机械工程
实 验 指 导 书
机械工程测试技术
指导教师：刘吉轩
西安交通大学机械基础实验教学中心
2010年5月
目 录
实验一 信号分析与测量装置特性仿真实验 .......................................... 3
1、 信号分析虚拟实验 ...................................................................... 3
2、 测试装置动态特性仿真实验 ...................................................... 7
实验二 机械工程测试虚拟仪器设计实验 .......................................... 12
实验三 传感器性能标定实验 .............................................................. 18
1、 金属箔式应变片――单臂电桥性能实验 ................................ 18
2、 电涡流位移传感器性能实验 .................................................... 20
3、 传感器动态性能标定实验 ........................................................ 21
附录：（有关仪器使用指南） .......................................................... 28
实验四 动态测量信号调理实验 ............................................................ 29
1、 压电式传感器测振动实验 ........................................................ 29
2、 电涡流传感器测量振动实验 .................................................... 30
3、 光电转速传感器的转速测量实验 ............................................ 31
4、 交流全桥的振动测量实验 ........................................................ 32
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
一、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。
二、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：
∫t0t0+T1f(t)dt等于有限值
∞
f(t)=a0+∑(akcoskω0t+bksinkω0t)
k=1
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。
2T/2ak=T/2f(t)coskω0tdtT1T/2f(t)dtTT/2
2T/2bk=T/2f(t)sinkω0tdtT
它是傅氏级数中余弦项的幅值。 a0=
它是傅氏级数中正弦级数的幅值。
ω0=2π
T
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，
f(t)=∑cmejmω0t
∞∞
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：
1T/2f(t)exp(jmω0t)dtT1T/2
1kω0t=(ejkω0t+ejkω0t) cos2
1jkω0tkω0t=(e+ejkω0t) sin2
所以，两种形式的频谱存在如下关系。即： cm=
复数谱ck=ak
2
∧jbk; 共轭幅频谱ck=
ck= 幅频ak+jbk; 212ak+bk2； 2 相频谱φk=arctg(bk); ak
还把其中的ak(ω)和bk(ω)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
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），fT(t)是周期信号，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)就转变成非周期信号。即：
fT(t)的复指数傅氏级数可表示为：fT(t)=
k=∞∑cek∞jkω0t
式中T为周期，ω0=2π/T代表相邻两根谱线之间的最小间隔或增量,故可以写成
2πΔω=ω0=,当T→∞,Δω→0即非周期信号相邻两根谱线之间的距离将趋近T
kω0的分量的振幅ck则趋近于零，但频谱曲线的形状不会改变。
于0，间断谱就变成了连续谱，而f(t)中频率是kω0的分量的振幅ck则趋近于零，但频谱形状不会改变。
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。
三、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。
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。
四、软件使用方法简介（实验步骤）
《测试技术教学实验系统》软件是在Windows2000环境下，由LabView运行库支持运行。执行该软件后先进入主菜单，主菜单中有四个选择项，可以通过鼠标左键进行选择。当点击了信号分解或信号合成按钮并确定之后，就进入下一级菜单。
在信号分解子菜单中有如下的一面板：
面板左边第一项为输入波形设置开关，点击弹出波形设置面板，可选择波形的种类（正弦波、余弦波、方波、三角波、锯齿波等）、频率、幅值和初相角等。
面板左边第二项为一显示窗口，用来显示输入波形分解后的基频。
面板左边第二项为显示分解后的谐波波形选择项。缺省设置为显示直流成分，和1、2、3次谐波波形。
最后一项为退出。
在信号合成子菜单中有如下的一面板：
面板左边第一项为显示输入波形选择开关，用来选择屏幕左边四个小示波器所显示的波形。缺省设置为显示第0、1、2、3条波形。屏幕右边是合成后的波形显示。
面板左边第二项是用来控制被选择的波形是否进行叠加。这是8个按钮开关，可用鼠标点击来控制。当此开关打开时所对应的波形将进行合成，否则不进行合成。8个按钮从左到右对应0到7号选择波形。当8个按钮都被选择时，输入的波形数可达到255条。
面板左边第三项是用来控制弹出一个波形设置面板，可设置波形的种类、频率、幅值和初相等。也可自定义输出波形，自定义的波形公式直接文本框中（注：写完后不要回车）。用“t”代表时间，即可表示某种波形随时间变化的规律。如：“sin(5 t)”。
最后一项为退出。
在非周期性信号频谱分析子菜单中：
当点击进入“非周期性信号频谱分析”时，屏幕左上角的信号源的设置中设置信号的参数。在左边中部“信号源开关”中选择需要显示的波形即可。一次可选择多个波形，输出的波形即为多个波形的叠加。在屏幕的右部显示输出的波形及其幅值谱。
五、实验报告要求
1、总结周期性信号的频谱特性以及对称性对周期信号频谱的影响。
2、总结非周期性信号的频谱特性。
3、写出本次实验的体会。
2、 测试装置动态特性仿真实验
一、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。
二、实验原理
一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：
11ωτ=Ssj1+jωτ1+(ωτ)21+(ωτ)2
式中：SS为测量装置的静态灵敏度；τ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： H(jω)=Ss
A(ω)=1
1+(ωτ)2
φ(ω)=arctanωτ
可知，在规定SS=1的条件下，A（ω）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τ确定，如果规定一个允许的幅值误差ε，则允许测量的信号最高频率ωH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τ，以保证A（ω）≥1-ε 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(ω)=1/(1(ω/ω0)2)24ξ2(ω/ω0)2
相频特性φ(w)=arctg(2ξ(ω/ω0)/(1(ω/ω0)2)2
Α（ω）是ξ和ω/ω0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。
(1).当ω=0时，Α（ω）=1;(2).当ω→∞，A（ω）=0;(3).当ξ≥0.707时随着输入信号频率的加大，Α（ω）单调的下降, ξ＜0.707时Α（ω）的特性曲线上出现峰值点;(4)如果ξ=0，A(ω)=1/(1(ω/ω0))=1/(1(ω/ω0)2)，显然，其峰值点出现在ω=ω0处。其值为“∞”，当ξ从0向0.707变化过程中随着的加大其峰值点逐渐左移，并不断减小。
对以上二阶环节的幅频特性的结论论证如下：
(1).当ω=0时A(ω)=1
(2).当ω→∞时,A(ω)=0 22
(3).要想得到A(ω)的峰值就要使
A(ω)=1/(1(ω/ω0)2)24ξ2(ω/ω0)2 中的(1(ω/ω0)2)24ξ2(ω/ω0)2取最小值。令:t=(ω/ω0)2
f(t)=(1t)2+4ξ2t
对其求导可得t=1-2ξ2时,f(t)取最小值.由于t=(ω/ω0)2≥0,所以1-2ξ2≥0, ξ2必须小于1/2时,f(t)才有最小值,即ξ>2/2时，A(ω)不出现峰值点;当ξ＜2/2时f(t)=4ξ2
ξ属于[0，
1/f(t)=1/4ξ24ξ4,f(t)对ξ求导得8ξ(12ξ2)，可以看出f(t): 2/2]时单调递增，于是得A(ω)的峰值点A为4ξ4; 在ξ属于[0，2/2]递减。
(4).当ξ=0时 A=∞，t=(ω/ω0)2，ω/ω0=1,即ξ=0时A(ω)的峰值为∞，且必出现在ω/ω0=1时，当ξ=2/2时,t=0→ω=0，A(ω)=1. 还可以看出，在ξ属于[0，2/2]增大时t=1-2ξ2就减小，即f(t)的峰值左平移。
（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。
首先设允许的测量误差，由第一部分可知，存在一个ξ使得A(w)峰值接近于 1+△A，即直线A=1+△A与A(w)相切，且切与A(w)的峰值点。设这个峰值点为ξ0，
（1）当0＜ξ＜ξ0时 ，A(w)与直线A=1+△A有两个交点为A,B
（2）当ξ＞ξ0时无交点。
（3）无论取何值，A(w)与A=1-△A只有一个交点。
从图中可以看出，0＜ξ＜ξ0时,环节的通频带为（0，ωA/ω0）;ξ＞ξ0时,通频带为（0，ωD/ω0）.此时找出两种情况下的最宽的通频带，在进一步比较两个通频带，其中宽的就是误差为△A时的最宽的通频带。
由于ξ= 0时,A(w)与直线A=1+△A相切,于是可解的: ξ0=11/(1+ΔA)2)]/2
令(ωA/ω0)2=X(ξ),(ωD/ω0)2=Y(ξ),于是: X(ξ)=24ξ2(4ξ22)2
24[1(1/(1+ΔA)2)] Y(ξ)=24ξ2+(4ξ22)24[1(1/(1
2ΔA)2)]
分别以X(ξ)和Y(ξ)为目标函数,以0＜ξ＜ξ0和ξ≥ξ0为约束条件，用0.618
法求X(ξ)和Y(ξ)的最大值。由于求目标函数的极大化就等于求函数- f(t)的极小化，于是求X(ξ)和Y(ξ)的极大化就等于求函数-X(ξ)和-Y(ξ)的极小化。它们可以分别写成:
min[X(ξ)]=(24ξ2(4ξ22)24[1(1/(1+ΔA)2)]) 2
其中0＜ξ＜ξ0，X(ξ)＞0
min[Y(ξ)]=(24ξ2+(4ξ22)24[1(1/(1
2ΔA)2)])
其中ξ≥ξ0，Y(ξ)＞0 。对以上两个数学模型用0.618法得到最优解分别为（Xmax,ξ1），（Yxam,ξ2）.
三、实验内容
1、一阶测量装置的动态特性仿真
选择虚拟的一阶测量装置，分别在不同的输入信号：周期性信号（正弦波、方波、三角波、锯齿波等）、冲击信号、正弦扫描信号、及采样函数信号等情况下，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。
1、 二阶测量装置的动态特性仿真
选择虚拟的二阶测量装置，分别在不同的输入信号：周期性信号（正弦波、方波、三角波、锯齿波等）、冲击信号、正弦扫描信号、及采样函数信号等情况下，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。
四、实验软件简介（实验步骤）
在LabView运行程序支持下，执行《测试技术教学实验系统》软件，选择“测量装置动态特性仿真”项，进入测量装置动态特性仿真面板。在此面板上，左上角是输入波形设置，左边中部是测量装置类型选择和测量参数选择区。右边上半部是显示输入信号波形和输出波形，右边上半部是显示输入信号和输出信号的频谱。红色为输入，白色为输出。
当选择虚拟的一阶测量装置时，确定输入信号的情况下，改变时间常数，观察一阶测量装置动态特性的变化。在确定测量误差和频率范围的情况下，选择恰当的时间常数。
当选择虚拟的二阶测量装置时，确定输入信号的情况下，改变频率比和阻尼比，观察二阶测量装置动态特性的变化。在确定测量误差和频率范围的情况下，选择恰当的阻尼比。
五、实验报告
(1).总结一阶测量装置的幅频特性与时间常数τ之间的关系，与课本中的结论相比较，看是否正确;
(2)、绘出一阶测量装置的三条幅频曲线验证你从计算机上所得的最优时间常数τ； (3).总结二阶测量装置的幅频特性与阻尼比ξ之间的关系，与课本中的结论相比较，看是否正确;
(4)、绘出二阶测量装置的三条幅频曲线验证你从计算机上所得的最优阻尼比; (5).写出本次实验的体会。
实验二 机械工程测试虚拟仪器设计实验
一、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。
二、LabVIEW简介
1、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的编译器编译生成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。
2、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。
3、LabVIEW软件启动：
当双击LabVIEW图标启动软件时，将出现图1所示的启动画面。
在图1所示的LabVIEW主对话框中有七个选项，LabVIEW软件包内容分别包含在这七个选项中。 （1）、New VI
New VI是LabVIEW提供给用户创建/设计虚拟仪器的工作环境。一个VI有两个部分组成：一个前面板(Panel)和一个流程图（Diagram）（或称后面板），如图2（a）、(b)所示。前面板的功能等效于传统测试仪器的前面板；流程图的功能等效于传统测试仪器与前面板相联系的硬件电路。
（a）前面板
（b）流程图 图2 虚拟波形显示仪
因此，设计一个虚拟仪器是在两个窗口中进行。第一个是前面板开发窗口，其标志是“Untitled1”，所有虚拟仪器前面板的设计都是在这个窗口中进行并完成；第二个是流程图编辑窗口，标志是“Untitled1 Diagram”。 （a）、Panel（前面板）及其开发窗口
在选择了“New VI”后出现的前面板开发窗口中，包含主菜单栏（File,Edit,Operate,Project ,Windows,Help）和快捷工具栏。
设计制作虚拟仪器前面板，就是用Tools（工具）模板（见图3所示）中相应的工具去取用Controls（控制）模板（见图4所示）上的有关控件，摆放到窗口的适当位置来组成虚拟仪器前面板。
图3 工具模板 图4 控制模板
（b）、Diagram（流程图）及其编辑窗口
流程图是图形化的源代码，是VI测试功能软件的图形化表述。虚拟仪器是由软件编程实现测试功能的，软件编程分为两种：一种是基于传统的文本式编程方式；另一种是图形化编程方式。LabVIEW就是采用图形化编程方式。在流程图编辑窗口，选用Tools（工具）模板中相应的工具去取Functions（功能）模板（见图5所示）上的有关图标来设计制作虚拟仪器流程图，以完成虚拟仪器的设计工作。
（c）、取用控件和模板的各种方法（见软件“帮助”有关内容） （d）、主菜单栏及快捷工具栏（见软件“帮助”有关内容）
图5 功能模板
三、虚拟仪器设计入门
（一）、工具模板(Tools Palette)使用练习 （二）、控制模板(Controls Palette)使用练习 （三）、功能模板(Functions Palette)使用练习 （四）、创建VI 练习
使用LabVIEW开发平台创建虚拟仪器就是编制图形化程序，该图形化程序是虚拟仪器程序，简称VI。
* 虚拟仪器程序VI有两部分组成：前面办程序与流程图程序（详见相关内容）。 * 虚拟仪器程序VI的设计步骤：
1、在前面板设计窗口设置控件，并创建“流程图”中的端口。 2、在流程图编辑窗口放置节点、图框，并创建前面板控件。 3、数据流编程。 4、运行检验。
5、数据观察。 6、命名存盘。 * 程序调试步骤： 1、找出语法错误。 2、慢速跟踪程序的运行。 3、断点与单步执行。 4、设置探针。
* 简单VI创建：
虚拟正弦波显示器设计练习：
１、功能描述
用Waveform Graph 控件记录一个正弦波序列。
２、设计提示
端口的生成有两种方式，任选一种，具体方法参见有关内容。本例采用从前面板
放置控件的方式。 主要设计步骤如下： （1）、前面板设计。 * 放置图形控件1。
执行Controls>>Graph>>Waveform Graph操作。
图形控件为输出显示型控件，选“Waveform Graph”控件。
* 放置数字控件2。
执行Controls>>Numeric>>Knob操作。
数字空间为输入控制型控件，用来设置显示器的横坐标，即采样间隔。 （2）、流程图编辑。
* 打开流程图编辑窗口“Diagram”。
与前面板图形控件对应的端口应出现在流程图编辑窗口中。 * 放置正弦信号图表。 正弦信号图表的调用路径：
执行Functions>>Numeric>>Trigonometric>>Sine操作。 * 放置For Loop循环结构。
执行Functions>>Structure>>For Loop操作。 * 连线。 （3）、存文件。 （4）、运行程序。
四、虚拟仪器设计范例
1、虚拟信号发生器
2、虚拟频谱分析仪
3、采样定理
五、虚拟仪器设计要求
1、设计虚拟n!阶乘运算器
2、设计虚拟示波器（显示正弦信号时域波形）
实验三 传感器性能标定实验
1、 金属箔式应变片――单臂电桥性能实验
一、实验目的：了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。 二、基本原理：电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻
应变效应，描述电阻应变效应的关系式为： ΔR／R＝Kε式中ΔR／R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数,ε=Δl/l为电阻丝长度相对变化，金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转换被测部位受力状态变化 、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。，对单臂电桥输出电压 Uo1= EKε/4。
三、需用器件与单元：应变式传感器实验模板、应变式传感器－电子秤、砝码、数显表、
±15V电源、±4V电源、万用表（自备）。
四、实验步骤：
1、根据图（1－1）应变式传感器（电子秤）已装于应变传感器模板上。传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。加热丝也接于模板上，可用万用表进行测量判别，R1＝R2＝R3＝R4＝350Ω，加热丝阻值为50Ω左右
图1－1 应变式传感器安装示意图
2、接入模板电源±15V（从主控台引入）
，检查无误后，合上主控台电源开关，将实验
模板调节增益电位器RW3顺时针调节大致到中间位置，再进行差动放大器调零，方法为将差放的正负输入端与地短接，输出端与主控台面板上数显表输入端Vi相连，调节实验模板上调零电位器RW4，使数显表显示为零（数显表的切换开关打到2V档）。关闭主控箱电源（注意：当Rw3、Rw4的位置一旦确定，就不能改变。一直到做完实验三为止）。
3、将应变式传感器的其中一个电阻应变片R1（即模板左上方的R1）接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥（R5、R6、R7模块内已接好），接好电桥调零电位器RW1，接上桥路电源±4V（从主控台引入）如图1－2所示。检查接线无误后，合上主控台电源开关。调节RW1，使数显表显示为零。
图1－2应变式传感器单臂电桥实验接线图
4、在电子称上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g（或500 g）砝码加完。记下实验结果填入表1－1，关闭电源。
5、根据表1－1计算系统灵敏度S＝ΔU/ΔW（ΔU输出电压变化量，ΔW重量变化量）和非线性误差δf1=Δm/yF..S ×100％式中Δm为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差：yF·S满量程输出平均值，此处为200g（或500g）。
五、思考题：
单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：（1）正（受拉）应变片（2）负（受压）应变片（3）正、负应变片均可以。
2、 电涡流位移传感器性能实验
一、实验目的：了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。
二、基本原理：通过高频电流的线圈产生磁场，当有导电体接近时，因导电体涡流效应产生
涡流损耗，而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。 三、需用器件与单元：电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、直流电源、数显单元、测
微头、铁圆片。
四、 实验步骤：
1、根据图2－1安装电涡流传感器。
图8－1电涡流传感器安装示意图
图2-1 电涡流传感器安装示意图
图2－2电涡流传感器位移实验接线图
2、观察传感器结构，这是一个平绕线圈。
3、将电涡流传感器输出线接入实验模板上标有L的两端插孔中，作为振荡器的一个元件。 4、在测微头端部装上铁质金属圆片，作为电涡流传感器的被测体。
5、将实验模板输出端Vo与数显单元输入端Vi相接。数显表量程切换开关选择电压20V档。。
6、用连结导线从主控台接入15V直流电源接到模板上标有＋15V的插孔中。
7、使测微头与传感器线圈端部接触，开启主控箱电源开关，记下数显表读数，然后每隔0.2mm读一个数，直到输出几乎不变为止。将结果列入表2－1。 表2－1电涡流传感器位移X与输出电压数据
8、根据表2－1数据，画出V－X曲线，根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的最佳工作点，试计算量程为1mm、3 mm及5mm时的灵敏度和线性度（可以用端基法或其它拟合直线）。
五、 思考题：
1、电涡流传感器的量程与哪些因素有关，如果需要测量±5mm的量程应如何设计传感器？ 2、用电涡流传感器进行非接触位移测量时，如何根据量程选用传感器。
3、 传感器动态性能标定实验
一、 实验目的
1、 了解电涡流位移传感器和压电加速度传感器的结构、工作原理及其应用。 2、 熟悉电涡流位移传感器和压电加速度传感器灵敏度标定所用仪器。
3、 掌握电涡流位移传感器和压电加速度传感器动态灵敏度标定的校准台法，了解其他的标
定方法。
二、 实验原理
（一）、压电加速度传感器灵敏度标定
1、灵敏度
压电加速度传感器的灵敏度有两种表示方法：当它与电荷放大器配合使用时，用电荷灵敏
Sq=
度Sq表示。即：
Q
(PC/msa
2
)
与电压放大器配合使用时用电压灵敏度Sv表示。即： 式中 Q------压电传感器输出电荷（PC）；
Sv=
Ua
(mV/ms2)a
Ua-----压电传感器的开路电压（mV）； a-------被测加速度（ms-2）。
因为Ua=Q/(Ca+Cc)，所以有：Sq= Sv(Ca+Cc)。其中：Ca为传感器自身电容；Cc为电缆电容。
2、压电加速度传感器灵敏度的标定方法
实验室常用的标定方法一般有校准台法、比较法和互易法三种。
（1）、校准台法 加速传感器校准台是一个能产生一定频率和一定加速度峰值的振动台。例如，本实验中所使用的“JX-3B型振动传感器校准仪”，其内部可产生频率为10Hz—1280Hz、加速度峰值为2.5m/s2—100m/s2(传感器重量[100g)的标准正弦加速度信号。其电路原理框图如图1所示。将被标定的加速度传感器直接安装在振动系统的台面上，使其承受峰值为10m/s2加速度的振动，根据前置放大器的输出电压值便可确定传感器的灵敏度值。这种标定方法的标定精度为62%。注意电荷放大器是先将加速度传感器输出的电荷量转换成电压量，然后再经放大输出。确定传感器的电荷灵敏度时，要考虑放大器的增益。
驱动线圈
（2）、比较法 此方法是取一个经过计量部门标定过的加速度传感器和前置放大器作为基准，与需求校准的加速度传感器作对比试验，确定被标定传感器的灵敏度。标定时，将被标定传感器与基准传感器按背靠背的方式装在同一轴线上，承受同样的振动。分别测量出被标定传感器与基准传感器的输出振动量，然后折算出被标定传感器的灵敏度。
（3）、互易法 此法不是通过直接测量振动量来确定灵敏度，而是应用互易原理，采用测
量其他电量的方法求得灵敏度。一般情况下可以用两个同类型的加速度传感器进行互易，也可以用加速度传感器与振动台内部的速度线圈进行互易。这种方法的标定精度可达到0.5%。
（二）、电涡流位移传感器灵敏度标定
电涡流位移传感器实质上是一个扁平状线圈，它与电容组成并联谐振回路，如图2所示。其谐振频率为
ω0=
1
L1C
0 图2 并联谐振回路
在测量以前，传感器远离被测导体，线圈中通以一定频率的交变电流I，此时回路阻抗最大。当线圈与导体间距离x改变时，由线圈与电容组成的并联谐振回路的阻抗会改变，回路输出电压随之变化，电压V0与距离x存在一定关系，即V0=h(x)，如图3 所示。由输出电压的大小便可测得距离x的量值。
X
V0
图3 并联谐振回路输出电压与距离之间的关系
电涡流位移传感器的灵敏度值Sv可按下式求得：
V0
Sv=(mv/μm)
x
（三）、传感器和测量系统的动态特性标定
传感器和测量系统的动态特性标定的目的是确定传感器和测量系统的频率使用范围、误差和相位特性。通过幅频特性可确定测量系统的频响和幅值误差，通过相频特性可确定测量系统的输入和输出之间的相位差。本实验主要测量幅频特性。
当振动台的振幅恒定，改变其振动频率，测量出被标定传感器相应于各频率下的输出量。以频率比f/fn（振动台的激励频率和传感器固有频率之比）为横坐标，以幅值比Ai/A0（被标定传感器的输出值与振动台输入信号幅值之比）为纵坐标，即可得幅频特性曲线。幅频特性
1ζ=1
2
阻尼比 。
1Am
曲线的平直部分即为理想的动态范围。从幅频特性曲线上读取峰值Am，由下式求得传感器的
求传感器的固有频率fn以下两种情况：当标定位移传感器时，传感器的固有频率远小于振动频率，这时位移传感器的固有频率为：
fn=f频率为：
2ζ2
当标定加速度传感器时，传感器的固有频率远大于振动频率，这时加速度传感器的固有
fn=
fζ2
三、 实验装置
1、JX-3 型振动传感器校准仪 一台 2、DHF-3型电荷放大器 一台 3、双踪示波器 一台 4、85745 系列前置器 一台 5、YD-1型压电式传感器 一个 6、电涡流位移传感器 一个 7、数字万用表 一个
四、 实验内容及步骤
（一）、YD-1型压电式加速度传感器灵敏度标定
1、 将加速度传感器用M5螺丝头固定在校准仪振动台面上。 注意：安装传感器时应使用传感器固定扳手，以防损坏校准仪振动台弹簧。
2、 将被标定的加速度传感器与电荷放大器的输入端连接；将电荷放大器的输出端与数字万用表的交流电压输入端连接，输入电压一般应小于2V。实验仪器连接框图如图4所示。
注意：电荷放大器的设置请参考DHF-3型电荷放大器的使用说明。
速度计
图4 加速度传感器灵敏度标定实验仪器框图
3、 将“频率选择”开关置于“80Hz”。在标定传感器时，一般应将频率定在“80Hz”。 4、 将“功能选择”开关置于“加速度”位置。
5、 将“增益调节”电位器调至最小；然后将电源开关置于“开”。
6、 调节“增益调节” 电位器，使校准台振动加速度输出幅值为10(m/s2)。此时显示窗示值为：10.0。
7、 用示波器观察电荷放大器输出电压的波形，应为不失真的正弦波；同时，用数字万用表的交流电压挡测量电荷放大器的输出电压。
8、 根据电荷放大器输出电压的实测值和电荷放大器在输入加速度为10(m/s2)时的标准输出电压值，即可计算出被测传感器的标定误差。
误差=
标准值-实测值
标准值
⨯100%
注意：标准值是由电荷放大器设置所决定的输出电压的理想值。当输入加速度为10m/s2时，电荷放大器的理想输出电压值应为1V（峰值），则数字万用表上的理想电压值读数应为707.00mV（有效值）。亦即理想电压灵敏度应该为SV理=10mV/ms-2， 若传感器总电容值为800PF时，理想电荷灵敏度为：
SQ理=8.00PC/ms-2。
9、 加速度传感器实际电荷灵敏度标定值为：
SQ实=
P⨯B÷a
(PC/ms-2)A
式中：P----电荷放大器输出电压峰值(mV)；
B----电荷放大器灵敏度设定旋纽设定值（PC/ms-2）； a-----校准台振动加速度输出幅值（取a=10m/s2）； A----电荷放大器输出增益值（mV/Unit）。
（二）、电涡流位移传感器的动态灵敏度标定
1）、将测试台面①、电涡流传感器固定支架②、传感器固定套③及电涡流传 感器④依次固定在校准仪控制面板上（见图6所示）。
图6 电涡流传感器动态标定安装图
2）、将电涡流传感器、前置器、示波器及数字万用表正确连接（见图7所示）。
图7 电涡流传感器动态标定系统框图
3）、将前置器电源接线端子与-24V电源正确连接。 4）、将“频率选择”开关置于“80Hz”。 5）、将“功能选择”开关置于“位移”位置。
6）、将“增益调节”电位器调至最小；电源开关置于“开”。 7）、将传感器的间隙电压调至8.5V（直流）左右。
8）、根据被测传感器的满量程值，调节“增益调节”电位器，使校准仪的振动位移输出幅值为一适当值。此时，显示窗显示为位移的峰峰值，如100μm。
9）、用数字万用表测量前置器的输出交流电压；用示波器监视输出电压波形。 根据数字万用的电压读数（实测值），可得传感器的标定灵敏度SF-F(mV/μm)。
电涡流位移传感器标定灵敏度相对误差为：
误差=
标准值实测值
×100%
标准值
式中：标准值----传感器标称灵敏度（一般为8mV/μm）。
（三）、传感器及测量系统动态特性标定
标定加速度传感器及测量系统的动态特性。 1、 完成加速度传感器灵敏度标定步骤1、2。 2、 将“功能选择”开关置于“加速度”位置。
3、 将“增益调节”电位器调至最小；然后将电源开关置于“开”。
4、 将“频率选择”开关分别依次置于“40Hz”、“80Hz”、“160Hz”、“320Hz”和“640Hz”位置，相应的在各个频率下，调节“增益调节” 电位器，使校准台振动加速度输出幅值保持为10(m/s2)。
5、 用数字万用表交流电压挡测量电荷放大器的输出电压。
6、 根据电荷放大器输出电压的实测值和相应的校准台振动频率之间的一一对应关系，即可得出加速度传感器及测量系统的幅频动态响应曲线。
五、 实验报告要求
1、 加速度传感器灵敏度标定实验数据列于下表：
表1 加速度传感器灵敏度标定实验数据
2、 电涡流位移传感器灵敏度标定实验数据列于下表：
1）、动态标定实验数据
表2 电涡流位移传感器动态标定实验数据
3、
测量系统动态特性标定实验数据
表2传感器及测量系统动态特性标定实验数据
根据表中数据画出幅频响应曲线图。纵坐标采用对数坐标。
4、分析影响加速度传感器和位移传感器灵敏度标定误差的主要因素；提出提高传感器灵敏度精度的主要措施。 5、写出本次实验的体会。
附录：（有关仪器使用指南）
DHF-3型电荷放大器使用步骤及方法：
1、 按照实验要求连接好电荷放大器，接通电源（220V，50Hz）。
2、 开机检查：在开机、关机及开关换挡时，允许零点有暂时跳动（过载指标灯可能暂时发亮），然后自动复零（过载指标灯熄灭）。
3、 灵敏度适调开关位置选择：按电荷灵敏度SQ选择适调开关位置。例如YD-1型加速度计适调开关位置置于8.00 PC/ms-2位置。
4、 增益开关位置选择：因输出电压最大为 10V（峰值），则旋纽上所标四挡可测之最大加速度分别为：
如果被测加速度约为3000 m/s2，则增益开关应选用在1 mv/unit档位置。在其它档位会产生过载使信号失真或输出小于1V现象。如果被测加速度约为几十个m/s2时，则增益开关应选用在100 mv/unit档位置。
5、 滤波开关位置选择：低通滤波器开关位置选择根据具体情况决定，原则是保证有用信号通
过，滤除高频干扰信号。
6、 加速度、速度、位移开关选择：根据具体测量状态决定选择“加速度”、“ 速度”和“位
移”不同的测量档位。
实验四 动态测量信号调理实验
1、 压电式传感器测振动实验
一、实验目的：了解压电传感器的测量振动的原理和方法。
二、基本原理：压电式传感器由惯性质量块和受压的压电片等组成。（观察实验用压电加
速度计结构）工作时传感器感受与试件相同频率的振动，质量块便有正比于加速度的交变力作用在晶片上，由于压电效应，压电晶片上产生正比于运动加速度的表面电荷。 三、需用器件与单元：振动台、压电传感器、检波、移相、低通滤波器模板、压电式传
感器实验模板。双踪示波器。
四、 实验步骤：
1、压电传感器已装在振动台面上。
2、将低频振荡器信号接入到台面三源板振动源的激励源插孔。
图1 压电式传感器性能实验接线图
3、将压电传感器输出两端插入到压电传感器实验模板两输入端，见图1，与传感器外壳相连的接线端接地，另一端接R1。将压电传感器实验模板电路输出端Vo1，接R6。将压电传感器实验模板电路输出端V02，接入低通滤波器输入端Vi，低通滤波器输出V0与示波器相连。
4、合上主控箱电源开关，调节低频振荡器的频率和幅度旋钮使振动台振动，观察示波器波形。
5、改变低频振荡器的频率，观察输出波形变化。
6、用示波器的两个通道同时观察低通滤波器输入端和输出端波形。
2、电涡流传感器测量振动实验
一、实验目的：了解电涡流传感器测量振动的原理与方法。
二、基本原理：根据电涡流传感器位移特性，根据被测材料选择合适的工作点即可测量振幅。 三、需用器件与单元：主机箱、电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、振动源、低通滤波器、示波器。 四、实验步骤：
1、根据图 1 安装电涡流传感器(逆时针转出压紧螺母，装上传感器安装支架再顺时针 转动压紧螺母)并接线。
图 1 电涡流传感器振动测量安装、接线示意图
2、将主机箱中的低频振荡器幅度旋钮逆时针转到底(低频输出幅度为零)；检查接线无误后，合上主控箱电源开关，调节转动源中的传感器升降杆(松开锁紧螺钉，粗调升降杆再细调调节螺母)，使主机箱中的电压表显示为实验二十中铝材料的特性曲线的线性中点位置时的电压值(这时传感器端面与被测体振动台面之间的安装距离为线形区域的大致中点位置)，拧紧锁紧螺钉。
3、顺时针慢慢调节低频振荡器幅度旋钮，使低频振荡器输出的电压峰峰值为 2Ｖ(用示波器监测)；再调节低频振荡器振荡频率(用频率表监测)为 3～25Hz 之间变化，频率每增加2Hz 记录低通滤波器输出端 Vo 的值(用示波器监测)并画出Ｆ—Vo特性曲线。由曲线估算振动台的谐振频率(Vo 最大时对应频率)。实验完毕，关闭电源。
五、思考题：
1、能否用本系统数显表头，显示振动？还需要添加什么单元，如何实行？
2、当振动台振动频率一定时(如 12Hz)，调节低频振荡器幅值可以改变振动台振动幅度，
如何利用电涡流传感器测量振动台的振动幅度?
3、 光电转速传感器的转速测量实验
一、实验目的：掌握光电转速传感器测量转速的原理及方法。
二、基本原理：光电式转速传感器有反射型和透射型二种，本实验装置是透射型的(光电断续器)，传感器端部二内侧分别装有发光管和光电管，发光管发出的光源透过转盘上通孔后由光电管接收转换成电信号，由于转盘上有均匀间隔的 6 个孔，转动时将获得与转速有关的脉冲数，将脉冲计数处理即可得到转速值。
三、需用器件与单元：主机箱、转动源 、光电转速传感器-光电断续器(已装在转动源上)。
四、实验步骤：
1、将主机箱中的转速调节 0～24V 旋钮旋到最小(逆时针旋到底)并接上电压表；再按图1所示接线，将主机箱中频率／转速表的切换开关切换到转速处。
图 1 光电传感器测速实验
2、检查接线无误后，合上主机箱电源开关，在小于 12V 范围内(电压表监测)调节主机 箱的转速调节电源(调节电压改变电机电枢电压)，观察电机转动及转速表的显示情况。
3、从 2V 开始记录每增加 1V 相应电机转速的数据(待转速表显示比较稳定后读取数据)； 画出电机的 V-ｎ(电机电枢电压与电机转速的关系)特性曲线。实验完毕，关闭电源。
五、思考题：
分析光电传感器侧转速的特点。
4、 交流全桥的振动测量实验
一、实验目的：了解利用交流电桥测量动态应变参数的原理与方法。
二、基本原理：对于交流应变信号用交流电桥测量时，桥路输出的波形为一调制波，不能直接显示其应变值，只有通过移相检波和滤波电路后才能得到变化的应变信号，此信号可以从示波器或用交流电压表读得。
三、需用器件与单元：音频振荡器、低频振荡器、万用表、应变式传感器实验模板、相敏
检波器模板、双综示波器、振动源。
四、实验步骤：
1、模块上的传感器不用，改为振动梁的应变片，即台面上的应变输出。
2、将台面三源板上的应变插座用连接线插入应变传感器实验模板上。因振动梁上的四片应变片已组成全桥，引出线为四芯线，因此可直接接入实验模板面上已联成电桥的四个插孔上。接线时应注意连接线上每个插头的意义，对角线的阻值为350Ω，若二组对角线阻值均为350Ω则接法正确（万用表测量）
3、根据图1，接好交流电桥调平衡电路及系统，R8、Rw1、C、Rw2为交流电桥调平衡网络。检查接线无误后，合上主控台电源开关，将音频振荡器的频率调节到1KHz左右，幅度调节到10Vp-p（频率可用数显表Fin监测，幅度用示波器监测）
4、将低频振荡器输出接入振动台激励源插孔，调低频输出幅度和频率使振动台（圆盘）明显感到振动。
图1应变片振动测量实验接线图
5、固定低频振荡器幅度钮旋位置不变，低频输出端接入数显单元的Fin，把数显表的切换开关打到频率档监测低频频率，调低频频率，用示波器读出频率改变时低通滤波器输出Vo的电压峰－峰值，填入下表。
从实验数据得振动梁的自振频率为 HZ。
五、思考题：
1、在交流电桥测量中，对音频振荡器频率和被测梁振动频率之间有什么要求？
2、请归纳直流电桥和交流电桥的特点？
附移相器和相敏检波器电路原理图：
图2 移相器电路原理图
图3 相敏检波器的电路原理图
机械工程
实 验 指 导 书
机械工程测试技术
指导教师：刘吉轩
西安交通大学机械基础实验教学中心
2010年5月
目 录
实验一 信号分析与测量装置特性仿真实验 .......................................... 3
1、 信号分析虚拟实验 ...................................................................... 3
2、 测试装置动态特性仿真实验 ...................................................... 7
实验二 机械工程测试虚拟仪器设计实验 .......................................... 12
实验三 传感器性能标定实验 .............................................................. 18
1、 金属箔式应变片――单臂电桥性能实验 ................................ 18
2、 电涡流位移传感器性能实验 .................................................... 20
3、 传感器动态性能标定实验 ........................................................ 21
附录：（有关仪器使用指南） .......................................................... 28
实验四 动态测量信号调理实验 ............................................................ 29
1、 压电式传感器测振动实验 ........................................................ 29
2、 电涡流传感器测量振动实验 .................................................... 30
3、 光电转速传感器的转速测量实验 ............................................ 31
4、 交流全桥的振动测量实验 ........................................................ 32
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
一、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。
二、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：
∫t0t0+T1f(t)dt等于有限值
∞
f(t)=a0+∑(akcoskω0t+bksinkω0t)
k=1
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。
2T/2ak=T/2f(t)coskω0tdtT1T/2f(t)dtTT/2
2T/2bk=T/2f(t)sinkω0tdtT
它是傅氏级数中余弦项的幅值。 a0=
它是傅氏级数中正弦级数的幅值。
ω0=2π
T
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，
f(t)=∑cmejmω0t
∞∞
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：
1T/2f(t)exp(jmω0t)dtT1T/2
1kω0t=(ejkω0t+ejkω0t) cos2
1jkω0tkω0t=(e+ejkω0t) sin2
所以，两种形式的频谱存在如下关系。即： cm=
复数谱ck=ak
2
∧jbk; 共轭幅频谱ck=
ck= 幅频ak+jbk; 212ak+bk2； 2 相频谱φk=arctg(bk); ak
还把其中的ak(ω)和bk(ω)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
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），fT(t)是周期信号，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)就转变成非周期信号。即：
fT(t)的复指数傅氏级数可表示为：fT(t)=
k=∞∑cek∞jkω0t
式中T为周期，ω0=2π/T代表相邻两根谱线之间的最小间隔或增量,故可以写成
2πΔω=ω0=,当T→∞,Δω→0即非周期信号相邻两根谱线之间的距离将趋近T
kω0的分量的振幅ck则趋近于零，但频谱曲线的形状不会改变。
于0，间断谱就变成了连续谱，而f(t)中频率是kω0的分量的振幅ck则趋近于零，但频谱形状不会改变。
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。
三、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。
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。
四、软件使用方法简介（实验步骤）
《测试技术教学实验系统》软件是在Windows2000环境下，由LabView运行库支持运行。执行该软件后先进入主菜单，主菜单中有四个选择项，可以通过鼠标左键进行选择。当点击了信号分解或信号合成按钮并确定之后，就进入下一级菜单。
在信号分解子菜单中有如下的一面板：
面板左边第一项为输入波形设置开关，点击弹出波形设置面板，可选择波形的种类（正弦波、余弦波、方波、三角波、锯齿波等）、频率、幅值和初相角等。
面板左边第二项为一显示窗口，用来显示输入波形分解后的基频。
面板左边第二项为显示分解后的谐波波形选择项。缺省设置为显示直流成分，和1、2、3次谐波波形。
最后一项为退出。
在信号合成子菜单中有如下的一面板：
面板左边第一项为显示输入波形选择开关，用来选择屏幕左边四个小示波器所显示的波形。缺省设置为显示第0、1、2、3条波形。屏幕右边是合成后的波形显示。
面板左边第二项是用来控制被选择的波形是否进行叠加。这是8个按钮开关，可用鼠标点击来控制。当此开关打开时所对应的波形将进行合成，否则不进行合成。8个按钮从左到右对应0到7号选择波形。当8个按钮都被选择时，输入的波形数可达到255条。
面板左边第三项是用来控制弹出一个波形设置面板，可设置波形的种类、频率、幅值和初相等。也可自定义输出波形，自定义的波形公式直接文本框中（注：写完后不要回车）。用“t”代表时间，即可表示某种波形随时间变化的规律。如：“sin(5 t)”。
最后一项为退出。
在非周期性信号频谱分析子菜单中：
当点击进入“非周期性信号频谱分析”时，屏幕左上角的信号源的设置中设置信号的参数。在左边中部“信号源开关”中选择需要显示的波形即可。一次可选择多个波形，输出的波形即为多个波形的叠加。在屏幕的右部显示输出的波形及其幅值谱。
五、实验报告要求
1、总结周期性信号的频谱特性以及对称性对周期信号频谱的影响。
2、总结非周期性信号的频谱特性。
3、写出本次实验的体会。
2、 测试装置动态特性仿真实验
一、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。
二、实验原理
一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：
11ωτ=Ssj1+jωτ1+(ωτ)21+(ωτ)2
式中：SS为测量装置的静态灵敏度；τ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： H(jω)=Ss
A(ω)=1
1+(ωτ)2
φ(ω)=arctanωτ
可知，在规定SS=1的条件下，A（ω）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τ确定，如果规定一个允许的幅值误差ε，则允许测量的信号最高频率ωH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τ，以保证A（ω）≥1-ε 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(ω)=1/(1(ω/ω0)2)24ξ2(ω/ω0)2
相频特性φ(w)=arctg(2ξ(ω/ω0)/(1(ω/ω0)2)2
Α（ω）是ξ和ω/ω0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。
(1).当ω=0时，Α（ω）=1;(2).当ω→∞，A（ω）=0;(3).当ξ≥0.707时随着输入信号频率的加大，Α（ω）单调的下降, ξ＜0.707时Α（ω）的特性曲线上出现峰值点;(4)如果ξ=0，A(ω)=1/(1(ω/ω0))=1/(1(ω/ω0)2)，显然，其峰值点出现在ω=ω0处。其值为“∞”，当ξ从0向0.707变化过程中随着的加大其峰值点逐渐左移，并不断减小。
对以上二阶环节的幅频特性的结论论证如下：
(1).当ω=0时A(ω)=1
(2).当ω→∞时,A(ω)=0 22
(3).要想得到A(ω)的峰值就要使
A(ω)=1/(1(ω/ω0)2)24ξ2(ω/ω0)2 中的(1(ω/ω0)2)24ξ2(ω/ω0)2取最小值。令:t=(ω/ω0)2
f(t)=(1t)2+4ξ2t
对其求导可得t=1-2ξ2时,f(t)取最小值.由于t=(ω/ω0)2≥0,所以1-2ξ2≥0, ξ2必须小于1/2时,f(t)才有最小值,即ξ>2/2时，A(ω)不出现峰值点;当ξ＜2/2时f(t)=4ξ2
ξ属于[0，
1/f(t)=1/4ξ24ξ4,f(t)对ξ求导得8ξ(12ξ2)，可以看出f(t): 2/2]时单调递增，于是得A(ω)的峰值点A为4ξ4; 在ξ属于[0，2/2]递减。
(4).当ξ=0时 A=∞，t=(ω/ω0)2，ω/ω0=1,即ξ=0时A(ω)的峰值为∞，且必出现在ω/ω0=1时，当ξ=2/2时,t=0→ω=0，A(ω)=1. 还可以看出，在ξ属于[0，2/2]增大时t=1-2ξ2就减小，即f(t)的峰值左平移。
（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。
首先设允许的测量误差，由第一部分可知，存在一个ξ使得A(w)峰值接近于 1+△A，即直线A=1+△A与A(w)相切，且切与A(w)的峰值点。设这个峰值点为ξ0，
（1）当0＜ξ＜ξ0时 ，A(w)与直线A=1+△A有两个交点为A,B
（2）当ξ＞ξ0时无交点。
（3）无论取何值，A(w)与A=1-△A只有一个交点。
从图中可以看出，0＜ξ＜ξ0时,环节的通频带为（0，ωA/ω0）;ξ＞ξ0时,通频带为（0，ωD/ω0）.此时找出两种情况下的最宽的通频带，在进一步比较两个通频带，其中宽的就是误差为△A时的最宽的通频带。
由于ξ= 0时,A(w)与直线A=1+△A相切,于是可解的: ξ0=11/(1+ΔA)2)]/2
令(ωA/ω0)2=X(ξ),(ωD/ω0)2=Y(ξ),于是: X(ξ)=24ξ2(4ξ22)2
24[1(1/(1+ΔA)2)] Y(ξ)=24ξ2+(4ξ22)24[1(1/(1
2ΔA)2)]
分别以X(ξ)和Y(ξ)为目标函数,以0＜ξ＜ξ0和ξ≥ξ0为约束条件，用0.618
法求X(ξ)和Y(ξ)的最大值。由于求目标函数的极大化就等于求函数- f(t)的极小化，于是求X(ξ)和Y(ξ)的极大化就等于求函数-X(ξ)和-Y(ξ)的极小化。它们可以分别写成:
min[X(ξ)]=(24ξ2(4ξ22)24[1(1/(1+ΔA)2)]) 2
其中0＜ξ＜ξ0，X(ξ)＞0
min[Y(ξ)]=(24ξ2+(4ξ22)24[1(1/(1
2ΔA)2)])
其中ξ≥ξ0，Y(ξ)＞0 。对以上两个数学模型用0.618法得到最优解分别为（Xmax,ξ1），（Yxam,ξ2）.
三、实验内容
1、一阶测量装置的动态特性仿真
选择虚拟的一阶测量装置，分别在不同的输入信号：周期性信号（正弦波、方波、三角波、锯齿波等）、冲击信号、正弦扫描信号、及采样函数信号等情况下，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。
1、 二阶测量装置的动态特性仿真
选择虚拟的二阶测量装置，分别在不同的输入信号：周期性信号（正弦波、方波、三角波、锯齿波等）、冲击信号、正弦扫描信号、及采样函数信号等情况下，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。
四、实验软件简介（实验步骤）
在LabView运行程序支持下，执行《测试技术教学实验系统》软件，选择“测量装置动态特性仿真”项，进入测量装置动态特性仿真面板。在此面板上，左上角是输入波形设置，左边中部是测量装置类型选择和测量参数选择区。右边上半部是显示输入信号波形和输出波形，右边上半部是显示输入信号和输出信号的频谱。红色为输入，白色为输出。
当选择虚拟的一阶测量装置时，确定输入信号的情况下，改变时间常数，观察一阶测量装置动态特性的变化。在确定测量误差和频率范围的情况下，选择恰当的时间常数。
当选择虚拟的二阶测量装置时，确定输入信号的情况下，改变频率比和阻尼比，观察二阶测量装置动态特性的变化。在确定测量误差和频率范围的情况下，选择恰当的阻尼比。
五、实验报告
(1).总结一阶测量装置的幅频特性与时间常数τ之间的关系，与课本中的结论相比较，看是否正确;
(2)、绘出一阶测量装置的三条幅频曲线验证你从计算机上所得的最优时间常数τ； (3).总结二阶测量装置的幅频特性与阻尼比ξ之间的关系，与课本中的结论相比较，看是否正确;
(4)、绘出二阶测量装置的三条幅频曲线验证你从计算机上所得的最优阻尼比; (5).写出本次实验的体会。
实验二 机械工程测试虚拟仪器设计实验
一、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。
二、LabVIEW简介
1、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的编译器编译生成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。
2、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。
3、LabVIEW软件启动：
当双击LabVIEW图标启动软件时，将出现图1所示的启动画面。
在图1所示的LabVIEW主对话框中有七个选项，LabVIEW软件包内容分别包含在这七个选项中。 （1）、New VI
New VI是LabVIEW提供给用户创建/设计虚拟仪器的工作环境。一个VI有两个部分组成：一个前面板(Panel)和一个流程图（Diagram）（或称后面板），如图2（a）、(b)所示。前面板的功能等效于传统测试仪器的前面板；流程图的功能等效于传统测试仪器与前面板相联系的硬件电路。
（a）前面板
（b）流程图 图2 虚拟波形显示仪
因此，设计一个虚拟仪器是在两个窗口中进行。第一个是前面板开发窗口，其标志是“Untitled1”，所有虚拟仪器前面板的设计都是在这个窗口中进行并完成；第二个是流程图编辑窗口，标志是“Untitled1 Diagram”。 （a）、Panel（前面板）及其开发窗口
在选择了“New VI”后出现的前面板开发窗口中，包含主菜单栏（File,Edit,Operate,Project ,Windows,Help）和快捷工具栏。
设计制作虚拟仪器前面板，就是用Tools（工具）模板（见图3所示）中相应的工具去取用Controls（控制）模板（见图4所示）上的有关控件，摆放到窗口的适当位置来组成虚拟仪器前面板。
图3 工具模板 图4 控制模板
（b）、Diagram（流程图）及其编辑窗口
流程图是图形化的源代码，是VI测试功能软件的图形化表述。虚拟仪器是由软件编程实现测试功能的，软件编程分为两种：一种是基于传统的文本式编程方式；另一种是图形化编程方式。LabVIEW就是采用图形化编程方式。在流程图编辑窗口，选用Tools（工具）模板中相应的工具去取Functions（功能）模板（见图5所示）上的有关图标来设计制作虚拟仪器流程图，以完成虚拟仪器的设计工作。
（c）、取用控件和模板的各种方法（见软件“帮助”有关内容） （d）、主菜单栏及快捷工具栏（见软件“帮助”有关内容）
图5 功能模板
三、虚拟仪器设计入门
（一）、工具模板(Tools Palette)使用练习 （二）、控制模板(Controls Palette)使用练习 （三）、功能模板(Functions Palette)使用练习 （四）、创建VI 练习
使用LabVIEW开发平台创建虚拟仪器就是编制图形化程序，该图形化程序是虚拟仪器程序，简称VI。
* 虚拟仪器程序VI有两部分组成：前面办程序与流程图程序（详见相关内容）。 * 虚拟仪器程序VI的设计步骤：
1、在前面板设计窗口设置控件，并创建“流程图”中的端口。 2、在流程图编辑窗口放置节点、图框，并创建前面板控件。 3、数据流编程。 4、运行检验。
5、数据观察。 6、命名存盘。 * 程序调试步骤： 1、找出语法错误。 2、慢速跟踪程序的运行。 3、断点与单步执行。 4、设置探针。
* 简单VI创建：
虚拟正弦波显示器设计练习：
１、功能描述
用Waveform Graph 控件记录一个正弦波序列。
２、设计提示
端口的生成有两种方式，任选一种，具体方法参见有关内容。本例采用从前面板
放置控件的方式。 主要设计步骤如下： （1）、前面板设计。 * 放置图形控件1。
执行Controls>>Graph>>Waveform Graph操作。
图形控件为输出显示型控件，选“Waveform Graph”控件。
* 放置数字控件2。
执行Controls>>Numeric>>Knob操作。
数字空间为输入控制型控件，用来设置显示器的横坐标，即采样间隔。 （2）、流程图编辑。
* 打开流程图编辑窗口“Diagram”。
与前面板图形控件对应的端口应出现在流程图编辑窗口中。 * 放置正弦信号图表。 正弦信号图表的调用路径：
执行Functions>>Numeric>>Trigonometric>>Sine操作。 * 放置For Loop循环结构。
执行Functions>>Structure>>For Loop操作。 * 连线。 （3）、存文件。 （4）、运行程序。
四、虚拟仪器设计范例
1、虚拟信号发生器
2、虚拟频谱分析仪
3、采样定理
五、虚拟仪器设计要求
1、设计虚拟n!阶乘运算器
2、设计虚拟示波器（显示正弦信号时域波形）
实验三 传感器性能标定实验
1、 金属箔式应变片――单臂电桥性能实验
一、实验目的：了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。 二、基本原理：电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻
应变效应，描述电阻应变效应的关系式为： ΔR／R＝Kε式中ΔR／R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数,ε=Δl/l为电阻丝长度相对变化，金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转换被测部位受力状态变化 、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。，对单臂电桥输出电压 Uo1= EKε/4。
三、需用器件与单元：应变式传感器实验模板、应变式传感器－电子秤、砝码、数显表、
±15V电源、±4V电源、万用表（自备）。
四、实验步骤：
1、根据图（1－1）应变式传感器（电子秤）已装于应变传感器模板上。传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。加热丝也接于模板上，可用万用表进行测量判别，R1＝R2＝R3＝R4＝350Ω，加热丝阻值为50Ω左右
图1－1 应变式传感器安装示意图
2、接入模板电源±15V（从主控台引入）
，检查无误后，合上主控台电源开关，将实验
模板调节增益电位器RW3顺时针调节大致到中间位置，再进行差动放大器调零，方法为将差放的正负输入端与地短接，输出端与主控台面板上数显表输入端Vi相连，调节实验模板上调零电位器RW4，使数显表显示为零（数显表的切换开关打到2V档）。关闭主控箱电源（注意：当Rw3、Rw4的位置一旦确定，就不能改变。一直到做完实验三为止）。
3、将应变式传感器的其中一个电阻应变片R1（即模板左上方的R1）接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥（R5、R6、R7模块内已接好），接好电桥调零电位器RW1，接上桥路电源±4V（从主控台引入）如图1－2所示。检查接线无误后，合上主控台电源开关。调节RW1，使数显表显示为零。
图1－2应变式传感器单臂电桥实验接线图
4、在电子称上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g（或500 g）砝码加完。记下实验结果填入表1－1，关闭电源。
5、根据表1－1计算系统灵敏度S＝ΔU/ΔW（ΔU输出电压变化量，ΔW重量变化量）和非线性误差δf1=Δm/yF..S ×100％式中Δm为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差：yF·S满量程输出平均值，此处为200g（或500g）。
五、思考题：
单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：（1）正（受拉）应变片（2）负（受压）应变片（3）正、负应变片均可以。
2、 电涡流位移传感器性能实验
一、实验目的：了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。
二、基本原理：通过高频电流的线圈产生磁场，当有导电体接近时，因导电体涡流效应产生
涡流损耗，而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。 三、需用器件与单元：电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、直流电源、数显单元、测
微头、铁圆片。
四、 实验步骤：
1、根据图2－1安装电涡流传感器。
图8－1电涡流传感器安装示意图
图2-1 电涡流传感器安装示意图
图2－2电涡流传感器位移实验接线图
2、观察传感器结构，这是一个平绕线圈。
3、将电涡流传感器输出线接入实验模板上标有L的两端插孔中，作为振荡器的一个元件。 4、在测微头端部装上铁质金属圆片，作为电涡流传感器的被测体。
5、将实验模板输出端Vo与数显单元输入端Vi相接。数显表量程切换开关选择电压20V档。。
6、用连结导线从主控台接入15V直流电源接到模板上标有＋15V的插孔中。
7、使测微头与传感器线圈端部接触，开启主控箱电源开关，记下数显表读数，然后每隔0.2mm读一个数，直到输出几乎不变为止。将结果列入表2－1。 表2－1电涡流传感器位移X与输出电压数据
8、根据表2－1数据，画出V－X曲线，根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的最佳工作点，试计算量程为1mm、3 mm及5mm时的灵敏度和线性度（可以用端基法或其它拟合直线）。
五、 思考题：
1、电涡流传感器的量程与哪些因素有关，如果需要测量±5mm的量程应如何设计传感器？ 2、用电涡流传感器进行非接触位移测量时，如何根据量程选用传感器。
3、 传感器动态性能标定实验
一、 实验目的
1、 了解电涡流位移传感器和压电加速度传感器的结构、工作原理及其应用。 2、 熟悉电涡流位移传感器和压电加速度传感器灵敏度标定所用仪器。
3、 掌握电涡流位移传感器和压电加速度传感器动态灵敏度标定的校准台法，了解其他的标
定方法。
二、 实验原理
（一）、压电加速度传感器灵敏度标定
1、灵敏度
压电加速度传感器的灵敏度有两种表示方法：当它与电荷放大器配合使用时，用电荷灵敏
Sq=
度Sq表示。即：
Q
(PC/msa
2
)
与电压放大器配合使用时用电压灵敏度Sv表示。即： 式中 Q------压电传感器输出电荷（PC）；
Sv=
Ua
(mV/ms2)a
Ua-----压电传感器的开路电压（mV）； a-------被测加速度（ms-2）。
因为Ua=Q/(Ca+Cc)，所以有：Sq= Sv(Ca+Cc)。其中：Ca为传感器自身电容；Cc为电缆电容。
2、压电加速度传感器灵敏度的标定方法
实验室常用的标定方法一般有校准台法、比较法和互易法三种。
（1）、校准台法 加速传感器校准台是一个能产生一定频率和一定加速度峰值的振动台。例如，本实验中所使用的“JX-3B型振动传感器校准仪”，其内部可产生频率为10Hz—1280Hz、加速度峰值为2.5m/s2—100m/s2(传感器重量[100g)的标准正弦加速度信号。其电路原理框图如图1所示。将被标定的加速度传感器直接安装在振动系统的台面上，使其承受峰值为10m/s2加速度的振动，根据前置放大器的输出电压值便可确定传感器的灵敏度值。这种标定方法的标定精度为62%。注意电荷放大器是先将加速度传感器输出的电荷量转换成电压量，然后再经放大输出。确定传感器的电荷灵敏度时，要考虑放大器的增益。
驱动线圈
（2）、比较法 此方法是取一个经过计量部门标定过的加速度传感器和前置放大器作为基准，与需求校准的加速度传感器作对比试验，确定被标定传感器的灵敏度。标定时，将被标定传感器与基准传感器按背靠背的方式装在同一轴线上，承受同样的振动。分别测量出被标定传感器与基准传感器的输出振动量，然后折算出被标定传感器的灵敏度。
（3）、互易法 此法不是通过直接测量振动量来确定灵敏度，而是应用互易原理，采用测
量其他电量的方法求得灵敏度。一般情况下可以用两个同类型的加速度传感器进行互易，也可以用加速度传感器与振动台内部的速度线圈进行互易。这种方法的标定精度可达到0.5%。
（二）、电涡流位移传感器灵敏度标定
电涡流位移传感器实质上是一个扁平状线圈，它与电容组成并联谐振回路，如图2所示。其谐振频率为
ω0=
1
L1C
0 图2 并联谐振回路
在测量以前，传感器远离被测导体，线圈中通以一定频率的交变电流I，此时回路阻抗最大。当线圈与导体间距离x改变时，由线圈与电容组成的并联谐振回路的阻抗会改变，回路输出电压随之变化，电压V0与距离x存在一定关系，即V0=h(x)，如图3 所示。由输出电压的大小便可测得距离x的量值。
X
V0
图3 并联谐振回路输出电压与距离之间的关系
电涡流位移传感器的灵敏度值Sv可按下式求得：
V0
Sv=(mv/μm)
x
（三）、传感器和测量系统的动态特性标定
传感器和测量系统的动态特性标定的目的是确定传感器和测量系统的频率使用范围、误差和相位特性。通过幅频特性可确定测量系统的频响和幅值误差，通过相频特性可确定测量系统的输入和输出之间的相位差。本实验主要测量幅频特性。
当振动台的振幅恒定，改变其振动频率，测量出被标定传感器相应于各频率下的输出量。以频率比f/fn（振动台的激励频率和传感器固有频率之比）为横坐标，以幅值比Ai/A0（被标定传感器的输出值与振动台输入信号幅值之比）为纵坐标，即可得幅频特性曲线。幅频特性
1ζ=1
2
阻尼比 。
1Am
曲线的平直部分即为理想的动态范围。从幅频特性曲线上读取峰值Am，由下式求得传感器的
求传感器的固有频率fn以下两种情况：当标定位移传感器时，传感器的固有频率远小于振动频率，这时位移传感器的固有频率为：
fn=f频率为：
2ζ2
当标定加速度传感器时，传感器的固有频率远大于振动频率，这时加速度传感器的固有
fn=
fζ2
三、 实验装置
1、JX-3 型振动传感器校准仪 一台 2、DHF-3型电荷放大器 一台 3、双踪示波器 一台 4、85745 系列前置器 一台 5、YD-1型压电式传感器 一个 6、电涡流位移传感器 一个 7、数字万用表 一个
四、 实验内容及步骤
（一）、YD-1型压电式加速度传感器灵敏度标定
1、 将加速度传感器用M5螺丝头固定在校准仪振动台面上。 注意：安装传感器时应使用传感器固定扳手，以防损坏校准仪振动台弹簧。
2、 将被标定的加速度传感器与电荷放大器的输入端连接；将电荷放大器的输出端与数字万用表的交流电压输入端连接，输入电压一般应小于2V。实验仪器连接框图如图4所示。
注意：电荷放大器的设置请参考DHF-3型电荷放大器的使用说明。
速度计
图4 加速度传感器灵敏度标定实验仪器框图
3、 将“频率选择”开关置于“80Hz”。在标定传感器时，一般应将频率定在“80Hz”。 4、 将“功能选择”开关置于“加速度”位置。
5、 将“增益调节”电位器调至最小；然后将电源开关置于“开”。
6、 调节“增益调节” 电位器，使校准台振动加速度输出幅值为10(m/s2)。此时显示窗示值为：10.0。
7、 用示波器观察电荷放大器输出电压的波形，应为不失真的正弦波；同时，用数字万用表的交流电压挡测量电荷放大器的输出电压。
8、 根据电荷放大器输出电压的实测值和电荷放大器在输入加速度为10(m/s2)时的标准输出电压值，即可计算出被测传感器的标定误差。
误差=
标准值-实测值
标准值
⨯100%
注意：标准值是由电荷放大器设置所决定的输出电压的理想值。当输入加速度为10m/s2时，电荷放大器的理想输出电压值应为1V（峰值），则数字万用表上的理想电压值读数应为707.00mV（有效值）。亦即理想电压灵敏度应该为SV理=10mV/ms-2， 若传感器总电容值为800PF时，理想电荷灵敏度为：
SQ理=8.00PC/ms-2。
9、 加速度传感器实际电荷灵敏度标定值为：
SQ实=
P⨯B÷a
(PC/ms-2)A
式中：P----电荷放大器输出电压峰值(mV)；
B----电荷放大器灵敏度设定旋纽设定值（PC/ms-2）； a-----校准台振动加速度输出幅值（取a=10m/s2）； A----电荷放大器输出增益值（mV/Unit）。
（二）、电涡流位移传感器的动态灵敏度标定
1）、将测试台面①、电涡流传感器固定支架②、传感器固定套③及电涡流传 感器④依次固定在校准仪控制面板上（见图6所示）。
图6 电涡流传感器动态标定安装图
2）、将电涡流传感器、前置器、示波器及数字万用表正确连接（见图7所示）。
图7 电涡流传感器动态标定系统框图
3）、将前置器电源接线端子与-24V电源正确连接。 4）、将“频率选择”开关置于“80Hz”。 5）、将“功能选择”开关置于“位移”位置。
6）、将“增益调节”电位器调至最小；电源开关置于“开”。 7）、将传感器的间隙电压调至8.5V（直流）左右。
8）、根据被测传感器的满量程值，调节“增益调节”电位器，使校准仪的振动位移输出幅值为一适当值。此时，显示窗显示为位移的峰峰值，如100μm。
9）、用数字万用表测量前置器的输出交流电压；用示波器监视输出电压波形。 根据数字万用的电压读数（实测值），可得传感器的标定灵敏度SF-F(mV/μm)。
电涡流位移传感器标定灵敏度相对误差为：
误差=
标准值实测值
×100%
标准值
式中：标准值----传感器标称灵敏度（一般为8mV/μm）。
（三）、传感器及测量系统动态特性标定
标定加速度传感器及测量系统的动态特性。 1、 完成加速度传感器灵敏度标定步骤1、2。 2、 将“功能选择”开关置于“加速度”位置。
3、 将“增益调节”电位器调至最小；然后将电源开关置于“开”。
4、 将“频率选择”开关分别依次置于“40Hz”、“80Hz”、“160Hz”、“320Hz”和“640Hz”位置，相应的在各个频率下，调节“增益调节” 电位器，使校准台振动加速度输出幅值保持为10(m/s2)。
5、 用数字万用表交流电压挡测量电荷放大器的输出电压。
6、 根据电荷放大器输出电压的实测值和相应的校准台振动频率之间的一一对应关系，即可得出加速度传感器及测量系统的幅频动态响应曲线。
五、 实验报告要求
1、 加速度传感器灵敏度标定实验数据列于下表：
表1 加速度传感器灵敏度标定实验数据
2、 电涡流位移传感器灵敏度标定实验数据列于下表：
1）、动态标定实验数据
表2 电涡流位移传感器动态标定实验数据
3、
测量系统动态特性标定实验数据
表2传感器及测量系统动态特性标定实验数据
根据表中数据画出幅频响应曲线图。纵坐标采用对数坐标。
4、分析影响加速度传感器和位移传感器灵敏度标定误差的主要因素；提出提高传感器灵敏度精度的主要措施。 5、写出本次实验的体会。
附录：（有关仪器使用指南）
DHF-3型电荷放大器使用步骤及方法：
1、 按照实验要求连接好电荷放大器，接通电源（220V，50Hz）。
2、 开机检查：在开机、关机及开关换挡时，允许零点有暂时跳动（过载指标灯可能暂时发亮），然后自动复零（过载指标灯熄灭）。
3、 灵敏度适调开关位置选择：按电荷灵敏度SQ选择适调开关位置。例如YD-1型加速度计适调开关位置置于8.00 PC/ms-2位置。
4、 增益开关位置选择：因输出电压最大为 10V（峰值），则旋纽上所标四挡可测之最大加速度分别为：
如果被测加速度约为3000 m/s2，则增益开关应选用在1 mv/unit档位置。在其它档位会产生过载使信号失真或输出小于1V现象。如果被测加速度约为几十个m/s2时，则增益开关应选用在100 mv/unit档位置。
5、 滤波开关位置选择：低通滤波器开关位置选择根据具体情况决定，原则是保证有用信号通
过，滤除高频干扰信号。
6、 加速度、速度、位移开关选择：根据具体测量状态决定选择“加速度”、“ 速度”和“位
移”不同的测量档位。
实验四 动态测量信号调理实验
1、 压电式传感器测振动实验
一、实验目的：了解压电传感器的测量振动的原理和方法。
二、基本原理：压电式传感器由惯性质量块和受压的压电片等组成。（观察实验用压电加
速度计结构）工作时传感器感受与试件相同频率的振动，质量块便有正比于加速度的交变力作用在晶片上，由于压电效应，压电晶片上产生正比于运动加速度的表面电荷。 三、需用器件与单元：振动台、压电传感器、检波、移相、低通滤波器模板、压电式传
感器实验模板。双踪示波器。
四、 实验步骤：
1、压电传感器已装在振动台面上。
2、将低频振荡器信号接入到台面三源板振动源的激励源插孔。
图1 压电式传感器性能实验接线图
3、将压电传感器输出两端插入到压电传感器实验模板两输入端，见图1，与传感器外壳相连的接线端接地，另一端接R1。将压电传感器实验模板电路输出端Vo1，接R6。将压电传感器实验模板电路输出端V02，接入低通滤波器输入端Vi，低通滤波器输出V0与示波器相连。
4、合上主控箱电源开关，调节低频振荡器的频率和幅度旋钮使振动台振动，观察示波器波形。
5、改变低频振荡器的频率，观察输出波形变化。
6、用示波器的两个通道同时观察低通滤波器输入端和输出端波形。
2、电涡流传感器测量振动实验
一、实验目的：了解电涡流传感器测量振动的原理与方法。
二、基本原理：根据电涡流传感器位移特性，根据被测材料选择合适的工作点即可测量振幅。 三、需用器件与单元：主机箱、电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、振动源、低通滤波器、示波器。 四、实验步骤：
1、根据图 1 安装电涡流传感器(逆时针转出压紧螺母，装上传感器安装支架再顺时针 转动压紧螺母)并接线。
图 1 电涡流传感器振动测量安装、接线示意图
2、将主机箱中的低频振荡器幅度旋钮逆时针转到底(低频输出幅度为零)；检查接线无误后，合上主控箱电源开关，调节转动源中的传感器升降杆(松开锁紧螺钉，粗调升降杆再细调调节螺母)，使主机箱中的电压表显示为实验二十中铝材料的特性曲线的线性中点位置时的电压值(这时传感器端面与被测体振动台面之间的安装距离为线形区域的大致中点位置)，拧紧锁紧螺钉。
3、顺时针慢慢调节低频振荡器幅度旋钮，使低频振荡器输出的电压峰峰值为 2Ｖ(用示波器监测)；再调节低频振荡器振荡频率(用频率表监测)为 3～25Hz 之间变化，频率每增加2Hz 记录低通滤波器输出端 Vo 的值(用示波器监测)并画出Ｆ—Vo特性曲线。由曲线估算振动台的谐振频率(Vo 最大时对应频率)。实验完毕，关闭电源。
五、思考题：
1、能否用本系统数显表头，显示振动？还需要添加什么单元，如何实行？
2、当振动台振动频率一定时(如 12Hz)，调节低频振荡器幅值可以改变振动台振动幅度，
如何利用电涡流传感器测量振动台的振动幅度?
3、 光电转速传感器的转速测量实验
一、实验目的：掌握光电转速传感器测量转速的原理及方法。
二、基本原理：光电式转速传感器有反射型和透射型二种，本实验装置是透射型的(光电断续器)，传感器端部二内侧分别装有发光管和光电管，发光管发出的光源透过转盘上通孔后由光电管接收转换成电信号，由于转盘上有均匀间隔的 6 个孔，转动时将获得与转速有关的脉冲数，将脉冲计数处理即可得到转速值。
三、需用器件与单元：主机箱、转动源 、光电转速传感器-光电断续器(已装在转动源上)。
四、实验步骤：
1、将主机箱中的转速调节 0～24V 旋钮旋到最小(逆时针旋到底)并接上电压表；再按图1所示接线，将主机箱中频率／转速表的切换开关切换到转速处。
图 1 光电传感器测速实验
2、检查接线无误后，合上主机箱电源开关，在小于 12V 范围内(电压表监测)调节主机 箱的转速调节电源(调节电压改变电机电枢电压)，观察电机转动及转速表的显示情况。
3、从 2V 开始记录每增加 1V 相应电机转速的数据(待转速表显示比较稳定后读取数据)； 画出电机的 V-ｎ(电机电枢电压与电机转速的关系)特性曲线。实验完毕，关闭电源。
五、思考题：
分析光电传感器侧转速的特点。
4、 交流全桥的振动测量实验
一、实验目的：了解利用交流电桥测量动态应变参数的原理与方法。
二、基本原理：对于交流应变信号用交流电桥测量时，桥路输出的波形为一调制波，不能直接显示其应变值，只有通过移相检波和滤波电路后才能得到变化的应变信号，此信号可以从示波器或用交流电压表读得。
三、需用器件与单元：音频振荡器、低频振荡器、万用表、应变式传感器实验模板、相敏
检波器模板、双综示波器、振动源。
四、实验步骤：
1、模块上的传感器不用，改为振动梁的应变片，即台面上的应变输出。
2、将台面三源板上的应变插座用连接线插入应变传感器实验模板上。因振动梁上的四片应变片已组成全桥，引出线为四芯线，因此可直接接入实验模板面上已联成电桥的四个插孔上。接线时应注意连接线上每个插头的意义，对角线的阻值为350Ω，若二组对角线阻值均为350Ω则接法正确（万用表测量）
3、根据图1，接好交流电桥调平衡电路及系统，R8、Rw1、C、Rw2为交流电桥调平衡网络。检查接线无误后，合上主控台电源开关，将音频振荡器的频率调节到1KHz左右，幅度调节到10Vp-p（频率可用数显表Fin监测，幅度用示波器监测）
4、将低频振荡器输出接入振动台激励源插孔，调低频输出幅度和频率使振动台（圆盘）明显感到振动。
图1应变片振动测量实验接线图
5、固定低频振荡器幅度钮旋位置不变，低频输出端接入数显单元的Fin，把数显表的切换开关打到频率档监测低频频率，调低频频率，用示波器读出频率改变时低通滤波器输出Vo的电压峰－峰值，填入下表。
从实验数据得振动梁的自振频率为 HZ。
五、思考题：
1、在交流电桥测量中，对音频振荡器频率和被测梁振动频率之间有什么要求？
2、请归纳直流电桥和交流电桥的特点？
附移相器和相敏检波器电路原理图：
图2 移相器电路原理图
图3 相敏检波器的电路原理图