
1. 计算机n台
2. DRVI快速可重组虚拟仪器平台 1套
3. 打印机1台
四．实验原理设计图
该实验首先需要设计两个典型信号发生器，来分别产生两个通道的白噪声、正弦波、方波、扫频信号等各种典型信号，DRVI中提供了一个“数字信号发生器”芯片可以直接生成上述信号，另外用两片“多联开关”芯片分别与之联动来控制“数字信号发生器”芯片的输出信号类型；对于整个实验的启动，用一片“开关”芯片来进行控制；为进行信号相关分析计算，选择一片“相关系数计算”芯片；另外选择三片“波形/频谱显示”芯片，用于显示信号的时域波形和相关系数的计算结果；最后根据连接这些芯片所需的数组型数据线数量，插入3片“内存条”芯片，扩展3条数组型数据线；再加上一些文字显示芯片和装饰芯片，就可以搭建出一个典型信号的相关分析实验。

所需的软件芯片数量、种类、与软件总线之间的信号流动和连接关系如下图所示，根据实验原理设计图在DRVI软面包板上插入上述软件芯片，然后修改其属性窗中相应的连线参数就可以完成该实验的设计和搭建过程。

典型信号相关分析实验原理图
五．实验步骤及内容
1.点击“该实验脚本文件”，启动该实验。

实验效果图如图所示。

2. 点击DRVI"典型信号相关分析"实验中的通道1的"白噪声"按钮，产生白噪声信号，然后点击通道2的"正弦波"按钮，分析和观察波形与"白噪声"信号进行相关分析后的结果。

3. 点击DRVI"典型信号相关分析"实验中的通道1的"正弦波"按钮，产生正弦波信号，然后点击通道2的"方波"、"三角波"等按钮，分析和观察上述波形与"正弦波"信号进行相关分析后的结果。

正弦波、方波：
4. 点击DRVI"典型信号相关分析"实验中的通道1的"方波"按钮，产生方波信号，然后点击通道2的"三角波"等按钮，分析和观察上述波形与"方波"信号进行相关分析后的结果。

5. 实验分析和观察：由各组实验结果可以很显然的看出，白噪声和别的信号几乎没有相关性，正弦波与方波、三角波，方波与三角波都具有很强的相关性。

信号的相关性与信号的频率有关,两信号的频率越接近其相关性就越好。

同时,周期函数的自相关函数仍为同频率的周期函数,其幅值与原周期信号的幅值有关。

六、思考题
1、如何用相关分析法测量信号中的周期成分？
答：周期函数的自相关函数仍然是同频率的周期信号，但不具有原信号的相位信息；两周期信号的互相关函数仍然是同频率的周期信号，但保留了原信号的相位信息；两个非周期信号互不相关；随机信号的自相关函数很快趋于零。

依据这些就可以从信号中分析出周期成分。

2、如何在噪声背景下提取有用信息？
答：如果想在噪声背景下提取有用信息，根据线性系统的频率保持性，只要用于激振频率相同的信号进行互相关（不必用时移 ＝0）处理，就可以得到由激振而引起的响应幅值和相位信息。

这种处理方法叫做相关滤波。

它是利用互相关函数同频相关、不同频不相关的性质来达到滤波效果的。

因此，上述问题可利用有用信息的同频信号与实际信号作互相关分析，提取出互相关的波形和信号即可。

实验三力传感器标定及称重实验
一、实验目的
通过本实验了解和掌握力传感器的测量原理和方法。

二、力传感器工作原理简介
电阻应变计是利用物体线性长度发生变形时其阻值会发生改变的原理制成的，其电阻丝一般用康铜材料，它具有高稳定性及良好的温度、蠕变补偿性能。

测量电路普遍采用惠斯通电桥（如图3.1所示），利用的是欧姆定律，测试输出量是电压差。

本实验采用的电阻应变计采用的是惠斯通全桥电路，当物料加到载物台后，4个应变片会发生变形，产生电压输出，经采样后送到计算机由DRVI快速可重组虚拟仪器平台软件处理。

因为电桥在生产时有一些误差，不可能保证每一个电桥的电阻阻值和斜率保持一致。

所以，传感器在使用之前必须要经过线性校正，这是由于计算机得到的是经过采样后的数字量，与真实质量之间是一种线性关系，需要由标定来得到这个关系。

在实验中采用的力传感器是LYB-5-A型应变力传感器具有精度高、复现性好的特点。

其外形见图3.2。

需要特别强调的是：由于力传感器的过载能力有限（150%），所以，在实际使用过程中应尽量避免用力压传感器的头部或冲击传感器。

否则，极易导致传感器因过载而损坏！
图3.1 惠斯通电桥图3 .2力传感器实物
三. 实验仪器和设备
1. DRVI可重组虚拟实验开发平台 1套
2. 蓝津数据采集仪（LDAQ-EPP2） 1套
3. 开关电源（LDY-A） 1套
4. 称重台 1个
四、实验步骤
1.选择实验脚本文件“服务器端”的链接，将参考的实验脚本文件贴入DRVI软件平台，如图3.3所示。

图3.3应变式力传感器称重实验（服务器）
2. 首先进行传感器的标定：用标准砝码测定K，b值，取两个点（即分别用两个不同的砝码），计算出K，b的值作为标定结果。

具体操作过程为：点击面板上的“运行”按钮，在载物台上放置一个标准砝码100克（或其他大小），然后输入“100（或其他值）”到“试载参数x1”输入框中，然后点击“标定1”按钮记录下第一点的值；改变砝码的质量，比如300质量的砝码，输入“300”到“试载参数x2”输入框中，然后点击“标定2”按钮记录下第二点的值；再点击“标定结果”按钮，得到K,b标定值。

第一组标定值：200g
第二组标定值：100g
按操作，k值为2.429，b值为439.09
实验界面如下图所示：
3 . 标定完毕，即可进行物体测量。

将所测物体放在载物台上，然后点击“实测质量”按钮，得到被测物体质量值。

再改变质量块的大小，观察和分析计算结果。

选择测试砝码20g，实测质量为20.068g。

五、思考题
1、根据实验内容整理实验结果，并分析和说明检测原理。

本实验采用一阶线性体统为模型，通过前两次的标定来得到一个线性方程。

设其方程为y=kx+b，则有方程组：
924.9=200k+b…………①, 682.0=100k+b…………②。

联立方程组，得出结果：
k=2.429，b=439.09。

2、分析测量误差
实验测量砝码质量为20克，测量结果为20.068克，则实验误差为(20.068-20)/20×100％=0.034%。

对其误差分析如下：
1、系统误差
（1）由于传感器特性曲线非严格的线性曲线，选择两点标定会存在误差；
（2）对传感器曲线标定时，所选两组标定值的质量之差的大小对测量结果产生影响，存在误差；
（3）传感器本身存在一定的误差，例如应变电桥长时间应用电阻发生略微变化，导线长度影响等；
（4）计算机系统在处理传感器输出的数据时存在误差等。

2、偶然误差
（1）砝码长时间应用，表面可能被氧化、附着灰尘等，存在误差；
（2）测重时，砝码在测重传感器表面的相对位置会影响测量结果；
（3）测重传感器的放置不可能使测量用平面为绝对水平面，产生误差等。

3、应用于称重的传感器还有哪些？简述其工作原理。

答：常用的用于称重的传感器有：电容式，可变磁阻式，压电式等传感器。

电容式：根据式0A C=εεδ
，式中 ，ε —极板间介质的相对介电常数； ε0－真空介电常数； δ －极板间距；A －极板面积。

当应用变极距式电容传感器进行称重时，会使δ发生变化，通过上式可知，会导致电容的变化，进而使输出发生变化，实现测量。

可变磁阻式：可变磁阻式传感器由线圈、铁心和衔铁组成。

在铁心和衔铁之间有气隙δ。

由电工学得知，线圈自感量L =W 2/R m 。

其中，W －线圈匝数； R m —磁路总磁阻［H －1
］。

如果空气隙δ较小，而且不考虑磁路的铁损时，则总磁阻：
000022m l R A A A δδμμμ=+≈。

应用可变磁阻式传感器称重时，会使空气隙δ发生变化，通过上式可知，会导致电感的变化，进而使输出发生变化，实现测量。

压电传感器：重物的重力使得压电材料发生形变，输出电压，通过测量电压值的变化得出被测物的重量。

实验四、光电传感器转速测量实验
一、实验目的
1.通过本实验了解和掌握采用光电传感器测量的原理和方法。

2. 通过本实验了解和掌握转速测量的基本方法。

二、实验原理
直接测量电机转速的方法很多，可以采用各种光电传感器，也可以采用霍尔元件。

本实验采用光电传感器来测量电机的转速。

光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、反射式、辐射式四种基本形式。

反射式光电传感器的工作原理见图4.2，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
图4.1 光电传感器的工作方式图 4.2 反射式光电转速传感器的结构图
如果在被测部件上对称安装多个反光片或反光贴纸，那么，n=f/N。

N-反光片或反光贴纸的数量。

三. 实验仪器和设备
1. 计算机 n台
2. DRVI快速可重组虚拟仪器平台 1套
3. 并口数据采集仪（LDAQ-EPP2） 1台
4. 开关电源（LDY-A） 1台
5. 光电转速传感器（LHYF-12-A） 1套
6. 转子/振动实验台（LZS-A）/(LZD-A) 1 台
四、实验步骤
1、启动服务器，运行DRVI主程序，开启DRVI数据采集仪电源，然后点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标。

2、点击实验脚本文件“服务器端”的链接，运行该实验。

如图4.3所示。

图4.3 转速测量实验（服务器端）效果图
3、在电机转子侧面上贴上反光纸，将光电传感器探头对准反光纸，调节传感器后面的灵敏度旋钮至传感器对反光纸敏感，对其它部位不敏感，然后启动实验台，调节转速旋钮使电机达到某一稳定转速。

4、设定合适的门限值，点击面板中的"开关"按钮进行测量，观察并记录测量的转速值，调整传感器的位置，同时观察检测到的转速波形和传感器位置之间的关系，并分析由此带来的测量误差。

5.、调节电机转速至另一稳定转速，再次进行测量。

测试距离较远
测试距离较近
误差分析：由上述三组对照实验可知，当应用反射式光电传感器测量转速时，测量头距待测件的距离、测量头与待测轴轴线的相对位置等，均会对测量结果产生影响。

因此，在测量过程中，首先应调整微调旋钮，并利用标准传感器来定度，确定准确测量时，侧头与工件表面的距离；其次应当使侧头轴线对准待测工件轴线。

通过上述方法来减小测量误差。

系统存在的误差主要有以下几个方面：
1、系统误差：
（1）光电传感器、待测转轴本身存在误差
（2）计算机系统的运算误差
（3）实验台容易产生产生振动，影响测试结果
2、偶然误差
（1）测量时侧头到工件的距离不准确
（2）待测工件粘贴的反光纸宽度、反射率
（3）测量时传感器放置位置会造成误差
五、思考题
1、转速测量还可以采用其他哪些传感器进行？
答：还可以采用磁电传感器、电容式传感器、利用光电码盘、测速发电机等。

磁电式传感器通过改变磁介质从而改变磁场大小，使电路参数发生改变，计算机捕捉改变频率，计算得出转轴转速。

电容式传感器通过改变电容两极板的相对位置来改变电容的大小，是电路参数发生变化，计算机通过采集变化参数的脉冲，计算得出转轴转速。

光电码盘通过透光孔透过光线，测量记录透过的光线的脉冲频率，计算得出转轴转速。

测速发电机通过转轴带动线圈在磁场中旋转产生电势差，测量电势差的大小得出转速。

2、采用光电传感器测量转速的精度如何，怎样保证测量的准确性？
答：精度较高，要确保测量的准确性，需要将反射式光电传感器靠近反光片并且其位置与轴线等高。

同时注意周围的光线条件，防止产生光线的干扰，使得传感器获得错误的信号。

实验五速度传感器振动测量实验
一、实验目的
通过本实验了解并掌握机械振动信号测量的基本方法
二、实验原理
CD-21振动速度传感器的基本原理是基于一个惯性质量（线圈组件）和壳体，壳体中固定有磁铁，惯性质量用弹性元件悬挂在壳体上工作时，将传感器壳体固定在振动体上，这样，当振动体振动时，在传感器工资频率范围内，线圈与磁铁相对运动，切割磁力线，在线圈内产生感应电压，该电压值正比与振动速度值，这就是振动速度传感器的工作原理。

三、实验仪器和设备
1.计算机 n台
2. DRVI快速可重组虚拟仪器平台 1套
3. 速度传感器（CD-21） 1套
4. 蓝津数据采集仪（LDAQ-EPP2） 1台
6. 开关电源（LDY-A） 1套
7. 5芯-BNC转接线 1条
8. 转子实验台（LZS-A） 1 套
四、实验步骤和内容
1、将加速度传感器通过配套的磁座吸附在振动实验台底座上，然后将其输出端和变送器
的输入端相连，变送器的输出端通过一根带五芯航空插头的电缆和数据采集仪通道连接。

2、启动服务器，运行DRVI主程序，开启DRVI数据采集仪电源，然后点击DRVI快捷工
具条上的"联机注册"图标。

3、点击该实验脚本文件"服务器端"的链接，将参考的实验脚本文件读入DRVI软件平台
中并运行。

服务器端实验效果示意图如图5.1所示。

图5.1 速度传感器振动测量实验（服务器端）效果图
4.在振动实验台的电机转子上添加试重，启动电机，调整到一个稳定的转速，点击面板中的"开关"按钮，观察和分析所得到振动信号的波形和频谱，点击"多路接线开关"，观察滤波前后振动信号波形和频谱的变化情况并记录实验结果。

转速1：
转速2：
5. 关闭电机，在电机转子上改变试重和位置，再次启动电机进行测量，观察和分析所得到振动信号的波形和频谱。

去除试重：
分析：其传感器波形震荡较大，表明转子有震动，去除试重后振动减弱。

更改传感器位置：
分析：由图看出，传感器的未知的改变对测试出的振动的信号影响很大，位置改变后的所测得振动较之前的小。

五、思考题
1、常用的振动信号测量方式有哪些？
答：有测量测试装置的速度,加速度,位移等方法可以对振动信号进行测量。

（1）机械式测量方法将工程振动的参量转换成机械信号，再经机械系统放大后，进行测量、记录，常用的仪器有杠杆式测振仪和盖格尔测振仪，它能测量的频率较低，精度也
较差。

但在现场测试时较为简单方便。

（2）光学式测量方法将工程振动的参量转换为光学信号，经光学系统放大后显示和记录。

如读数显微镜和激光测振仪等。

（3）电测方法将工程振动的参量转换成电信号，经电子线路放大后显示和记录。

电测法的要点在于先将机械振动量转换为电量（电动势、电荷、及其它电量），然后再对电量进行测量，从而得到所要测量的机械量。

这是目前应用得最广泛的测量方法。