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)dtT∫T/22T/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=2πT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)dtT1∫T/21kω0t=(ejkω0t+ejkω0t) cos21jkω0tkω0t=(e+ejkω0t) sin2所以，两种形式的频谱存在如下关系。即：
cm= 复数谱ck=ak2∧jbk;
共轭幅频谱ck=
ck= 幅频谱ak+jbk; 212ak+bk2； 2 相频谱φk=arctg(bk); ak 还把其中的ak(?)和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
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，?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
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
Tk?0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k?0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