測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、實(shí)驗(yàn)一 波形的成與分解一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、加深了解信號(hào)分析手段之一的傅里葉變換的基本思想和物理意義。2、觀察和分析由多個(gè)頻率、幅值和相位成一定關(guān)系的正弦波疊加的合成波形。3、觀察和分析頻率、幅值相同，相位角不同的正弦波疊加的合成波形。4. 通過(guò)本實(shí)驗(yàn)熟悉信號(hào)合成、分解的操作方法，了解信號(hào)頻譜的含義。二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果由傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式，用一個(gè)頻率為100hz、幅值為600正弦波的前五項(xiàng)諧波近似合成方波、三角波鋸齒波、正弦整流波：圖1.1方波圖1.2鋸齒波圖1.3三角波圖1.4正弦整流波實(shí)驗(yàn)二 典型信號(hào)的頻譜分析1、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，通過(guò)本實(shí)驗(yàn)熟悉典型信號(hào)的頻譜特征，并能夠從信號(hào)頻譜中讀

2、取所需的信息。2、 了解信號(hào)頻譜的基本原理和方法，掌握用頻譜分析提取測(cè)量信號(hào)特征的方法。2、 實(shí)驗(yàn)原理頻譜分析可用于識(shí)別信號(hào)中的周期分量，是信號(hào)分析中最常用的一種手段。信號(hào)頻譜分析是采用傅里葉變換將時(shí)域信號(hào)x(t)變換為頻域信號(hào)X(f)，從而幫助人們從另一個(gè)角度來(lái)了解信號(hào)的特征。工程上習(xí)慣將計(jì)算結(jié)果用圖形方式表示，以頻率f為橫坐標(biāo)，X(f)的實(shí)部a(f)和虛部b(f)為縱坐標(biāo)畫圖，稱為時(shí)頻虛頻譜圖；以頻率f為橫坐標(biāo)，X(f)的幅值A(chǔ)(f)和相位(f)為縱坐標(biāo)畫圖，則稱為幅值相位譜；以f為橫坐標(biāo)，A(f)2為縱坐標(biāo)畫圖，則稱為功率譜。頻譜是構(gòu)成信號(hào)的各頻率分量的集合，它完整地表示了信號(hào)的頻率結(jié)構(gòu)

3、，即信號(hào)由哪些諧波組成，各諧波分量的幅值大小及初始相位，揭示了信號(hào)的頻率信息。3、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖2.1 白噪聲信號(hào)幅值頻譜特性圖2.2 正弦波信號(hào)幅值頻譜特性圖2.3 方波信號(hào)幅值頻譜特性圖2.4 三角波信號(hào)幅值頻譜特性圖2.5 正弦波信號(hào)+白噪聲信號(hào)幅值頻譜特性4、 思考題1、 與波形分析相比，頻譜分析的主要優(yōu)點(diǎn)是什么？因?yàn)樾盘?hào)頻譜代表了信號(hào)在不同頻率分量成分的大小，能夠提供比時(shí)域信號(hào)波形反應(yīng)更直觀，豐富的信息。2、為何白噪聲信號(hào)對(duì)信號(hào)的波形干擾很大，但對(duì)信號(hào)的頻譜影響很??？我們了解白噪聲是指在較寬的頻率范圍內(nèi)，各等帶寬的頻帶所含的噪聲能量相等的噪聲。由于在時(shí)域上，白噪聲是完全隨機(jī)的信號(hào)，疊加

4、到波形上會(huì)把信號(hào)的波形完全攪亂，所以對(duì)信號(hào)的波形干擾很大。但在整個(gè)頻帶上，白噪聲均勻分布，所以從頻譜上看，只是把有用信號(hào)的頻譜抬高了一點(diǎn)而已。5、 工程案例分析頻譜分析可用于識(shí)別信號(hào)中的周期分量，是信號(hào)分析中最常用的一種手段。例如，在機(jī)床齒輪箱故障診斷中，可以通過(guò)測(cè)量齒輪箱上的振動(dòng)信號(hào)，進(jìn)行頻譜分析，確定最大頻率分量，然后根據(jù)機(jī)床轉(zhuǎn)速和傳動(dòng)鏈，找出故障齒輪。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖所示：圖2.6 大型空氣壓縮機(jī)傳動(dòng)裝置故障診斷圖分析：由該系統(tǒng)通過(guò)所得到的頻譜圖可知，分析齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)各軸的嚙合情況，該頻譜圖由四種頻率的簡(jiǎn)諧波疊加而成，分別反映了四對(duì)齒輪嚙合處的振動(dòng)情況。由頻譜圖可知，因?yàn)樵诘谌S處波動(dòng)最大，

5、顯示在第三根軸不穩(wěn)定，所以可以判斷第三根軸處發(fā)生故障。實(shí)驗(yàn)三 一階系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性參數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆沼秒A躍信號(hào)測(cè)量一階系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的原理，掌握從系統(tǒng)響應(yīng)信號(hào)中測(cè)量系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)的方法。二、實(shí)驗(yàn)原理對(duì)溫度計(jì)、低通濾波器、或忽略質(zhì)量的彈簧阻尼系統(tǒng)，系統(tǒng)的輸入Xi(t)和輸出X0(t)可等效為一階測(cè)試系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)輸入為單位階躍時(shí)，相應(yīng)的微分方程為： 一階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：式中，T為一階系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)。 傳感器敏感元件的響應(yīng)輸出滯后于物理量的變化，帶來(lái)誤差。這個(gè)誤差可以用一階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)常數(shù)T來(lái)表示，T越小，系統(tǒng)響應(yīng)越快。系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)常數(shù)可以通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)在單位階躍信號(hào)輸入下的響應(yīng)信號(hào)來(lái)完成

6、。對(duì)一階系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，對(duì)系統(tǒng)輸入階躍信號(hào)，測(cè)得系統(tǒng)的響應(yīng)信號(hào)。取系統(tǒng)輸出值達(dá)到最終穩(wěn)態(tài)值的63%所經(jīng)過(guò)的時(shí)間作為時(shí)間常數(shù)。如下圖所示：一階系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)計(jì)算3、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖所示：圖3.1 T=0.1s,階躍信號(hào)激勵(lì)圖3.2 T=0.5s,階躍信號(hào)激勵(lì)圖3.3 T=1s,階躍信號(hào)激勵(lì)圖3.4 T=0.1s,斜坡信號(hào)激勵(lì)圖3.5 T=0.5s,斜坡信號(hào)激勵(lì)圖3.6 T=1s,斜坡信號(hào)激勵(lì)圖3.7 T=0.1s,脈沖信號(hào)激勵(lì)圖3.8 T=0.5s,脈沖信號(hào)激勵(lì)圖3.9 T=1s,脈沖信號(hào)激勵(lì)實(shí)驗(yàn)四 二階系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性參數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?#160;掌握用脈沖信號(hào)或階躍信號(hào)測(cè)

7、量二階系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的原理，掌握從系統(tǒng)響應(yīng)信號(hào)中測(cè)量系統(tǒng)阻尼系數(shù)和固有頻率的方法。二、實(shí)驗(yàn)原理對(duì)機(jī)械式千分表、電感式傳感器、壓電式傳感器等測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)的輸入Xi(t)和輸出X0（t)可等效為二階測(cè)試系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)輸入為單位階躍時(shí)，相應(yīng)的微分方程為：二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：式中：。對(duì)二階系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，給系統(tǒng)輸入脈沖信號(hào)或階躍信號(hào)，測(cè)得系統(tǒng)的響應(yīng)信號(hào)。取系統(tǒng)響應(yīng)信號(hào)一個(gè)振蕩周期的時(shí)間tb，可近似計(jì)算出系統(tǒng)的固有頻率：取系統(tǒng)響應(yīng)信號(hào)相鄰兩個(gè)振蕩周期的過(guò)調(diào)量M和M1，可近似計(jì)算出系統(tǒng)的阻尼系數(shù)：如下圖所示：對(duì)系統(tǒng)輸入輸出取傅立葉變換，求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)曲線，也可從傳遞函數(shù)曲線上讀出系統(tǒng)的阻尼和固有頻率參數(shù)。3、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖4.1 阻尼比為0.02，固有頻率為50，階躍圖4.2 阻尼比為0.02，固有頻率為200，階躍圖4.3 阻尼比為0.8，固有頻率為50，階躍圖4.4 阻尼比為0.8，固有頻率為200，階躍圖4.5 阻尼比為0.02，固有頻率為50，斜坡圖4.6 阻尼比為0.02，固有頻率為200，斜坡圖4.7 阻尼比為0.8，固有頻率為50，斜坡圖4.8 阻尼比為0.8，固有頻率為200，斜坡圖4.9 阻尼比為0.02，固有頻率為50，脈沖圖4.10 阻尼比為0.02，固有