传感器与测试技术实验指导书

传感器与测试技术实验指导书内容摘要：

为 15， 20， 30Hz 处分别记录要求对应的输出峰 — 峰值，并根据前面得到的校准曲线计算出对应的振动幅度。 实验报告要求（包括思考题）： 1） 电涡流传感器有什么特性。 可以用在那些特征量的检测上。 2） 电涡流传感器如何安装。 3）根据实验内容 1 的结果，作 xVPP 和 xV 曲线（在同一坐标系中），求出线性范围和系统灵敏度 xVS  4）根据实验内容 2 的结果，在同一坐标系中作出 xVCu ， xVFe ，xVAl 三条曲线，分析比较它们的灵敏度和线性范围。 （ 11）压电式传感器原理及前置放大器 试验目的： 1）了解和掌握 压电 传感器测量原理和方法。 2）了解和掌握 前置放大器的使用 方法。 实验仪器与系统框图： 涡流传感器 涡流变换器 运算放大器 毫伏表 A/D 转换 计算机分析系统 20 1）压电 传感器； 2）电荷放大器； 3）测试系统。 实验原理： 1） 压电式加速度传感器在振动测试领域中应用广泛，可以测量各种环境中的振动量。 压电传感器的力学模型可简化为一个单自由度质量 弹簧系统。 根据压电效应的原理，当晶体上受到振动作用力后，将产生电荷量，该电荷量与作用力成正比 ，这就是压电传感器完成机电转换的工作原理。 2） 振动的幅值、频率和相位是振动的三个基本参数，称为振动三要素。 幅值：幅值是振动强度的标志，它可以用峰值、有效值、平均值等方法来表示。 频率：不同的频率成分反映系统内不同的振源。 通过频谱分析可以确定主要频率成分及其幅值大小，从而寻找振源，采取相应的措施。 相位：振动信号的相位信息十分重要，如利用相位关系确定共振点、测量振型、旋转件动平衡、有源振动控制、降噪等。 对于复杂振动的波形分析，各谐波的相位关系是不可缺少的。 在振动测量时，应合理选择测量参数，如振动位移是研 究强度和变形的重要依据；振动加速度与作用力或载荷成正比，是研究动力强度和疲劳的重要依据；振动速度决定了噪声的高低，人对机械振动的敏感程度在很大频率范围内是由速度决定的。 速度又与能量和功率有关，并决定动量的大小。 实验内容与步骤： 1）观察压电传感器的外形； 2）按照使用说明书安装压电传感器； 3）设置电荷放大器的各项参数； 3）观察传感器的输出信号，然后采集。 实验报告要求（包括思考题）： 1）压电传感器能测量哪些参量。 2）压电传感器的前置放大器有几种。 21 第四章 信号调理、处理和记录 （ 12）电桥在应变测试中的应用 试验目的： 1）掌握电桥的几种联接方式及灵敏度； 2）掌握直流电桥和交流电桥的平衡方法； 3）了解电桥在应变测试中的应用。 实验仪器与系统框图： 计算机，测试实验软件 ； 实验原理： 电桥平衡条件：直流电桥 4231 RRRR  ；交流电桥 423104020301  ZZZZ。 应变电桥输出电压表达式： 半桥单臂0041 eRRey ；半桥双臂0021 eRRey ；全桥00 eRRey 。 实验内容与步骤： 1）打开“测试实验软件 ”，进入实验十二； 2）在直流电桥中分别选择半桥单臂、半桥双臂、全桥，单击 输出信号 ，观察输出电压，并根据输入信号和供桥电压计算灵敏度； 3）在交流电桥中分别选择半桥单臂、半桥双臂、全桥，单击 输出信号 ，观察输出电压，并根据输入信号和供桥电压计算灵敏度； 4）在 2）中单击 电桥平衡 ，观察直流电桥的平衡条件； 5）在 3）中单击 电桥平衡 ，观察交流电桥的平衡条件。 实验报告要求（包括思考题）： 1）写出实验名称 、目的。 2）对实验过程得到的数据进行分析，并说明所采用的原理。 3）为什么平衡交流电桥必须同时调节电阻平衡和电容平衡。 （ 13）调制与解调原理实验 试验目的： 1）了解调幅及解调的原理； 2）了解在调幅及解调过程中避免引起失真的必要条件。 22 实验仪器与系统框图： 计算机，测试实验软件 ； 实验原理： 所谓调制就是使一个信号（载波）的某些参数在另一信号（调制信号）的控制下而发生变化的过程，输出信号为已调制波。 从已调制波中恢复出调制信号的过程为解调。 调制信号 ： 即被测量。 调 制器 ： 实质上是一个乘法器，将一个高频检波信号（载波）与测试信号（调制信号）相乘，使高频信号的幅值随测试信号的变化而变化，实现调幅输出调幅波。 调幅的目的是使缓变信号便于放大和输出。 放大器 ：对调幅波进一步放大。 解调器 ：利用载波信号与调幅波的相位比得出原信号的幅值和极性。 此过程为解调。 低通滤波器：滤去高频成分，恢复原信号。 振荡器 ：提供高频振荡信号作为载波。 实验内容与步骤： 1）打开“测试实验软件 ”，进入实验十三； 2）输入 fm=100Hz， f0=300Hz，观察调幅过程的时域波形和频谱； 3）输入不同的 fo， fm值，观察信号波形和频谱的变化； 调制信号 载波信号 100mf 500f 100mf 1000 f 100mf 10000 f 4）选择 失真方式 ，观察失真现象； 5）选择 不失真修正 ，观察不失真的条件并分析原因。 调制信号 调制器 放大器 解调器 低通滤波器 输出 振荡器 23 实验报告要求 （包括思考题）： 1）写出实验名称、目的。 2）简述调幅及解调的原理，画出系统框图。 3）调幅过程为什么会出现信号失真的现象。 如何避免。 （ 14）动态电阻应变仪工作原理实验 试验目的： 1）掌握动态电阻应变仪的工作原理。 2）观察各级输出时域波形。 实验仪器与系统框图： 计算机，测试实验软件 ； 实验原理： 被测量经传感器转换成电信号经电桥将这些电信号的变化变为电压或电流输出（即解调），电桥输出的调制波放大后经相敏检波（即解调）后经过低通滤波器滤去高频成分得到原信号。 实验 内容与步骤： 1）打开“测试实验软件 ”，进入实验十四； 2）点击图中被测应变量、载波、调幅波、放大后波形、解调后波形、还原后波形，观察各级输出波形。 实验报告要求（包括思考题）： 1）写出实验名称、目的。 2）画出动态电阻应变仪的系统框图，并标出各级输出波形。 3）电桥的作用是什么。 （ 15） RC 调谐式滤波器的基本特性实验 试验目的： 1）了解 RC 调谐式滤波器的基本参数； 2）掌握一阶 RC 调谐式滤波器的频率特性。 被测应变量 电桥 放大 相敏检波 低通 显示 振荡器 24 实验仪器与系统框图： 计算机，测试实验软件 ； 实验原理： （ 1）滤波器的截止频率 1cf ， 2cf ：幅频特性曲线降为最大值的 21 倍时对应的频率为截止频率。 （ 2）滤波器的带宽 B ： B 表征带通滤波器的频率分辨能力， B 越小分辨率越高。 对带通滤波器有： 12 cc ffB 。 其中 2cf 为上截止频率， 1cf 为下截止频率。 （ 3）中心频率 nf ：带通滤波器的中心频率 nf 定义为上下截止频率的几何平均值 21 c fff  （ 4）品质因数 Q ： Q 表征带通滤波器的频率选择性， BfQ n 实验内 容与步骤： 1）打开“测试实验软件 ”，进入实验十五； 2）在滤波器主要参数中输入不同的值，观察滤波效果； 3）观察一阶 RC 低通滤波器的频率特性，以及 RC 值对频率特性的影响； 4）观察一阶 RC 高通滤波器的频率特性，以及 RC 值对频率特性的影响； 5）观察 RC 带通滤波器的频率特性，以及 RC 值对频率特性的影响； 实验报告要求（包括思考题）： 1）写出实验名称、目的。 2）简述实际 RC 调谐式滤波器的主要参数，并说明与理想滤波器的关系。 3）说明带通滤波器与高、低通滤波器的关系。 4）能否用高、低通 滤波器串联形成带阻滤波器。 （ 16）倍频程滤波器及其在噪声测试中应用 试验目的： 1）了解常用的两种滤波器组：恒带宽滤波器和恒带宽比滤波器； 2）掌握恒带宽比滤波器组的构成，及各滤波器之间的关系； 2）掌握倍频程滤波器的使用。 25 实验仪器与系统框图： 计算机，测试实验软件 ； 实验原理： 恒带宽滤波器组 恒带宽比滤波器组： 每一个通滤波器的上、下截止频率之间的关系为 12 2 c ff  ， 两相邻带通滤波器的中心频率 mf ， 1mf 之间的关系为 mnm ff 21  ， 式中 n — 倍频程数。 实验内容与步骤： 1）打开“测试实验软件 ”，进入实验十六； 2）选择恒带宽滤波器，观察滤波器的输出频谱； 3）选择恒带宽比滤波器，观察滤波器的输出频谱，并与 2）作比较； 4）在恒带宽比滤波器中，分别选择倍频程、 1/3 倍频程、 1/5 倍频程，观察滤波器的输出频谱，并与 2）作比较。 实验报告要求（包括思考题）： 1）写出实验名称、目的。 2）简述恒带宽比滤波器组的构成。 3）相关滤波为什么属于恒带宽滤波。 26 第五章 信号处理初步 （ 17）抗混叠滤波与采样定理 试验目的： 1）观察模拟信号数字化过程中的混叠现象，掌握混叠产生的原因； 2）掌握避免混叠的两个措施：抗混叠滤波，采样定理，以及正确的参数设置； 3）观察模拟信号的正确时域采样。 实验仪器与系统框图： 计算机，测试实验软件 ； 实验原理： 1）混叠现象是在时域采样过程中产生的。 时域采样，就是等时间间隔地取点。 从数学处理上看，就是乘 以采样函数，时域相乘相当于频域作卷积，就相当于频谱的周期延拓，即频谱的搬移。 在频域中，如果频谱的搬移距离过小，搬移后的频谱就会有一部分相互交叠，从而使新合成的频谱与原频谱不一致，无法准确地恢复原时域信号，这种现象称为 混叠。 2）产生混叠现象的原因为： a) 采样频率 fs 太低，或采样间隔 Ts 太大； b) 原模拟信号不是有限带宽的信号，即信号的最高频率 hf。 3）为了避免混叠所采取的措施为： a) 对非有限带宽的模拟信号，在采样之前进行低通滤波，滤去高频成分，使其成为限带宽的的信号。 这 种处理称为抗混叠滤波。 b) 满足采样定理 hs ff 2 ，即采样频率必须大于信号最高频率的 2倍以上。 实际常取 cs ff )4~3( ， fc为低通滤波的截止频率。 4）从理论上来说，只要满足了以上两个条件，就可以从根本上避免混叠，保证正确的分析结果。 但由于实际滤波器是非理想的，抗混叠滤波不可能完全衰减高频成分，所以也不可能完全消除混叠。 27 实验内容与步骤： 1）打开“测试实验软件 ”，进入实验一； 2）在典型信号中选择指数函数，观察信号的连续波形 及连续频谱； 3）单击 时域采样 ，观察原信号的离散波形及周期化的连续频谱； 4）设置 滤波参数 ，使原信号成为限带宽信号，并根据采样定理相应设置 采样参数 ； 5）单击 时域采样 ，观察限带宽信号的离散波形及周期化的连续频谱； 6）设置其他的滤波参数、采样参数，重复上述过程，观察不同参数对时域采样后信号的波形及频谱的影响。 实验报告要求（包括思考题）： 1）画出指数函数信号的连续波形及连续频谱； 2）画出原信号的离散波形及周期化的连续频谱； 3）针对某组滤波参数、采样参数，画出限带宽信号的离散波形及周期化的连续频谱； 4）总结混叠产生的原因，及应采取的避免措施； 5）为什么时域离散会导致频谱周期化。 （ 18）窗函数与 FFT 谱的能量泄漏 试验目的： 1）观察模拟信号数字化过程中的泄漏现象，掌握泄漏产生的原因； 2）掌握常见窗函数及其频谱； 3）比较不同窗函数引起的泄漏，掌握它们的适用情况。 实验仪器与系统框图： 计算机，测试实验软件 ； 实验原理： 1）泄漏现象是在时域截断过程中产生的。 时域截断，就是取有限长的信号。 从数学处理上看，就是乘以有限宽矩形窗函数。 时域相乘相当于频域作卷积，就相当于 频谱的周期延拓，即频谱的搬移。 在频域中，由于矩形窗函数的频谱是一个无限带宽的 sinc 函数，即使原模拟信号是有限带宽的，截断后也必然成为无限带宽的，这种信号的能量 28 在频率轴分布扩展的现象称为 泄漏。 2）产生泄漏现象的原因为：窗函数的频谱是无限带宽的。 3）从理论上说，泄漏是不可避免的，只能减小。 而且由于截断后信号成为无限带宽的，不可避免会出现混叠。 但采用合适的窗函数（如常见典型窗函数），可以减小泄漏。 4）对于窗函数的评价标准为： a) 最大旁瓣与主瓣之比，其倍频程衰减率；小的旁瓣可以减小泄漏。 b) 主瓣的。