测试技术实验指导书 实验一测试系统的组成 一、实验目的 1.通过振动测试实验系统，了解一般测试系统的基本组成及测试工作各环节的内容。 2. 学会用磁电速度传感器测量简谐振动速度、位移值。 3.了解虚拟测试仪器的概念及特点。 二、实验组成 般测试系统的基本组成如图1-1所示： 图 反馈、控制“… 图1-1 在实际测试中，并非所有测试系统都具备图1-1中的所有环节，尤其是虚线连接的环节和传输环节。 本实验系统为振动测试系统，即对被测对象的振动信号进行测量及分析处理。由激振部分、测振部 分和虚拟式测试分析仪器三大部分组成： 微振部分：对被测对象结构施加正弦激励，使其产生振动。 测振部分：对振动信号进行测量，包括振动位移、速度、加速度的测量 虚拟式测试分析仪器：对振动信号经A/D采集后进行波形显示、数据记录，时域及频域分析。 实验装置组成如下图所示： 振动学实险仪 传感器 三、简谐振动幅值的表示 简谐振动信号基本参数包括：频幸、幅值、和初始相位，幅值的测试主要有三个物理量：位移、速 度和加速度。在振动测量中，有时不需要测量振动信号的时间历程曲线，而只需要测量振动信号的幅值。 第1页共14页
测试技术实验指导书 实验一 测试系统的组成 一、实验目的 1. 通过振动测试实验系统，了解一般测试系统的基本组成及测试工作各环节的内容。 2. 学会用磁电速度传感器测量简谐振动速度、位移值。 3. 了解虚拟测试仪器的概念及特点。 二、实验组成 一般测试系统的基本组成如图 1-1 所示： 被测 对象 传 感 器 信 号 调 理 传 输 信 号 处 理 显 示 记 录 反馈、控制 激励装置 观 察 者 图 1-1 在实际测试中，并非所有测试系统都具备图 1-1 中的所有环节，尤其是虚线连接的环节和传输环节。 本实验系统为振动测试系统，即对被测对象的振动信号进行测量及分析处理。由激振部分、测振部 分和虚拟式测试分析仪器三大部分组成： 激振部分：对被测对象结构施加正弦激励，使其产生振动。 测振部分：对振动信号进行测量，包括振动位移、速度、加速度的测量。 虚拟式测试分析仪器：对振动信号经 A/D 采集后进行波形显示、数据记录，时域及频域分析。 实验装置组成如下图所示： 三、简谐振动幅值的表示 简谐振动信号基本参数包括：频率、幅值、和初始相位，幅值的测试主要有三个物理量：位移、速 度和加速度。在振动测量中，有时不需要测量振动信号的时间历程曲线，而只需要测量振动信号的幅值。 第 1 页 共 14 页
测试技术实验指导书 根据简谐振动方程，设振动位移、速度、加速度分别为x、”、,其幅值分别为X、人、4： x=Bsin(ot-o) 式中：B一一位移振幅 0一一振动角频率 p一一初相位 放有： X=B V @B =2nfB A=o2B=(2)2B 振动信号的幅值可根据上式中位移、速度、加速度的关系，分别用位移传感器、速度传感器或加速 度传感器来测量，也可利用测振仪中的微分、积分功能来测量。 五、实验过程 1、熟悉测试系统搭建各环节，搞清信息流向（实验仪及软件的具体操作请参阅桌面“测试实验仪器使 用说明”)： 研-160B练动嫩学量我 四京东方动声技术究所.0wC健 通道1 胞 。 建入 电压雀入 电玉输入 。0 ○@ 1)硬件接线关系：实验仪面板图如上所示。激振信号源“功率输出”接电动式激振器，对被测对 象施加交变正弦激振力，使系统产生振动：同时“信号源输出”接测振仪通道1的“电压输入”。 速度传感器的输出端接测振仪通道2的“电压输入”，以测量对象的振动值。虚拟分析仪通过 USB接口接收到信号源（通道1）与测振仪输出（通道2）的两路信号并实时显示。 2)开启“振动教学实验仪”电源开关，信号发生器设置：信号频率取40z左右，输出电流调节至 100血A。双通道测振仪的测量设置：通道1选择速度档，通道2也选择速度档 (“设置选择及参数选择”旋钮：该旋钮是一个复用钮，既能旋转也可推压。当左右旋转时， 上方的5个指示灯依次点亮。分别进入“1道”、“2道”、“显示” “方式”、“扫频 等5个设置状态。使用推压功能时，则分别进入这5个设置状态的下一级子莱单。) 3)运行桌面“IW1601振动教学系统”软件，在“分析模块选项”窗口，双击“双通道”，进 入主分析窗口，可观察1、2两输入通道波形显示均为正弦波（采样参数中两通道单位都取V). 注意：虚拟分析仪的通道1、2与实验仪通道1、2相对应。 第2页共14页
测试技术实验指导书 根据简谐振动方程，设振动位移、速度、加速度分别为 x、v、a，其幅值分别为 X、V、A： )sin( )cos( )sin( 2 2 2 ϕωω ϕωω ω ϕ −== − == − = − tB dt yd a tB dt dy v x B t 式中：B——位移振幅 ω ——振动角频率 ϕ ——初相位 故有： BfBA fBBV BX 2 2 )2( 2 πω πω == == = 振动信号的幅值可根据上式中位移、速度、加速度的关系，分别用位移传感器、速度传感器或加速 度传感器来测量，也可利用测振仪中的微分、积分功能来测量。 五、实验过程 1、 熟悉测试系统搭建各环节，搞清信息流向（实验仪及软件的具体操作请参阅桌面“测试实验仪器使 用说明”）： 1） 硬件接线关系：实验仪面板图如上所示。激振信号源“功率输出”接电动式激振器，对被测对 象施加交变正弦激振力，使系统产生振动；同时“信号源输出”接测振仪通道 1 的“电压输入”。 速度传感器的输出端接测振仪通道 2 的“电压输入”，以测量对象的振动值。虚拟分析仪通过 USB 接口接收到信号源（通道 1）与测振仪输出（通道 2）的两路信号并实时显示。 2） 开启“振动教学实验仪”电源开关，信号发生器设置：信号频率取 40Hz左右，输出电流调节至 100mA。双通道测振仪的测量设置：通道 1 选择速度档， 通道 2 也选择速度档。 （“设置选择及参数选择”旋钮：该旋钮是一个复用钮，既能旋转也可推压。当左右旋转时， 上方的 5 个指示灯依次点亮。分别进入“1 道”、“2 道”、“显示”、“方式”、“扫频” 等 5 个设置状态。使用推压功能时，则分别进入这 5 个设置状态的下一级子菜单。） 3） 运行桌面 “INV1601 振动教学系统” 软件，在“分析模块选项”窗口，双击“双通道”，进 入主分析窗口，可观察 1、2 两输入通道波形显示均为正弦波（采样参数中两通道单位都取 mV）。 注意：虚拟分析仪的通道 1、2 与实验仪通道 1、2 相对应。 第 2 页 共 14 页
测试技术实验指导书 4)结合实验装置组成图搞清硬件接线及信息流向，熟悉相关仪器使用：对照组成框图了解本系统 被测对象是谁？搭建怎样的测试框架？如何获取被测信号并进行测量？并画出系统组成框图。 2、测最通道2信号振动速度值： 在进行振动测量时，传感器通过换能器把加速度、速度、位移信号转换成电信号，经过放大器 放大，再通过硬件AD模块将模拟量转换成数字信号，采集到的数字信号为电压变化量，通过软件 在计算机上显示出来，这时读取的数值为电压值，通过标定值进行换算，就可计算出振动量的大小。 关系式为： 实测物理量=输出电压(V)÷标定值K。 其中标定值K在DASP软件参数设置表中定义为： K=KcH X Ke —传感器灵敏度：K—实验仪各档输出增益。 本测试装置使用的磁电式速度传感器灵敏度为280mV/cm/s,速度档线性输出增益为1，将通 道2的测最单位设为速度单位，观察显示的速度信号波形，并用幅值计读出速度值V。 3、测量通道2信号的振动位移值： 请依据实验条件，规划测量方案， 用分析仪的幅值计读出位移值X(激励条件不变)。 六、思考题 1、实验数据 测量条件频率 ,输出电流I三 实测值 公式计算值 速度值(cm/s 位移值(m) 根据测量的速度、位移值，分别按公式计算位移、速度值，并填入上表。实测值与计算值有无差别？ 若有试分析原因？ 2、请列举测试、测控系统实例各一个，并以框图形式介绍其系统构成。 第3页共14页
测试技术实验指导书 4） 结合实验装置组成图搞清硬件接线及信息流向，熟悉相关仪器使用；对照组成框图了解本系统 被测对象是谁？搭建怎样的测试框架？如何获取被测信号并进行测量？并画出系统组成框图。 2、 测量通道 2 信号振动速度值： 在进行振动测量时，传感器通过换能器把加速度、速度、位移信号转换成电信号，经过放大器 放大，再通过硬件 AD 模块将模拟量转换成数字信号，采集到的数字信号为电压变化量，通过软件 在计算机上显示出来，这时读取的数值为电压值，通过标定值进行换算，就可计算出振动量的大小。 关系式为： 实测物理量＝输出电压（mV）÷ 标定值 K。 其中标定值 K 在 DASP 软件参数设置表中定义为： K = K CH × K E K CH ——传感器灵敏度；K E ——实验仪各档输出增益。 本测试装置使用的磁电式速度传感器灵敏度为 280 mV/cm/s，速度档线性输出增益为 1，将通 道 2 的测量单位设为速度单位，观察显示的速度信号波形，并用幅值计读出速度值 V。 3、 测量通道 2 信号的振动位移值： 请依据实验条件，规划测量方案，用分析仪的幅值计读出位移值 X（激励条件不变）。 六、思考题 1、实验数据： 测量条件 频率 f= Hz，输出电流 I= mA 实测值 公式计算值 速度值（cm/s） 位移值（μm） 根据测量的速度、位移值，分别按公式计算位移、速度值，并填入上表。实测值与计算值有无差别？ 若有试分析原因？ 2、请列举测试、测控系统实例各一个，并以框图形式介绍其系统构成。 第 3 页 共 14 页
测试技术实验指导书 实验二 信号分析实验 一、实验目的 1,掌握正弦信号频谱分析的特点。 2,理解计算机信号采集过程、掌握采样定理。 3.通过对声音信息采集分析理解频谱分析的应用。 二、实验原理 信号分析就是研究信号本身的特征。对信号进行分析处理，可用模拟信号处理系统和数字信号处理 系统来实现。利用计算机的数字信号处理技术由于其稳定、快速、灵活、处理信息量大等优越性，已逐 渐取代使用电路的模拟信号处理方式。 1、频谱分析： 为解决不同的问题，往往需要揭示信号不同方面的特征，可采取不同的描述方式。通常以三个变 量域来描述信号，即时域描述、幅值域描述和频率域描述。在相应的变量域中对信号进行分析即是时 域分析、幅值域分析和频域分析。 须谱分析是信号频域分析的一种。傅立叶变换是信号频谱分析中常用的一个工具，它把一些复杂 的信号分解为无穷多个相互之间具有一定关系的正弦信号之和，并通过对各个正弦信号的研究来了解 复杂信号的频率成分和幅值。对信号作频谱分析的设备主要是频谱分析仪或软件，其工作方式有模拟 式和数字式二种。模拟式频谱分析仪以模拟滤波器为基础，从信号中选出各个频率成分的量值：数字 式频谱分析仪以数字滤波器或快速傅立叶变换(FT)为基础，实现信号的时频关系转换分析。受算 法的限制，FFT对数据个数要求为2的幂乘，工程上常取的点数有512、1024等。 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，从而揭示了信号的频率信息。 工程上习惯将计算结果用图形方式一频谱图表示：以频率为横坐标的幅值、相位变化图，即： 幅值谱一幅值-频率图，相位谱—相位-频率图。又常以幅值谱作为谱分析的主要手段。 下图为一角频率为。的正弦信号时域波形图及幅值谱图。 2、采样定理： 数字信号是由模拟信号离散化后得到的，包括对时间的离散化一采样和对信号大小的离散化一 幅值量化，这个过程即为A/D转换。采样是从固定的时间间隔(A1)依次抽取连续信号不同时刻瞪时 幅值的过程，称△1为采样间隔，∫=1/41为采样频率。信号的采样频率人，与信号的截止频率之间应 满足采样定理：≥2。 采样定理提出了一个问题，即当对时域模拟信号采样时，应以多大的采样周期（或称采样时间间隔） 第4页共14页
测试技术实验指导书 实验二 信号分析实验 一、 实验目的 1．掌握正弦信号频谱分析的特点。 2．理解计算机信号采集过程、掌握采样定理。 3．通过对声音信息采集分析理解频谱分析的应用。 二、实验原理 信号分析就是研究信号本身的特征。对信号进行分析处理，可用模拟信号处理系统和数字信号处理 系统来实现。利用计算机的数字信号处理技术由于其稳定、快速、灵活、处理信息量大等优越性，已逐 渐取代使用电路的模拟信号处理方式。 1、频谱分析： 为解决不同的问题，往往需要揭示信号不同方面的特征，可采取不同的描述方式。通常以三个变 量域来描述信号，即时域描述、幅值域描述和频率域描述。在相应的变量域中对信号进行分析即是时 域分析、幅值域分析和频域分析。 频谱分析是信号频域分析的一种。傅立叶变换是信号频谱分析中常用的一个工具，它把一些复杂 的信号分解为无穷多个相互之间具有一定关系的正弦信号之和，并通过对各个正弦信号的研究来了解 复杂信号的频率成分和幅值。对信号作频谱分析的设备主要是频谱分析仪或软件，其工作方式有模拟 式和数字式二种。模拟式频谱分析仪以模拟滤波器为基础，从信号中选出各个频率成分的量值；数字 式频谱分析仪以数字滤波器或快速傅立叶变换（FFT）为基础，实现信号的时-频关系转换分析。受算 法的限制，FFT 对数据个数要求为 2 的幂乘，工程上常取的点数有 512、1024 等。 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,从而揭示了信号的频率信息。 工程上习惯将计算结果用图形方式——频谱图表示：以频率为横坐标的幅值、相位变化图，即： 幅值谱——幅值-频率图，相位谱——相位-频率图。又常以幅值谱作为频谱分析的主要手段。 下图为一角频率为 ω。的正弦信号时域波形图及幅值谱图。 2、采样定理： 数字信号是由模拟信号离散化后得到的，包括对时间的离散化——采样和对信号大小的离散化—— 幅值量化，这个过程即为 A / D 转换。采样是从固定的时间间隔（ Δt ）依次抽取连续信号不同时刻瞬时 幅值的过程，称 为采样间隔， Δt t/fs =1 Δ 为采样频率。信号的采样频率 与信号的截止频率 之间应 满足采样定理： 。 sf c f c ≥ 2 f s f 采样定理提出了一个问题，即当对时域模拟信号采样时，应以多大的采样周期（或称采样时间间隔） 第 4 页 共 14 页
测试技术实验指导书 采样，方不致丢失原始信号的信息？或者说，可由采样信号无失真地恢复出原始信号？ ·采样间隔太小（频率过高）一一对定长的时间记录来说，数字序列很长，计算工作量迅速增大，则可 处理的时间历程缩短，会产生较大的误差： 采样间隔过大（频率过低）一一丢掉有用信息。 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。下面从时域信号波形来看这种情况。()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，复原的是一个嘘假的低频信号 米样蜘平正确 采样频率过低 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，采样信号的领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颜率成分的5 到10倍。 3、数字处理器作频谱分析的步骤： 对一个确定性连续信号x:)作FFT,一般按以下步骤进行 (1)估计x1)的被止频率∫或按所需的最高频率对x()作低通滤波。 (2)确定采样间隔41或采样频率∫。通常选用采样频率大于信号截止频率5~10倍。 (3)确定)的一个样木的最小采样长度N,并按2的整数次幂圆整采样点数N。 (4)用快速傅立叶变换(FFT)计算： (k=0,12,…,N-1)得到确定性信号的傅立叶谱 其对应的离敬须半值为人一。及 三、实验装置 DASP分析软件、声音分析软件及麦克风一套。 四、实验过程 1.对已知正弦信号以不同的采样条件进行频谱分析： 由DASP软件系统提供的信号发生器取一2O0z正弦信号（幅值取4000mV)。 第5页共14页
测试技术实验指导书 采样，方不致丢失原始信号的信息？或者说，可由采样信号无失真地恢复出原始信号？ • 采样间隔太小（频率过高）－－对定长的时间记录来说，数字序列很长，计算工作量迅速增大，则可 处理的时间历程缩短，会产生较大的误差； • 采样间隔过大（频率过低）－－丢掉有用信息。 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。下面从时域信号波形来看这种情况。(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。 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频率成分的5 到10倍。 3、数字处理器作频谱分析的步骤： 对一个确定性连续信号 作)t(x FFT，一般按以下步骤进行： （1） 估计 )t(x 的截止频率 c f 或按所需的最高频率对 )t(x 作低通滤波。 （2） 确定采样间隔 Δt 或采样频率 sf 。通常选用采样频率大于信号截止频率 5～10 倍。 （3） 确定 )t(x 的一个样本的最小采样长度 N min ，并按 2 的整数次幂圆整采样点数 N 。 （4） 用快速傅立叶变换（FFT）计算： N nk N j n n k ex N X 2π 1 0 1 − − = = ∑ = " −1210 )N,,,,k( 得到确定性信号的傅立叶谱。 其对应的离散频率值为 k N f f s k ⋅= 三、实验装置 DASP 分析软件、声音分析软件及麦克风一套。 四、实验过程 1． 对已知正弦信号以不同的采样条件进行频谱分析： 由 DASP 软件系统提供的信号发生器取一 200 Hz 正弦信号（幅值取 4000mV）。 第 5 页 共 14 页