工程测试技术实验

测试技术实验报告

指导教师：汪菲

专业：机械工程

姓名：姜海松

学号：2015201106

实验小组：第一组

实验时间：2016年6月24日

测试技术实验报告

——振动信号的采集及处理

一、实验目的

1.了解电涡流传感器的工作原理。

2.熟悉数据采集的过程及硬件的连接顺序。

3.运用Labview软件变成采集振动幅值信号，并利用MATLAB工具对数据进行处理。

4.掌握李沙育图形法的原理，并根据此估计所测振动的频率。

二、实验仪器及相关参数

实验仪器：洗衣机，电涡流传感器，各设备供电电源，计算机，NI数据采集卡。

相应硬件参数：

（1）电涡流传感器：编号：ST-2-U-08-00-15-2008502

电源电压：±15v

被测材料：45钢

测量范围：2mm

变换器输出：0-5v

灵敏度：2.5mv/um

绝对误差：2%（满量程）

（2）NI数据采集卡型号：NI9205，其详细规格如下表1所示：

产品NI9205

通道数32个单瑞或16个差分模拟输入通道

ADC分辨率16位

输入耦合DC

额定输入量程±10V，±5V,±1V，±0.2V 超量程最小值（量成为10v时）4%

模拟输入的最大工作电压每通道需保持在±10.4

输入偏置电流±100pA

模拟带宽370KHz

CMPR100dB

过压保护±30V

表1.NI数据采集卡9205详细规格

三、实验原理

（一）电涡流传感器的工作原理

电涡流传感器是一种相对式非接触式传感器，它通过传感器端部与被测物体之间的距离变化来测量物体的振动位移或幅值，本实验用电涡流传感器测量洗衣机滚筒的振动。

它是根据电磁场原理，在趋近传感器线圈中通入高频电流后，线圈周围会产生高频磁场，

该磁场穿过靠近它的转轴表面时，会在其中感应产生一个电涡流；这个变化的电涡流又会在它的周围产生一个电涡流磁场，其方向和原线圈磁场的方向相反，这个磁场叠加将改变原线圈的阻抗：线圈阻抗在导磁率、励磁电流强度、频率等参数不变时，可把阻抗看作是探头到金属表面见习的单值函数，即二者之间成比例关系；设置一测量变换电路，将阻抗的变化转换成电压或电流，通过显示仪器反映出间隙的变化，从而得到轴振动位移，其原理图如图1所示。

图1电涡流传感器的原理

（二）数据采集卡的功能

数据采集卡，用于IEPE传感器高精度和频率测量，并且结合了加速计的集成电路压电式（IEPE）信号调理功能，广泛用于振动噪声信号的测量过程中。数据采集器/掌上电脑具有中央处理器（CPU），只读存储器（ROM）、可读写存储器（RAM）、键盘、屏幕显示器与计算机接口，条码扫描器，电源等配置，手持终端可通过通讯与计算机相连用于接受或上传数据，手持终端的运行程序是由计算机编制后下载到手持终端中，可按照要求完成相应的功能。

图2数据采集卡

四、实验步骤

（一）采集程序的设计

用Labview软件编写了一个两通道的采集程序，程序设计流程如下：

1.插入DAQ采集模块，连接采集卡，设置两个通道、每个通道根据具体的传感器设置灵敏度、采样频率、采样点数等。

2.添加写入测量文件，并与DAQ相应接口连接，把所测信号数据存入指定路径。（Labview 的写入文件默认为txt文本）。

3.对采集到的数据进行拆分

1）第一通道显示信号的时域波形以及经过FFT变换的频谱图；

2）第二通道显示信号的时域波形以及自功率谱图。

4.整个过程加While循环，设置停止按钮，并加时间延迟，以减小计算机的CPU使用。

5.插入“系统选项卡”空间，把每个通道的时域波形和频域图放在一个选项内，以便观察。采集程序如图2所示：

图2（a）采集程序前面板

图2（b）采集程序框图

（二）硬件连接

本实验采用电涡流传感器进行洗衣机外壳振动幅值的测量。

首先将电涡流传感器固定在洗衣机外壳附近，使其端部和洗衣机距离在传感器的测量范

围之内，即距离小于等于2mm。然后把电涡流传感器连接在数据采集模块上，并将其通过变换器再与电脑连接，从而把数据存入计算机中。硬件连接如图3所示：

图3硬件连接图

（三）数据采集

硬件连接好后，启动程序进行数据采样，得到采集数据并把波形图表显示于面板上。

图4数据采集程序面板（无滤波）图

五、数据处理及结论

1.取采集到的数据，采样频率为1KHz，数据点为12000，用Matlab 对信号进行时域，频率

PC

LabVIEW 程序

数据采集卡电涡流传感器洗衣机外

壳

USB

电源模块

振幅和功率谱分析，得到时域波形、频谱图及功率谱图如图5所示。

图5信号的时域波形图、频谱图及功率谱图

由自功率谱图可以看出，采集到的信号在1.8Hz 处峰值较大，且旁峰较小，因此初步判定采集到的信号的频率为1.8Hz.其程序如下：clear all fs=1000;

fid =fopen('C:\Users\jhs\Desktop\firstgroup.txt');%时域信号

[x,N]=fscanf(fid,'%f');fclose(fid);n=0:N-1;t=n/fs;

subplot(221)

plot(t,x)

%时域图

xlabel('时间（s ）');ylabel('幅值');

title('洗衣机振动信号时域图');grid;

y=fft(x,N);%fft 运算Y=abs(y);

f=(0:N-1)*fs/N;subplot(222)

plot(f(1:N/8),Y(1:N/8)*2/N);%输出N/2点频域幅值谱图xlabel('频率(Hz)');ylabel('幅值');

title('洗衣机振动信号频域幅值谱');

时间（s ）

幅值

洗衣机振动信号时域图

频率(Hz)

幅值

洗衣机振动信号频域幅值谱

-3

频率(Hz)

幅值

频率(Hz)

幅值

grid;

pyy=xcorr(x);

Pyy=abs((fft(pyy)))/N^2;%做功率谱

LPyy=20*log10(Pyy);f=(0:N-1)*fs/(2*N-1);subplot(223)

plot(f(1:N/4),Pyy(1:N/4));%输出N/2点功率谱图

xlabel('频率(Hz)');ylabel('幅值');

title('洗衣机振动信号功率谱图');grid;

subplot(224)

plot(f,LPyy(1:N));%输出N/2点取对数后功率谱图

xlabel('频率(Hz)');ylabel('幅值');

title('洗衣机振动信号取对数后功率谱图');grid;

2.用李沙育图形法估计所测信号频率

已知频率的信号为x 轴输入信号，以上采集的信号为y 轴输入信号，运用MATLAB 画出李沙育图如图6所示。

图6李沙育图

clear all fs=2000;

fid=fopen('C:\Users\jhs\Desktop\firstgroup.txt ');

-0.2

-0.15-0.1-0.0500.050.10.15

[x,N]=fscanf(fid,'%f');

fclose(fid);

n=0:N-1;

t=n/fs;

f0=9.5;

y=sin(2*pi*f0*t+0);

subplot(221)

plot(t,y)

subplot(222)

plot(t,x)

subplot(223)

plot(x,y)

六、实验总结

通过本实验，可以定性的知道，研究对象洗衣机主要振动发生在低频区域，在1.8Hz左右，在洗衣机开启和启动过程中振动的幅值较大，甚至是大幅度的晃动。实测信号噪声干扰比较强烈并且频率值并不唯一，所以所得图形并不规范。由李沙育图形列表2可知振动信号中频率约为1.8hz，相位与正弦信号相差45度左右。通过本次实验，我初步了解了运用LabVIEW进行数据采集以及运用MATLAB进行数据处理的流程和方法，知道了涡流传感器以及数据采集卡的构造和使用方法。

表2李萨如图

七思考题

1．前置器是如何产生高频振荡电压的？振荡频率主要是由哪些元件决定的？传感器到前置器之间的电缆为2米，如增长1米，会有什么影响？

涡流传感器线圈中通有高频电流，产生了高频交变磁场。当导电金属接近线圈时，交变磁场在板的表面层产生感应电流即涡流。涡流又产生一个反方向的磁场，从而减弱了线圈的原磁场，也就改变了原线圈的自感L、阻抗Z及Q值。线圈上述参数的变化在其他条件不变的情况下仅是线圈与金属板之间的距离的单值函数。实验中采用了线圈自感L的调频电路，即把线圈作为谐振回路的一个电感元件。当线圈与金属板的距离h发生变化时,线圈自感L发生变化,谐振回路的频率f发生变化。再用鉴频器将频率变化转换为高频振荡电压输出。谐振频率主要由涡流传感器中线圈的自感L和电容C决定。前置器的结构如下图所示。大概可以分为两级：左边框内（包括传感器）是一个三点式振荡电路，是产生高频振荡的核心部分，而右边框内电路是一个源极跟随器。

高频振荡电压由三点式振荡电路产生，通过一个微小的扰动，放大形成高频振荡电路。振荡的频率取决于振荡电路的电容C和电感L。

其中，L和C均包含电缆和传感器的电感和电容。

电缆不考虑其电感，但与大地之间形成一定的电容，如果增长电缆这一电容将会增大，使得振荡频率减小。

2．前置器到电源之间及到调频输出之间共用一根单芯电缆，其上传输着几种信号？

它们是怎样分离开的？线路中L1、L2、Cl、C2起什么作用？采用单芯电缆有什么好处？

这条单芯电缆既作为调频输出线又作为电源线因此传输着两种信号：一种是通过源极跟随器输出的高频振荡信号，另一种是电源提供给两级电路的直流偏置信号。

L1的作用是阻止高频振荡信号流入两个三极管的集电极干扰其正常工作L2则用于防止交流信号干扰损坏电源。C1、C2用于传输交流信号、阻断直流信号将源级跟随器的信号输出。

3．传感器与金属板之间加入纸、塑料、油和脂等物，对频率输出有无影响？可以试一下）为什么？加入金属板是否也无影响？

传感器与金属板之间加入纸、塑料、油和脂等物，改变介质的导磁率，但影响很小它们基本不会影响磁场分布，不会影响感应电流，对频率输出无影响。加入金属板

影响了磁场分布，从而影响感应电流，影响了线圈自感L。

4．由所得数据绘制出曲线，分析不同测试对象的材质对涡流传感器使用上有何影响？（铝材质与45#钢材质在范围及灵敏度上有何不同。）

铝的电导率比铁的要小相应的电阻也比较小因此产生的涡流比较大。这样铝板测量的灵敏度就要比铁板高。从图线中也可以看出,铝板曲线的斜率更大一些说明其更灵敏。由实验数据可知,铁板传感器的灵敏度大于钢板灵敏度。钢板电涡流传感器的测距范围是是0~0.9cm,此处灵敏度为%2kHz/mm。铝板电涡流传感器的测距范围是

0~0.9cm,此处灵敏度为1.5kHz/mm。测量范围都在1cm以内。

5．实验中所用传感器的可测量范围为多少毫米？一般的涡流传感器的测量范围是多少？

钢板电涡流传感器的测距范围是0~0.9cm，此处灵敏度为2kHz/mm。铝板电涡流%0A 传感器的测距范围是0~0.9cm,此处灵敏度为1.5kHz/mm。一般涡流传感器测量范围可达0到3cm。

测试技术实验报告

指导教师：汪菲

专业：机械工程

姓名：姜海松

学号：2015201106

实验小组：第一组

实验时间：2016年6月24日

测试技术实验报告

——波形分解、合成不失真条件研究

一、实验目的

1.了解分解、合成非正弦周期信号的物理过程。

2.观察合成某一确定的周期信号时，所必须保持的合理的频率结构，正确的幅值比例和初始相位关系。

二、实验原理

对某一个非正弦周期信号x(t)，若其周期为T 、频率为f ，则可以分解为无穷项谐波之和。即

01001

2()sin(

)sin(2)

n n n n n n n

x t a A t T

a A nf t π?π?∞

=∞

==++=++∑∑ 上式表明，各次谐波的频率分别是基波频率f 0的整数倍。如果f(t)是一个锯齿波，其

波形如图1所示，其数学表达式为：

(), 02()()E E

x t t t T T x t nT x t =

-≤≤+=-E/2

E/2

-T

T

t

x(t)图1

对f(t)进行谐波分析可知

00, , 2n n E

a A n

φππ==

=所以

101002()sin(

)2 sin(2)21 {sin(2)sin[2(2)]...}

22

n n E n

x t t n T

E

nf t n E f t f t πππππππππππ∞

=∞

==+=+=++++∑

∑

即锯齿波可以分解成为基波的一次、二次???n 次???无数项谐波之和，其幅值分别为基波幅值的

1n ，且各次谐波之间初始相角差为零（基波幅值为2E

π

）。反过来，用上述这些谐波可以合成为一个锯齿波。

同理，只要选择符合要求的不同频率成份和相应的幅值比例及相位关系的谐波，便可近似地合成相应的方波、三角波等非正弦周期波形。

三、实验内容及操作步骤

1合成方波

周期方波信号x(t)在一个周期中的表达式为：

1, 02

() 1, 02

T t x t T t ?--<

?<

所示

图2方波波形

傅立叶级数为：4

, 1,3,5...

0, b , 0(1,3,5...)

0, 2,4,6...

n n n n a n n n φπ?=?====??=?展开成傅里叶级数表达式为：

411

()(sin sin 3sin 5...)35

x t t t t π=

+++①观察基波与三次谐波幅值分别为1、1/3，相位差为零时的合成波波形，如图3所示。

Matlab 程序为x=0:4*pi/100:4*pi;>>y1=sin(x);>>y2=sin(3*x)/3;

>>plot(x,y1,x,y2,x,y1+y2);>>grid on;

图3基波、3次谐波及合成波形

②再分别将5次、7次、9次…谐波叠加进去，观察并记录合成波的波形，找出合成波的形状与谐波次数之间有何关系

1）将5次谐波叠加进去，如图4所示

Matlab程序

x=0:4*pi/100:4*pi;

>>y1=sin(x);

>>y2=sin(3*x)/3;

>>y3=sin(5*x)/5;

>>plot(x,y1,x,y2,x,y3,x,y1+y2+y3);

>>grid on;

图4基波、3次谐波、5次谐波及合成波形2）将7次谐波叠加进去，如图5所示

程序类似

图5基波、3次谐波、5次谐波、7次谐波及合成波形

3）将9次谐波叠加进去，如图6所示

图6基波、3次谐波、5次谐波、7次谐波、9次谐波及合成波形

总结：

a随着叠加谐波次数的增加，合成的谐波的次数越多，合成的波形与方波越接近；方波失真越小，而方波的失真主要体现在波峰波谷处。

b合成波幅值接近于方波的幅值，且在方波幅值上下波动

c方波与基波具有相同的零点

③分别改变3次、5次谐波与基波间的相角，研究谐波间相角改变对合成波形的影响，并记录波形。

1）3次谐波相角分别改变60度，90度，120度，180度，270度330度，

改变60度的程序

x=0:4*pi/100:4*pi;

>>y1=sin(x);

>>y2=sin(3*x-pi/3)/3;

>>plot(x,y1,x,y2,x,y1+y2);

>>grid on其余类似

如图8所示

图8改变3次谐波相角

2）5次谐波相角分别改变60度、90度，120度，180度270度330度，如图9所示

图9改变5次谐波相角

分析：

(1)改变谐波的相角，合成波形出现了失真，在0~180°失真逐渐加大，180°到达极致，之

后又逐渐减少。

(2)改变三次谐波的相角对合成波形的影响比改变五次谐波相角要大，依次推断，改变低次谐波的相角对合成波形的影响比改变高次谐波相角更大。

④分别改变3次、5次谐波与基波间的幅值比例关系，研究谐波间幅值比例改变对合成波形的影响，并记录波形。

1）改变3次谐波幅值与基波幅值比分别为1：8、1：1，

程序：x=0:4*pi/100:4*pi;

y1=sin(x);

y2=sin(x*3)/3;

y3=sin(x*5)/5;

y4=sin(x*3);

y5=sin(x*3)/8;

plot(x,y1+y2+y3,x,y1+y4+y3,x,y1+y5+y3);

grid on

如图10所示

图10改变3次谐波与基波间幅值比

2）改变5次谐波幅值与基波幅值比分别为1：8、1：1，如图11所示

图11改变5次谐波与基波间幅值比

分析：

(1)改变谐波幅值，波形出现了失真，且幅值改变越大，对方比合成影响越大(2)不同级次的谐波幅值改变相同的比例，级次越低，方波失真越小

2合成锯齿波

锯齿波信号x(t)在一个周期中的表达式为：

波形如图13所示：

图13锯齿波波形

展开成傅里叶级数表达式为：001()sin()sin(2)...22A x t t t ωπωππ??

=-

++++????

①观察基波与2次、3次谐波，幅值满足傅立叶级数表达式，相位差为零时的合成波波形，