工程测试实验指导书 实验一 典型信号频谱分析 一. 实验目的 1. 在理论学习的基础上，通过本实验熟悉典型信号的波形和频谱特征，并能够从信号频谱中读取所需的信息。 2. 了解信号频谱分析的基本方法及仪器设备。 二. 实验原理 1. 典型信号及其频谱分析的作用 ????正弦波、方波、三角波和白噪声信号是实际工程测试中常见的典型信号，这些信号时域、频域之间的关系很明确，并且都具有一定的特性，通过对这些典型信号的频谱进行分析，对掌握信号的特性，熟悉信号的分析方法大有益处，并且这些典型信号也可以作为实际工程信号分析时的参照资料。本次实验利用DRVI快速可重组虚拟仪器平台可以很方便的对上述典型信号作频谱分析。 2. 频谱分析的方法及设备 ????信号的频谱可分为幅值谱、相位谱、功率谱、对数谱等等。对信号作频谱分析的设备主要是频谱分析仪，它把信号按数学关系作为频率的函数显示出来，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为基础，实现信号的时-频关系转换分析。 ????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。 ????信号频谱分析是采用傅立叶变换将时域信号x(t)变换为频域信号X(f)，从而帮助人们从另一个角度来了解信号的特征。时域信号x(t)的傅氏变换为：  ????式中X(f)为信号的频域表示，x(t)为信号的时域表示，f为频率。 3. 周期信号的频谱分析 ????周期信号是经过一定时间可以重复出现的信号，满足条件： ????x ( t ) = x ( t + nT ) ????从数学分析已知，任何周期函数在满足狄利克利（Dirichlet）条件下，可以展开成正交函数线性组合的无穷级数，如正交函数集是三角函数集（sinnω0t,cosnω0t）或复指数函数集（ ），则可展开成为傅里叶级数，通常有实数形式表达式：  ????直流分量幅值为：  ????各余弦分量幅值为：  ????各正弦分量幅值为：  ????利用三角函数的和差化积公式，周期信号的三角函数展开式还可写如下形式：  ????直流分量幅值为： A0 = a0 ????各频率分量幅值为： ????各频率分量的相位为： ????式中，T-周期，T=2π/ω0；ω0-基波圆频率；f0-基波频率；n=0,±1, ……。为信号的傅立叶系数，表示信号在频率fn处的成分大小。 ????工程上习惯将计算结果用图形方式表示，以fn为横坐标， 为纵坐标画图，则称为时频－虚频谱图；以fn为横坐标， 为纵坐标画图，则称为幅值－相位谱；以fn为横坐标，An2为纵坐标画图，则称为功率谱，如图1.1所示。  图1.1 周期信号的频谱表示方法 ????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。 4. 非周期信号的频谱分析 ????非周期信号是在时间上不会重复出现的信号，一般为时域有限信号，具有收敛可积条件，其能量为有限值。这种信号的频域分析手段是傅立叶变换。其表达式为：  ????与周期信号相似，非周期信号也可以分解为许多不同频率分量的谐波和，所不同的是，由于非周期信号的周期 ，基频 ，它包含了从零到无穷大的所有频率分量，各频率分量的幅值为，这是无穷小量，所以频谱不能再用幅值表示，而必须用幅值密度函数描述。 ????非周期信号x(t)的傅立叶变换X(f)是复数，所以有：  ????式中|X(f)|为信号在频率f处的幅值谱密度，为信号在频率f处的相位差。 ????工程上习惯将计算结果用图形方式表示，以f为横坐标，Re[X(f)]、Im[X(f)]为纵坐标画图，则称为时频－虚频密度谱图；以f为横坐标，|X(f)|、为纵坐标画图，则称为幅值－相位密度谱；以f为横坐标，|X(f)|2为纵坐标画图，则称为功率密度谱，如图1.2所示。  图1.2 非周期信号的频谱表示方法 ????与周期信号不同的是，非周期信号的谱线出现在0,fmax的各连续频率值上，这种频谱称为连续谱。 5. 频谱分析的应用 ????频谱分析主要用于识别信号中的周期分量，是信号分析中最常用的一种手段。例如，在机床齿轮箱故障诊断中，可以通过测量齿轮箱上的振动信号，进行频谱分析，确定最大频率分量，然后根据机床转速和传动链，找出故障齿轮。再例如，在螺旋浆设计中，可以通过频谱分析确定螺旋浆的固有频率和临界转速，确定螺旋浆转速工作范围。 ????本实验利用在DRVI上搭建的频谱分析仪来对信号进行频谱分析。由虚拟信号发生器产生多种典型波形的电压信号，用频谱分析芯片对该信号进行频谱分析，得到信号的频谱特性数据。分析结果用图形在计算机上显示出来，也可通过打印机打印出来。 三. 实验仪器和设备 1. 计算机 ?????????????????????n台 2. DRVI快速可重组虚拟仪器平台 ??1套 3. 打印机 ?????????????????????1台 四. 实验步骤及内容 1. 启动服务器，运行DRVI主程序，开启DRVI数据采集仪电源，然后点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的"DRVI采集仪主卡检测"进行服务器和数据采集仪之间的注册。联机注册成功后，分别从DRVI工具栏和快捷工具条中启动"DRVI微型Web服务器"和"内置的Web服务器"，开始监听8500和8600端口。 2. 打开客户端计算机，启动计算机上的DRVI客户端程序，然后点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的"DRVI局域网服务器检测"，在弹出的对话框中输入服务器IP地址（例如：192.168.0.1），点击"发送"按钮，进行客户端和服务器之间的认证，认证完毕后即可正常运行客户端所有功能。 3. 在DRVI软件平台的地址信息栏中输入如下信息"http://服务器IP地址:8600/gccslab/index.htm"，打开WEB版实验指导书，在实验目录中选择"典型信号频谱分析"实验，根据实验原理和要求搭建一个典型信号频谱分析实验。 4. 该实验首先需要设计一个典型信号发生器，来产生白噪声、正弦波、方波、扫频信号等各种典型信号，DRVI中提供了一个"数字信号发生器"芯片可以直接生成上述信号，可以用一片"多联开关"芯片与之联动来控制"数字信号发生器"芯片的输出信号类型；对于整个实验的启动，用一片"开/关按钮"芯片来进行控制；为计算信号幅值谱，选择一片"频谱计算"芯片；为计算信号的强度，选择一片"时域参数计算"芯片；另外选择二片"波形/频谱显示"芯片，用于显示信号的波形和频谱；选择一片"方型仪表"芯片，用于显示信号的有效值；为实现频谱的放大、展宽等操作，插入一片"波形/频谱曲线操作"芯片；最后根据连接这些芯片所需的数组型数据线数量，插入4片"内存条"芯片，扩展4条数组型数据线，用于存储动态数据；再加上一些文字显示芯片和装饰芯片，就可以搭建出一个典型信号的频谱分析实验。所需的虚拟仪器软件芯片数量、种类、与软件总线之间的信号流动和连接关系如图1.3所示，根据实验原理设计图在DRVI软面包板上插入上述软件芯片，然后修改其芯片属性窗中相应的连线参数就可以完成该实验的设计和搭建过程。  图1.3 典型信号频谱分析实验原理设计图 5. 例如，从软件芯片列表中依次插入四片"软内存条"芯片，其对应的软件芯片编号分别为6000，6001，6002，6003，然后插入"多联开关"芯片、"数字信号发生器"芯片和"开关"芯片，利用"移动工具"在软面包板上完成软件芯片的布局。然后在"数字信号发生器"芯片上用鼠标右键点击，在弹出的芯片属性对话框中修改"波形存储芯片号"为6000，将其与数组型数据总线6000即"软内存条"芯片6000连接；修改"类型线号"为2将其与多联开关连接，控制信号的输出类型；修改"开关线号"为1，将其与"开关"芯片连接，由"开关"芯片来控制信号发生器的启/停；其它参数无需修改，即可完成本实验中"数字信号发生器"芯片的设置过程，如图1.4所示。相应的，设置"开关"芯片中的"开关线号"为1；"多联开关"芯片中的"开关线号"为2 （与"数字信号发生器"类型线号相联），"开关数量"为10（如图1.5所示），完成这组软件芯片的设置过程。其它软件芯片的设置可参照以上芯片设置方法及实验原理设计图完成。  图1.4 "数字信号发生器"芯片参数设置样列 ???????????图1.5 "多联开关"芯片参数设置样列 6. 也可以直接点击附录中"实验脚本文件"的链接，将本实验的脚本文件贴入并运行，实验截屏效果图如图1.6所示。  图1.6 典型信号频谱分析实验 7. 点击DRVI"典型信号频谱分析"实验中的"白噪声"按钮，产生白噪声信号，分析和观察白噪声信号波形和幅值谱特性。 8. 点击DRVI"典型信号频谱分析"实验中的"正弦波"按钮，产生正弦波信号，分析和观察正弦波信号波形和幅值谱特性。 9. 点击DRVI"典型信号频谱分析"实验中的"方波"按钮，产生方波信号，分析和观察方波信号波形和幅值谱特性。 10. 点击DRVI"典型信号频谱分析"实验中的"三角波"按钮，产生三角波信号，分析和观察三角波信号波形和幅值谱特性。 11. 其余依此类推，分析和观察信号波形和幅值谱特性。 五. 实验报告要求 1. 简述实验目的和原理。 2. 整理该实验的设计原理图。 3. 按实验步骤整理出正弦波、方波、三角波、白噪声以及叠加波形的时域和幅值谱特性图形，说明各信号频谱的特点。 4. 将分析结果与理论分析进行对照，说明实际分析结果与理论分析之间的差异，并简要分析产生误差的原因。 六. 思考题 1. 为何白噪声信号对信号的波形干扰很大，但对信号的频谱影响很小。 2. 在DRVI快速可重组平台上面搭建一"频谱分析仪"需要采用那些软件芯片，它们相互之间的关系怎样，用什么方式来表达？ 实验二 典型信号相关分析 一. 实验目的 1. 在理论学习的基础上，通过本实验加深对相关分析概念、性质、作用的理解。 2. 掌握用相关分析法测量信号中周期成分的方法。 二. 实验原理 1.相关的基本概念 ????相关是指客观事物变化量之间的相依关系，在统计学中是用相关系数来描述两个变量x，y之间的相关性的，即：  ????式中ρxy是两个随机变量波动量之积的数学期望，称之为协方差或相关性，表征了x、y之间的关联程度；σx、σy分别为随机变量x、y的均方差，是随机变量波动量平方的数学期望。 2.相关函数 ????如果所研究的随机变量x, y是与时间有关的函数，即x(t)与y(t)，这时可以引入一个与时间τ有关的量ρxy(τ)，称为相关系数，并有：  ????式中假定x(t)、y(t)是不含直流分量(信号均值为零)的能量信号。分母部分是一个常量，分子部分是时移τ的函数，反映了二个信号在时移中的相关性，称为相关函数。因此相关函数定义为： 或  ????如果 x(t)=y(t)，则称 为自相关函数，即：  ????若 x(t)与y(t)为功率信号，则其相关函数为：   ????计算时，令x(t)、y(t)二个信号之间产生时差τ，再相乘和积分，就可以得到τ时刻二个信号的相关性。连续变化参数τ，就可以得到x(t)、y(t)的相关函数曲线。 ????相关函数描述了两个信号或一个信号自身波形不同时刻的相关性（或相似程度），揭示了信号波形的结构特性，通过相关分析我们可以发现信号中许多有规律的东西。相关分析作为信号的时域分析方法之一，为工程应用提供了重要信息，特别是对于在噪声背景下提取有用信息，更显示了它的实际应用价值。 三. 实验仪器和设备 1. 计算机 ?????????????????????n台 2. DRVI快速可重组虚拟仪器平台 ??1套 3. 打印机 ?????????????????????1台 四. 实验步骤及内容 1. 启动服务器，运行DRVI主程序，开启DRVI数据采集仪电源，然后点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的"DRVI采集仪主卡检测"进行服务器和数据采集仪之间的注册。联机注册成功后，分别从DRVI工具栏和快捷工具条中启动"DRVI微型Web服务器"和"内置的Web服务器"，开始监听8500和8600端口。 2. 打开客户端计算机，启动计算机上的DRVI客户端程序，然后点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的"DRVI局域网服务器检测"，在弹出的对话框中输入服务器IP地址（例如：192.168.0.1），点击"发送"按钮，进行客户端和服务器之间的认证，认证完毕后即可正常运行客户端所有功能。 3. 在DRVI软件平台的地址信息栏中输入如下信息"http://服务器IP地址:8600/gccslab/index.htm"，打开WEB版实验指导书，在实验目录中选择"典型信号相关分析"实验，根据实验原理和要求搭建一个典型信号相关分析实验。 4. 该实验首先需要设计两个典型信号发生器，来分别产生两个通道的白噪声、正弦波、方波、扫频信号等各种典型信号，DRVI中提供了一个"数字信号发生器"芯片可以直接生成上述信号，另外用两片"多联开关"芯片分别与之联动来控制"数字信号发生器"芯片的输出信号类型；对于整个实验的启动，用一片"开关"芯片来进行控制；为进行信号相关分析计算，选择一片"相关系数计算"芯片 ；另外选择三片"波形/频谱显示"芯片，用于显示信号的时域波形和相关系数的计算结果；最后根据连接这些芯片所需的数组型数据线数量，插入3片"内存条"芯片，扩展3条数组型数据线；再加上一些文字显示芯片和装饰芯片，就可以搭建出一个典型信号的相关分析实验。所需的软件芯片数量、种类、与软件总线之间的信号流动和连接关系如图2.1所示，根据实验原理设计图在DRVI软面包板上插入上述软件芯片，然后修改其属性窗中相应的连线参数就可以完成该实验的设计和搭建过程。  图2.1 典型信号相关分析实验原理设计图 5. 例如，从软件芯片列表中依次插入三片"软内存条"芯片，其对应的软件芯片编号分别为6000，6001，6002，然后插入"多联开关"芯片、"数字信号发生器"芯片、"开关"芯片和"相关系数计算"等等芯片，利用"移动工具"在软面包板上完成软件芯片的布局。"开关"芯片、"多联开关"芯片、"数字信号发生器"芯片的设置可参照"实验二"和"实验原理设计图"进行，然后在"相关系数计算"芯片上用鼠标右键点击，在弹出的芯片属性对话框中修改"输入数组1"为6000将其与数组型数据总线6000即"软内存条"芯片6000连接；修改"输入数组2"为6001，将其与"软内存条"芯片6001连接；修改"输出数组"为6002，将其与"软内存条"芯片6002连接；即可完成本实验中"相关系数计算"芯片的设置过程，如图2.2所示。其它软件芯片的设置可参照"实验原理设计图"完成。  图2.2 "相关系数计算"芯片参数设置样例 6. 也可以点击附录中"该实验脚本文"的链接，将本实验的脚本文件贴入并启动该实验。实验效果图如图2.3所示。  图2.3 典型信号相关分析实验 7. 点击DRVI"典型信号相关分析"实验中的通道1的"白噪声"按钮，产生白噪声信号，然后点击通道2的"白噪声"、"正弦波"、"方波"、"三角波"等按钮，分析和观察上述波形与"白噪声"信号进行相关分析后的结果。 8. 点击DRVI"典型信号相关分析"实验中的通道1的"正弦波"按钮，产生正弦波信号，然后点击通道2的"白噪声"、"正弦波"、"方波"、"三角波"等按钮，分析和观察上述波形与"正弦波"信号进行相关分析后的结果。 9. 点击DRVI"典型信号相关分析"实验中的通道1的"方波"按钮，产生方波信号，然后点击通道2的"白噪声"、"正弦波"、"方波"、"三角波"等按钮，分析和观察上述波形与"方波"信号进行相关分析后的结果。 10. 其它信号的相关分析参照以上步骤进行。 五. 实验报告要求 1. 简述实验目的和原理。 2. 按实验步骤附上相应的信号分析曲线，总结实验得出的主要结论。 六. 思考题 1. 如何用相关分析法测量信号中的周期成分。 2. 如何在噪声背景下提取有用信息。 实验三 频率混叠和采样定理 一. 实验目的 1. 熟悉信号采样过程，并通过本实验观察欠采样时信号频谱的混迭现象。 2. 了解采样前后信号频谱的变化，加深对采样定理的理解，掌握采样频率的确定方法。 二. 实验原理 ????模拟信号经过 A/D 变换转换为数字信号的过程称之为采样，信号采样后其频谱产生了周期延拓，每隔一个采样频率ωs，重复出现一次。 ????1. 频混现象 ????频混现象又称为频谱混叠效应，它是由于采样信号频谱发生变化，而出现高、低频成分发生混淆的一种现象，如图3.1所示。信号x(t)的傅里叶变换为X(ω)，其频带范围为-ωm—+ωm；采样信号x(t)的傅里叶变换是一个周期谱图，其周期为ωs，并且：ωs=2π／Ts ????Ts为时域采样周期．当采样周期Ts较小时，ωs＞2ωm，周期谱图相互分离如图3.1中（b）所示；当Ts较大时，ωs＜2ωm，周期谱图相互重叠，即谱图之间高频与低频部分发生重叠，如图3.1中(c)所示，此即为频混现象，这将使信号复原时丢失原始信号中的高频信息。  图3.1 采样信号的频混现象 ????下面从时域信号波形来看这种情况。图3.2(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。  图3.2 发生频混现象的时域信号波形 ????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。 ????2. 采样定理 ????上述情况表明，如果ωs＞2ωm，就不发生频混现象，因此对采样脉冲序列的间隔Ts须加以限制，即采样频率ωs（2π／Ts）或 fs(1／Ts)必须大于或等于信号x(t)中的最高频率ωm的两倍，即ωs＞2ωm，或 fs＞2fm。 ????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3到5倍。 三. 实验仪器和设备 1. 计算机 ?????????????????????n台 2. DRVI快速可重组虚拟仪器平台 ??1套 3. 打印机 ?????????????????????1台 四. 实验步骤及内容 1. 启动服务器，运行DRVI主程序，开启DRVI数据采集仪电源，然后点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的"DRVI采集仪主卡检测"进行服务器和数据采集仪之间的注册。联机注册成功后，分别从DRVI工具栏和快捷工具条中启动"DRVI微型Web服务器"和"内置的Web服务器"，开始监听8500和8600端口。 2. 打开客户端计算机，启动计算机上的DRVI客户端程序，然后点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的"DRVI局域网服务器检测"，在弹出的对话框中输入服务器IP地址（例如：192.168.0.1），点击"发送"按钮，进行客户端和服务器之间的认证，认证完毕后即可正常运行客户端所有功能。 3. 在DRVI软件平台的地址信息栏中输入如下信息"http://服务器IP地址:8600/gccslab/index.htm"，打开WEB版实验指导书，在实验目录中选择"频率混叠和采样定理"实验，根据实验原理和要求搭建虚拟仪器分析实验。 4. 该实验首先需要设计一个典型信号发生器，来分别产生白噪声、正弦波、方波和三角波信号，DRVI中提供了一个"数字信号发生器"芯片可以直接生成上述信号，另外用一片"多联开关"芯片与之联动来控制"数字信号发生器"芯片的输出信号类型；对于整个实验的启动，用一片"开关"芯片来进行控制；为了对信号进行选抽，降低信号的采样频率，还需选择一片"重采样"芯片，以及一片"数字调节按钮"芯片来选择抽取率；同时，为了观察重采样前后频谱的变化情况，还应选择两片"频谱计算"芯片来计算信号的频谱；另外选择四片"波形/频谱显示"芯片，用于显示信号的时域波形和频谱的计算结果；最后根据连接这些芯片所需的数组型数据线数量，插入6片"内存条"芯片，用于存储6组数组型数据；再加上一些文字显示芯片和装饰芯片，就可以搭建出一个频率混叠和采样定理实验。所需的软件芯片数量、种类、与软件总线之间的信号流动和连接关系如图3.3所示，根据实验原理设计图在DRVI软面包板上插入上述软件芯片，然后修改其属性窗中相应的连线参数就可以完成该实验的设计和搭建过程。  图3.3 频率混叠和采样定理实验原理设计图 5. 搭建过程示例：从软件芯片列表中依次插入六片"软内存条"芯片，其对应的软件芯片编号分别为6000，6001，6002，6003，6004，6005；然后插入"多联开关"芯片、"数字信号发生器"芯片、"开关"芯片、"数字调节钮"芯片和"重采样"芯片等等芯片，利用"移动工具"在软面包板上完成软件芯片的布局。"开关"芯片、"多联开关"芯片、"数字信号发生器"芯片的设置可参照"实验二"和"实验原理设计图"进行，然后在"重采样"芯片上用鼠标右键点击，在弹出的芯片属性对话框中修改"输入波形存储芯片号"为6000将其与数组型数据总线6000即"软内存条"芯片6000连接；修改"输出波形存储芯片号"为6001，将其与"软内存条"芯片6001连接，即经过重采样处理的数据放置在"软内存芯片"6001中；修改"重采样选抽率线号"为3，将其与"数字调节钮"芯片连接，即可完成本实验中"重采样"芯片的设置过程，如图3.4所示。类似的，"频谱计算"芯片的设置如图3.5所示，特别的，"频谱类型"参数设置为2，表示进行"幅频/相频谱"的计算，具体含义可参见软件芯片的在线帮助说明。其它软件芯片的设置可参照"实验原理设计图"完成。  图3.4 "重采样"芯片参数设置样例?????????????图3.5 "频谱计算"芯片参数设置样例 6. 也可以点击附录中"该实验脚本文件"的链接，将本实验的脚本文件贴入并启动该实验。实验效果图如图3.6所示。  图3.6 频率混叠和采样定理实验 7. 点击实验中的"白噪声"按钮，产生白噪声信号，然后选择不同的采样抽取率，分析和观察信号的时域波形与频谱的变化。 8. 点击实验中的"正弦波"按钮，产生正弦波信号，然后选择不同的采样抽取率，分析和观察信号的时域波形与频谱的变化。 9. 点击实验中的"方波"按钮，产生方波信号，然后选择不同的采样抽取率，分析和观察信号的时域波形与频谱的变化。 10. 点击实验中的"三角波"按钮，产生三角波信号，然后选择不同的采样抽取率，分析和观察信号的时域波形与频谱的变化。 五. 实验报告要求 1. 简述实验目的和原理。 2. 根据实验要求整理该实验的原理设计图。 3. 按实验步骤附上相应的信号波形和频谱曲线，说明采样频率的变化对信号时域和频域特性的影响，总结实验得出的主要结论。 六. 思考题 1. 若信号频率为5000Hz，请问模拟信号采样后的混迭频率是多少Hz？ 2. 为什么在实际测量中采样频率通常要大于信号中最高频率成分的3到5倍？ 实验四 周期信号波形的合成和分解 一. 实验目的 1. 加深了解信号分析手段之一的傅立叶变换的基本思想和物理意义。 2. 观察和分析由多个频率、幅值和相位成一定关系的正弦波叠加的合成波形。 3. 观察和分析频率、幅值相同，相位角不同的正弦波叠加的合成波形。 4. 通过本实验熟悉信号的合成、分解原理，了解信号频谱的含义。 二. 实验原理 ????按富立叶分析的原理，任何周期信号都可以用一组三角函数{sin(2πnf0t),cos(2πnf0t)}的组合表示： 　 x(t)=a0/2 + a1*sin(2πf0t)+b1*cos(2πf0t) + a2*sin(4πf0t)+b2*cos(4πf0t) +........  ????也就是说，我们可以用一组正弦波和余弦波来合成任意形状的周期信号。 ????对于典型的方波，其时域表达式为：  ????根据傅立叶变换，其三角函数展开式为：  ????由此可见，周期方波是由一系列频率成分成谐波关系，幅值成一定比例，相位角为0的正弦波叠加合成的。  图4.1 方波信号的波形、幅值谱和相位谱 ????那么，我们在实验过程中就可以通过设计一组奇次谐波来完成波形的合成和分解过程，达到对课程教学相关内容加深了解的目的。 三. 实验仪器和设备 1. 计算机 ?????????????????????n台 2. DRVI快速可重组虚拟仪器平台 ??1套 3. 打印机 ?????????????????????1台 四. 实验步骤及内容 ????1. 启动服务器，运行DRVI主程序，开启DRVI数据采集仪电源，然后点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的"DRVI采集仪主卡检测"进行服务器和数据采集仪之间的注册。联机注册成功后，分别从DRVI工具栏和快捷工具条中启动"DRVI微型Web服务器"和"内置的Web服务器"，开始监听8500和8600端口。 ????2. 打开客户端计算机，启动计算机上的DRVI客户端程序，然后点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的"DRVI局域网服务器检测"，在弹出的对话框中输入服务器IP地址（例如：192.168.0.1），点击"发送"按钮，进行客户端和服务器之间的认证，认证完毕即可正常运行客户端所有功能。 ????3. 在DRVI软件平台的地址信息栏中输入如下信息"http://服务器IP地址:8600/gccslab/index.htm"，打开WEB版实验指导书，在实验目录中选择"波形合成与分解"实验，根据实验原理和要求搭建虚拟仪器分析实验。 ????4. 该实验由于要产生出各种奇次谐波，所以采用DRVI中提供的VBScript脚本编辑芯片 来设计该实验最为方便。VBScript脚本编辑芯片 提供了对自动化脚本的支持，并在VBScript的基础上扩展了Signal Script脚本语言，便于教师、学生根据需要开发特定的算法和系统。教师和学生可以象编制网页小程序一样用VBScript语言编制小程序，并嵌入到DRVI虚拟仪器平台中运行。其详细使用说明和语法可参见附录。 ????5. 根据实验的要求，需要输入信号的频率、幅值和相位，所以采用三片"数据输入"芯片来完成手工输入上述数值的功能；正弦信号的产生可采用一片"VBScript脚本"芯片，通过编程来获取在25、26和27号数据线上的频率、幅值和相位数值，经过计算后生成，并输出到数组型数据总线6000上，对该芯片可采用一片"按钮"芯片来控制是否运行；波形的合成同样采用一片"按钮"芯片和一片"VBScript脚本"芯片组合进行，后者提供波形合成的算法，将6000和6038上的数据合成后输出到数组型数据总线6038上；波形的分解过程则通过"VBScript脚本"芯片将6038上的数据减去6000上的数据后输出到数组型数据总线6038上；清除功能则是将6038上的数据全部置零后输出；根据以上所需数组型数据总线的数量，插入两片"内存条"芯片来扩展2条数组型数据线，另外选择两片"波形/频谱显示"芯片，用于显示谐波和合成后的波形；再加上一些文字显示芯片和装饰芯片，就可以搭建出该实验。所需的软件芯片数量、种类、与软件总线之间的信号流动和连接关系如图4.2所示，根据实验原理设计图在DRVI软面包板上插入上述软件芯片，然后在"VBScript脚本"芯片中添加VBScript小程序，并修改各芯片属性窗中相应的连线参数就可以完成该实验的设计和搭建过程。  图4.2 波形合成与分解实验原理设计图 ????6. 例如，对于完成谐波生成的"VBScript脚本"芯片 ，其芯片编号为6015，在"产生信号"按钮中修改"O：驱动芯片号"为6015，使其驱动该"VBScript脚本"芯片，其中的脚本为： ????Dim data(2048) ????a=Getline(25) ????b=Getline(26) ????c=Getline(27) ????dt=1.0/5120 ????For K = 0 To 2047 ????????data(k)=b*Sin(2*3.14*a*dt*K+c*3.14/180) ????Next ????SetInterval 6000,dt ????SetArray 6000,2047,data ????对于完成波形合成的"VBScript脚"芯片 ，其芯片编号为6039，在"波形合成"按钮中修改"O：驱动芯片号"为6039，使其驱动该"VBScript脚本"芯片，其中的脚本为： ????Dim data(2048),data1(2048) ????GetArray 6000,2048,data ????GetArray 6038,2048,data1 ????For K = 0 To 2047 ????????data(k)=data(k)+data1(k) ????Next ????dt=1.0/5120 ????SetInterval 6038,dt ????SetArray 6038,2048,data ????对于完成波形分解的"VBScript脚本"芯片 ，其芯片编号为6043，在"波形分解"按钮中修改"O：驱动芯片号"为6043，使其驱动该"VBScript脚本"芯片，其中的脚本为： ????Dim data(2048),data1(2048) ????GetArray 6000,2048,data ????GetArray 6038,2048,data1 ????For K = 0 To 2047 ????????data1(k)=data1(k)-data(k) ????Next ????dt=1.0/5120 ????SetInterval 6038,dt ????SetArray 6038,2048,data1 ????实际实验设计中将以上设置完成后，再将两片"波形/频谱显示"芯片 中的"O：数据存储芯片号"分别修改为"6000"和"6038"，同时添加一些显示和装饰芯片，就可基本完成整个实验的设计过程。 ????7. 也可以点击附录中"该实验脚本文件"的链接，将本实验的脚本文件贴入并运行。实验效果图如图4.3所示。  图4.3 周期信号波形的合成和分解实验 ????8. 在"波形合成与分解"实验中的频率输入框中输入100，幅值输入框中输入600，相位输入框中输入0，然后点击"产生信号"按钮，产生1次谐波，并点击"波形合成"按钮将其叠加到波形输出窗中。 ????9. 然后在频率输入框中输入300，幅值输入框中输入200，相位输入框中输入0，点击"产生信号"按钮，产生3次谐波，并点击"波形合成"按钮将其叠加到波形输出窗中，形成1，3次谐波叠加后的波形。 ????10. 然后在频率输入框中输入500，幅值输入框中输入125，相位输入框中输入0，点击"产生信号"按钮，产生5次谐波，并点击"波形合成"按钮将其叠加到波形输出窗中，形成1，3，5次谐波叠加后的波形。 ????11. 然后在频率输入框中输入700，幅值输入框中输入85.7，相位输入框中输入0，点击"产生信号"按钮，产生7次谐波，并点击"波形合成"按钮将其叠加到波形输出窗中，形成1，3，5，7次谐波叠加后的波形，此时可以观察到叠加后形成的波形已经比较近似于方波了，当然还可以继续叠加下去，比如"频率900"、"幅值66.7"、"相位0"产生9次谐波，然后叠加，如此不断持续进行下去，直到形成一个真正的方波。 ????12. 波形的分解过程则是一个逆向过程，先按以上计算数据产生7次谐波，然后点击"波形分解"按钮，将7次谐波减去；再产生5次谐波，然后点击"波形分解"按钮，将5次谐波减去；再产生3次谐波，然后点?quot;波形分解"按钮，将3次谐波减去，如此完成波形分解过程。 ????13. 最后，再选取相位不同的正弦波叠加，观察其合成波形，看是否能够合成方波。 五. 实验报告要求 1. 简述实验目的及原理。 2. 按实验步骤绘出7次谐波叠加合成的方波波形图。 3. 分别绘出两次相位不同的正弦信号相加的合成波形。 六. 思考题 1. 怎样才能得到一个精确的方波波形？ 2. 相位对波形的叠加合成有何影响？ 3. 设计一个三角波和拍波合成实验，并写出其实验步骤。 实验五 采样信号量化误差分析 一. 实验目的 1. 通过本实验熟悉A/D、D/A变换中的量化误差。 2. 了解A/D、D/A器件位数与量化误差的关系。 二. 实验原理 ????把连续时间信号转换为与其相对应的数字信号的过程称之为模-数（A/D）转换过程，反之则称为数-模（D/A）转换过程，它们是数字信号处理的必要程序．一般在进行A/D转换之前，需要将模拟信号经抗频混滤波器预处理，变成带限信号，再经A/D转换成为数字信号，最后送入数字信号分析仪或数字计算机完成信号处理．如果需要，再由D/A转换器将数字信号转换成模拟信号，去驱动计算机外围执行元件或模拟式显示、记录仪等。 ????A/D转换包括了采样、量化、编码等过程，其工作原理如图5.1所示。  图5.1 信号A/D转换过程 ????1）采样--或称为抽样，是利用采样脉冲序列p(t)，从连续时间信号x(t)中抽取一系列离散样值，使之成为采样信号x（nTs）的过程．n= 0，1…．Tst称为采样间隔，或采样周期，1／Ts = fs 称为采样频率。 ????由于后续的量化过程需要一定的时间τ，对于随时间变化的模拟输入信号，要求瞬时采样值在时间τ内保持不变，这样才能保证转换的正确性和转换精度，这个过程就是采样保持。正是有了采样保持，实际上采样后的信号是阶梯形的连续函数。 ????2）量化--又称幅值量化，把采样信号x（nTs）经过舍入或截尾的方法变为只有有限个有效数字的数，这一过程称为量化。若取信号x（t）可能出现的最大值A，令其分为D个间隔，则每个间隔长度为R=A/D，R称为量化增量或量化步长。当采样信号x（nTs）落在某一小间隔内，经过舍入或截尾方法而变为有限值时，则产生量化误差，如图5.2所示。 ????一般又把量化误差看成是模拟信号作数字处理时的可加噪声，故而又称之为舍入噪声或截尾噪声。量化增量D愈大，则量化误差愈大，量化增量大小，一般取决于计算机A/D卡的位数．例如，8位二进制为28=256，即量化电平R为所测信号最大电压幅值的1／256。  图5.2 信号的6等分量化过程 ????3）编码--将离散幅值经过量化以后变为二进制数字的过程。 ????信号x(t)经过上述变换以后，即变成了时间上离散、幅值上量化的数字信号。 ????本实验采用软件模拟的方法来演示不同等分情况下对数据采集的影响。 三. 实验仪器和设备 ????1. 计算机 ?????????????????????n台 ????2. DRVI快速可重组虚拟仪器平台 ??1套 ????3. 打印机 ?????????????????????1台 四. 实验步骤及内容 ????1. 启动服务器，运行DRVI主程序，开启DRVI数据采集仪电源，然后点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的"DRVI采集仪主卡检测"进行服务器和数据采集仪之间的注册。联机注册成功后，分别从DRVI工具栏和快捷工具条中启动"DRVI微型Web服务器"和"内置的Web服务器"，开始监听8500和8600端口。 ????2. 打开客户端计算机，启动计算机上的DRVI客户端程序，然后点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的"DRVI局域网服务器检测"，在弹出的对话框中输入服务器IP地址（例如：192.168.0.1），点击"发送"按钮，进行客户端和服务器之间的认证，认证完毕即可正常运行客户端所有功能。 ????3. 在DRVI软件平台的地址信息栏中输入如下信息"http://服务器IP地址:8600/gccslab/index.htm"，打开WEB版实验指导书，在实验目录中选择"采样信号量化误差分析"实验，根据实验原理和要求设计该实验。 ????4. 该实验首先需要设计一个正弦信号发生器，来提供原始信号，DRVI中提供了一个"数字信号发生器"芯片，将其中的"信号类型"设置为2就可以产生正弦信号，再用一片"启/停按钮"芯片控制信号是否产生；为计算信号的量化误差，需要添加一片"信号量化误差计算"芯片，同时，为了便于对等分数的选择，使用一片"数字调节按钮"芯片 ，并将其步长设置为2；另外选择二片"波形/频谱显示"芯片，用于显示原始波形和经量化误差芯片处理后的波形；最后根据连接这些芯片所需的数组型数据线数量，插入2片"内存条"芯片，扩展2条数组型数据线，用于存储动态数据；再加上一些文字显示芯片和装饰芯片，就可以完成"采样信号量化误差"实验的设计过程。所需的虚拟仪器软件芯片数量、种类、与软件总线之间的信号流动和连接关系如图5.3所示，根据该原理设计图在DRVI软面包板上插入上述软件芯片，然后修改芯片属性窗中相应的连线参数就可完成该实验的搭建过程。  图5.3 采样信号量化误差实验原理设计图 ????5. 对于"数字调节按钮"芯片，将其最大值设置为64，最小值设置为2，"步长"设置为2即每调节一次数字跳变数为2，"输入线号"设置为2即和"信号量化误差计算"芯片的"满量程等分数线号"的值相同，使得每改变一次"数字调节按钮"的数值，就相应的改变"信号量化误差计算"芯片的等分计算数值，同时，修改"信号量化误差计算"芯片的"输入波形存储芯片号"为6000，"输出波形存储芯片号"为6001，在此特别举例说明设置方法。  图5.4 "数字调节按钮"芯片参数设置样例?????????图5.5 "信号量化误差计算"芯片参数设置样例 ????6. 也可以点击附录中"该实验脚本文件"的链接，在弹出的浏览器窗口中用"全选"功能选择所有脚本信息，然后选?quot;复制"。返回到DRVI的客户端，点击客户端软件快捷工具条中的"粘贴IC资源脚本"图标，将本实验的脚本文件贴入并启动该实验。实验效果图如图5.6所示。  图5.6 采样信号的量化误差实验 ????7. 点击"采样信号量化误差"实验中的"运行"按钮，然后在"等分数"选择框中选择各种不同的等分数，并分析和观察等分数从低到高时量化误差的大小和对信号波形的影响。 五. 实验报告要求 1. 简述实验目的和原理。 2. 根据实验要求整理实验原理设计图。 3. 根据实验中的数据结果分析采样分辨率对信号转换精度的影响。 六. 思考题 1. 常用的A/D转换器件的位数有那几种，以输入的模拟电压的变化范围为-5V—+5V之间，对于几种不同的位数，其分辨率和转换精度分别为多少？ 2. 实际测量中是否A/D转换器件的位数越高越好，如何合理的选择一个A/D转换器件？ 实验六 窗函数及其对信号频谱的影响 一. 实验目的 ????1. 掌握几种典型窗函数的性质、特点，比较几种典型的窗函数对信号频谱的影响。 ????2. 通过实验认识它们在克服 FFT 频谱分析的能量泄漏和栅栏效应误差中的作用，以便在实际工作中能根据具体情况正确选用窗函数 二. 实验原理 ????1. 信号的截断及能量泄漏效应 ????数字信号处理的主要数学工具是博里叶变换．应注意到，傅里叶变换是研究整个时间域和频率域的关系。然而，当运用计算机实现工程测试信号处理时，不可能对无限长的信号进行测量和运算，而是取其有限的时间片段进行分析。做法是从信号中截取一个时间片段，然后用观察的信号时间片段进行周期延拓处理，得到虚拟的无限长的信号，然后就可以对信号进行傅里叶变换、相关分析等数学处理。  图6.1 信号的周期延拓 ????周期延拓后的信号与真实信号是不同的，下面我们就从数学的角度来看这种处理带来的误差情况。设有余弦信号x(t)在时域分布为无限长(- ∞，∞)，当用矩形窗函数w(t)与其相乘时，得到截断信号xT(t) =x(t)w(t)。根据博里叶变换关系，余弦信号的频谱X(ω)是位于ω。处的δ函数，而矩形窗函数w(t)的谱为sinc(ω)函数，按照频域卷积定理，则截断信号xT(t) 的谱XT(ω) 应为：  ????将截断信号的谱XT(ω)与原始信号的谱X(ω)相比较可知，它已不是原来的两条谱线，而是两段振荡的连续谱．这表明原来的信号被截断以后，其频谱发生了畸变，原来集中在f0处的能量被分散到两个较宽的频带中去了，这种现象称之为频谱能量泄漏（Leakage）。 ????信号截断以后产生的能量泄漏现象是必然的，因为窗函数w(t)是一个频带无限的函数，所以即使原信号x(t)是限带宽信号，而在截断以后也必然成为无限带宽的函数，即信号在频域的能量与分布被扩展了。又从采样定理可知，无论采样频率多高，只要信号一经截断，就不可避免地引起混叠，因此信号截断必然导致一些误差，这是信号分析中不容忽视的问题。 ????如果增大截断长度T，即矩形窗口加宽，则窗谱 W(ω)将被压缩变窄（π／T减小）。虽然理论上讲，其频谱范围仍为无限宽，但实际上中心频率以外的频率分量衰减较快，因而泄漏误差将减小。当窗口宽度T趋于无穷大时，则谱窗W(ω)将变为δ(ω)函数，而δ(ω)与X(ω)的卷积仍为X(ω)，这说明，如果窗口无限宽，即不截断，就不存在泄漏误差。  图6.2 信号截断与能量泄露现象 ????为了减少频谱能量泄漏，可采用不同的截取函数对信号进行截断，截断函数称为窗函数，简称为窗。泄漏与窗函数频谱的两侧旁瓣有关，如果两侧瓣的高度趋于零，而使能量相对集中在主瓣，就可以较为接近于真实的频谱，为此，在时间域中可采用不同的窗函数来截断信号。 ????2. 窗函数 ????实际应用的窗函数，可分为以下主要类型： ????a) 幂窗--采用时间变量某种幂次的函数，如矩形、三角形、梯形或其它时间（t）的高次幂； ????b) 三角函数窗--应用三角函数，即正弦或余弦函数等组合成复合函数，例如汉宁窗、海明窗等； ????c) 指数窗--采用指数时间函数，如形式，例如高斯窗等。 ????下面介绍几种常用窗函数的性质和特点。 ????a) 矩形窗 ????矩形窗属于时间变量的零次幂窗，函数形式为: ???????? ????相应的窗谱为： ???????? ????矩形窗使用最多，习惯上不加窗就是使信号通过了矩形窗。这种窗的优点是主瓣比较集中，缺点是旁瓣较高，并有负旁瓣，导致变换中带进了高频干扰和泄漏，甚至出现负谱现象。  图6.3 矩形窗的时域及频域波形 ????b) 三角窗 三角窗亦称费杰（Fejer）窗，是幂窗的一次方形式，其定义为： ???????? 相应的窗谱为： ???????? 三角窗与矩形窗比较，主瓣宽约等于矩形窗的两倍，但旁瓣小，而且无负旁瓣，如图6.4所示。  图6.4 三角窗的时域及频域波形 c) 汉宁（Hanning）窗 ????汉宁窗又称升余弦窗，其时域表达式为： ????????  ????相应的窗谱为： ????????  ????由此式可以看出，汉宁窗可以看作是3个矩形时间窗的频谱之和，或者说是 3个 sine（t）型函数之和，而括号中的两项相对于第一个谱窗向左、右各移动了 π/T，从而使旁瓣互相抵消，消去高频干扰和漏能。可以看出，汉宁窗主瓣加宽并降低，旁瓣则显著减小，从减小泄漏观点出发，汉宁窗优于矩形窗．但汉宁窗主瓣加宽，相当于分析带宽加宽，频率分辨力下降。 ????d) 海明（Hamming）窗 ????海明窗也是余弦窗的一种，又称改进的升余弦窗，其时间函数表达式为： ???????? ????其窗谱为： ???????? ????海明窗与汉宁窗都是余弦窗，只是加权系数不同。海明窗加权的系数能使旁瓣达到更小。分析表明，海明窗的第一旁瓣衰减为一42dB．海明窗的频谱也是由3个矩形时窗的频谱合成，但其旁瓣衰减速度为20dB／（10oct），这比汉宁窗衰减速度慢。海明窗与汉宁窗都是很有用的窗函数。 ????5) 高斯窗 ????高斯窗是一种指数窗。其时域函数为： ???????? ????式中a为常数，决定了函数曲线衰减的快慢。a值如果选取适当，可以使截断点（T为有限值）处的函数值比较小，则截断造成的影响就比较小。高斯窗谱无负的旁瓣，第一旁瓣衰减达一55dB。高斯富谱的主瓣较宽，故而频率分辨力低．高斯窗函数常被用来截断一些非周期信号，如指数衰减信号等。 ????不同的窗函数对信号频谱的影响是不一样的，这主要是因为不同的窗函数，产生泄漏的大小不一样，频率分辨能力也不一样。信号的截断产生了能量泄漏，而用FFT算法计算频谱又产生了栅栏效应，从原理上讲这两种误差都是不能消除的，但是我们可以通过选择不同的窗函数对它们的影响进行抑制。图6.5是几种常用的窗函数的时域和频域波形，其中矩形窗主瓣窄，旁瓣大，频率识别精度最高，幅值识别精度最低；布莱克曼窗主瓣宽，旁瓣小，频率识别精度最低，但幅值识别精度最高。  图6.5 几种常用的窗函数的时域和频域波形 ????对于窗函数的选择，应考虑被分析信号的性质与处理要求。如果仅要求精确读出主瓣频率，而不考虑幅值精度，则可选用主瓣宽度比较窄而便于分辨的矩形窗，例如测量物体的自振频率等；如果分析窄带信号，且有较强的干扰噪声，则应选用旁瓣幅度小的窗函数，如汉宁窗、三角窗等；对于随时间按指数衰减的函数，可采用指数窗来提高信噪比。 三. 实验仪器和设备 1. 计算机 ?????????????????????n台 2. DRVI快速可重组虚拟仪器平台 ??1套 3. 打印机 ?????????????????????1台 四. 实验步骤及内容 1. 启动服务器，运行DRVI主程序，开启DRVI数据采集仪电源，然后点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的"DRVI采集仪主卡检测"进行服务器和数据采集仪之间的注册。联机注册成功后，分别从DRVI工具栏和快捷工具条中启动"DRVI微型Web服务器"和"内置的Web服务器"，开始监听8500和8600端口。 2. 打开客户端计算机，启动计算机上的DRVI客户端程序，然后点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的"DRVI局域网服务器检测"，在弹出的对话框中输入服务器IP地址（例如：192.168.0.1），点击"发送"按钮，进行客户端和服务器之间的认证，认证完毕即可正常运行客户端所有功能。 3. 在DRVI软件平台的地址信息栏中输入如下信息"http://服务器IP地址:8600/gccslab/index.htm"，打开WEB版实验指导书，在实验目录中选择"窗函数及其对信号频谱的影响"实验，根据实验原理和要求设计该实验。 4. 该实验首先需要设计一个一个正弦信号发生器，来提供原始信号，DRVI中提供了一个"数字信号发生器"芯片，将其中的"信号类型"设置为2就可以产生正弦信号，再用一片"启/停按钮"芯片控制信号是否产生；为了产生各种窗函数，还需要插入一片"谱窗函数"芯片，并用一片"多联开关"芯片与之联动来控制窗函数的输出类型；为了能详细观察信号加窗以后对频谱的影响，需要插入一片"频谱细化分析"芯片，来对选定的频率段进行局部放大，对于该芯片的上、下限细化频率，可以插入两片"水平推杆"芯片来调节；同时，为了观察信号加窗前后频谱的对应变化情况，还应插入两片"频谱计算"芯片来计算信号的频谱；另外选择五片"波形/频谱显示"芯片，用于显示以上处理结果；然后根据连接这些芯片所需的数组型数据线数量，插入8片"内存条"芯片，用于存储8组数组型数据；再加上一些文字显示芯片和装饰芯片，就可以搭建出一个"窗函数及其对信号频谱的影响"实验。所需的软件芯片数量、种类、与软件总线之间的信号流动和连接关系如图6.6所示，根据实验原理设计图在DRVI软面包板上插入上述软件芯片，然后修改其属性窗中相应的连线参数就可以完成该实验的设计和搭建过程。  图6.6 窗函数及其对信号频谱的影响原理设计图 5. 对于"谱窗函数"芯片，设定其"输入波形存储芯片号"为6000，"输出波形存储芯片号"为6001，使存储在"软内存芯片"6000中的数据经过加窗处理后放置在"软内存芯片"6001中，至于具体采用何种窗函数，则通过设置"窗谱类型线号"为2来和"多联开关" 联动，通过多联开关来选择具体的窗函数种类，如图6.7所示；对于"频谱细化分析"芯片；设定其"输入波形存储芯片号"为6001，"输出波形存储芯片号"分别为6002和6003，具体观察的频段范围则通过对"细化上、下限频率"的设置来调节，如第4条所述，分别设置其线号为3和4，并与"推杆"芯片的"输出显示线号"相对应，如图6.8所示。由于此两芯片比较特殊，在此特别加以强调说明。  图6.7 "谱窗函数"芯片参数设置样例图????????????6.8 "频率细化分析"芯片参数设置样例 6. 也可以点击附录中"该实验脚本文件"的链接，将本实验的脚本文件贴入并启动该实验。实验效果图如图6.9所示。  图6.9 窗函数及其对信号频谱的影响 7. 点击实验中的"运行"按钮，然后选择矩形窗，分析和观察矩形窗对信号频谱的影响，同时调节上下截止频率，观察其能量泄漏和栅栏效应。 8. 然后分别选择"Hanning窗"、"Hamming窗"、"BlackMan窗"和"平顶窗"，分析和观察这些窗函数对信号频谱的影响，同时调节上下截止频率，观察其能量泄漏和栅栏效应。 五. 实验报告要求 1. 根据实验原理和要求，整理出"窗函数及其对信号频谱的影响"实验的原理设计图。 2. 根据已学知识，整理出典型窗函数时域、频域谱图，并分析各种窗的特性。 3. 根据实验结果，整理出同一信号经不同的窗加权后得到的谱图。 六. 思考题 1. 在信号分析中，加窗除了有减小能量泄漏的好处外，还有什么作用？ 2. 对比几种常用窗函数的时域和频域波形，说明它们各自的优缺点。 3. 为什么在加窗处理过程中，窗的长度要尽量长？ 实验七 信号调制与解调实验 一. 实验目的 1. 通过本实验熟悉信号的幅值调制与解调原理。 2. 了解信号调制与解调过程中波形和频谱的变化，加深对调制与解调的理解。 二. 实验原理 ????在测试技术中，调制是工程测试信号在传输过程中常用的一种调理方法，主要是为了解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。例如，被测物理量，如温度、位移、力等参数，经过传感器交换以后，多为低频缓变的微弱信号，对这样一类信号，直接送入直流放大器或交流放大器放大会遇到困难，因为，采用级间直接耦合式的直流放大器放大，将会受到零点漂移的影响。当漂移信号大小接近或超过被测信号时，经过逐级放大后，被测信号会被零点漂移淹没；为了很好地解决缓变信号的放大问题，信息技术中采用了一种对信号进行调制的方法，即先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去，然后利用交流放大器进行放大，最后再从放大器的输出信号中取出放大了的缓变信号。上述信号传输中的变换过程称为调制与解调。  图7.1 信号的调制和解调过程 ????在信号分析中，信号的截断、窗函数加权等，亦是一种振幅凋制；对于混响信号，所谓由于回声效应引起的信号的叠加、乘积、卷积等，其中乘积即为调幅现象。信号调制的类型，一般正（余）弦调制可分为幅度调制、频率调制、相位调制三种，简称为调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM）。 ????调幅是将一个高频正弦信号（或称仅波）与测试信号相乘，使载波信号幅值随测试信号的变化而变化。 ????例如，低频被调制波为x(t)=Asin(2π50t) ，高频载波为y(t)=sin(2π500t) ????则信号调制过程为：z(t)=x(t)y(t) ????对应的，其解调过程为：v(t)=z(t)y(t)，x'(t)=低通滤波{v(t)} 三. 实验仪器和设备 1. 计算机 ?????????????????????n台 2. DRVI快速可重组虚拟仪器平台 ??1套 3. 打印机 ?????????????????????1台 四. 实验步骤及内容 1. 启动服务器，运行DRVI主程序，开启DRVI数据采集仪电源，然后点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的"DRVI采集仪主卡检测"进行服务器和数据采集仪之间的注册。联机注册成功后，分别从DRVI工具栏和快捷工具条中启动"DRVI微型Web服务器"和"内置的Web服务器"，开始监听8500和8600端口。。 2. 打开客户端计算机，启动计算机上的DRVI客户端程序，然后点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的"DRVI局域网服务器检测"，在弹出的对话框中输入服务器IP地址（例如：192.168.0.1），点击"发送"按钮，进行客户端和服务器之间的认证，认证完毕即可正常运行客户端所有功能。 3. 在DRVI软件平台的地址信息栏中输入如下信息"http://服务器IP地址:8600/gccslab/index.htm"，打开WEB版实验指导书，在实验目录中选择"信号调制和解调"实验，按实验原理和要求设计该实验。 4. 该实验需要提供原始信号和高频载波信号，DRVI中的"数字信号发生器"芯片可以完成这项功能，可以在软件面包板上插入两片"数字信号发生器"芯片，"信号类型"设置为2来产生正弦信号，其中一片的"参数1"设置为50，产生50Hz的信号作为原始信号使用，并放置在编号为"6000"的数据总线上，另外一片"参数1"设置为800，产生800Hz的载波信号，并放置在编号"6001"的数据总线上，再用一片"启/停按钮"芯片与它们联动来控制信号是否产生；为实现调制功能，需要插入一片"数组运算"芯片，将6000和6001上的数据做乘法运算后放置在"6002"的数据总线上；为实现同步解调功能，再插入一片"数组运算"芯片，将6002和6001上的数据做乘法运算后放置在"6003"的数据总线上；同时对6003上面的数据用"数字滤波"芯片做数字滤波处理，从而得到还原后的信号，并放置在数据总线"6004"上，对于该芯片的上归一化截止频率，插入一片"水平推杆"芯片来调节，滤波器的阶次，则采用"多联开关"芯片来选择；另外选择五片"波形/频谱显示"芯片，用于显示以上处理结果；然后根据连接这些芯片所需的数组型数据线数量，插入5片"内存条"芯片，用于存储5组数组型数据；再加上一些文字显示芯片和装饰芯片，就可以搭建出一个"信号调制和解调"实验。所需的软件芯片数量、种类、与软件总线之间的信号流动和连接关系如图7.2所示，根据原理设计图在DRVI软面包板上插入上述软件芯片，修改其属性窗中相应的连线参数就可完成该实验的设计和搭建过程。  图7.2 信号调制与解调实验原理设计图 5. "数组运算"芯片和"数字滤波"芯片的参数设置说明如下：对于"数组运算"芯片，其"计算类型"设置为2表示进行乘法运算，为了将数据总线6000和6001上的数据做乘法运算并输出到数据总线6002上，将"输入数组1"、 "输入数组2"和"输出数组"的值分别设置为6000、6001、6002，如图7.3所示；对于"数字滤波"芯片，为了能方便的选择滤波器阶次和归一化截止频率，将其"滤波器阶次线号"设置为2，与"多联开关"芯片连接起来，将其"上归一化截止线号"设置为3，与推杆芯片联系在一起（只作低通滤波处理），数据从6003上获取，处理完后放置在6004上，如图7.4所示。  图7.3 "数组运算"芯片参数设置样例?????????????图7.4 "数字滤波器"芯片参数设置样例 6. 也可以直接点击附录中"该实验脚本文件"的链接，将本实验的脚本文件贴入并运行。实验效果图如图7.5所示。  图7.5 信号调制与解调实验效果图 7. 点击 "运行"按钮，观察信号调制与解调过程中信号波形的变化。 8. 改变虚拟信号发生器的频率，再次观察调制后的信号波形变化。 9. 修改滤波器的阶次和归一化截止频率，观察经滤波处理后信号波形的变化。 五. 实验报告要求 1. 简述实验目的和原理。 2. 根据实验原理和要求整理出本实验的设计原理图。 3. 分析信号调制解调过程中信号波形和频谱的变化，并附上相应的波形曲线。 六. 思考题 1. 信号经过调制以后，在什么情况下会出现波形失真现象？ 2. 频率调制和幅度调制有何区别？ 实验八 数字滤波分析 一. 实验目的 ????通过实验加深了解数字滤波在信号分析中的作用。 二. 实验原理 ????数字滤波是数字信号分析中最重要的组成部分之一，数字滤波与模拟滤波相比，具有精度和稳定性高、系统函数容易改变、灵活性高、不存在阻抗匹配问题、便于大规模集成、可实现多维滤波等优点。 ????数字滤波器的作用是利用离散时间系统的特性对输入信号波形（或频谱）进行加工处理，或者说利用数字方法按预定的要求对信号进行变换。把输入序列x(n)变换成一定的输出序列y(n)从而达到改变信号频谱的目的。从广义讲，数字滤波是由计算机程序来实现的，是具有某种算法的数字处理过程。 ????若输入信号为x(t)，其频谱为X(ω)，并且已知其频宽为±ωm。在满足采样定理的条件下进行A/D转换，则采样信号的频谱应为：  ????其中采样频率ωs≥2ωm。显然这是一个以ωs为周期的谱图，当通过数字滤波器后，其频谱应为：  ????显然，信号经过数字滤波以后，仍然是一个周期谱图。图8.1表示了信号通过数字滤波系统时频谱的变化情况。  图8.1信号通过数字滤波系统时频谱的变化情况 ????数字滤波主要分为有限冲击响应滤波器(FIR)和无限冲击响应滤波器(IIR)两种，FIR滤波器的滤波计算公式为： y(k)=a0x(k)+a1x(k+1)+a2x(k+2)+...+amx(k+m), k=0,1,.........N-m ????式中N为信号采样长度，m为数字滤波器长度，{a0,a1,a2,...am}为滤波器系数。 ????FIR数字滤波器和IIR数字滤波器都有专用的设计软件，给出数字滤波器的频率特性就可以求出滤波器的系数。 ????DRVI平台提供了FIR滤波器、IIR滤波器和小波滤波器等芯片和设计工具，实际应用中在软件芯片中填入对应的滤波器系数就可以完成一个特殊滤波器的设计过程。 三. 实验仪器和设备 1. 计算机 ?????????????????????n台 2. DRVI快速可重组虚拟仪器平台 ??1套 3. 打印机 ?????????????????????1台 四. 实验步骤及内容 1. 启动服务器，运行DRVI主程序，开启DRVI数据采集仪电源，然后点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的"DRVI采集仪主卡检测"进行服务器和数据采集仪之间的注册。联机注册成功后，分别从DRVI工具栏和快捷工具条中启动"DRVI微型Web服务器"和"内置的Web服务器"，开始监听8500和8600端口。 2. 打开客户端计算机，启动计算机上的DRVI客户端程序，然后点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的"DRVI局域网服务器检测"，在弹出的对话框中输入服务器IP地址（例如：192.168.0.1），点击"发送"按钮，进行客户端和服务器之间的认证，认证完毕即可正常运行客户端所有功能。 3. 在DRVI软件平台的地址信息栏中输入如下信息"http://服务器IP地址:8600/gccslab/index.htm"，打开WEB版实验指导书，在实验目录中选择"数字滤波分析"实验，根据实验原理和要求设计该实验。 4. 该实验需要提供原始信号，DRVI中的"数字信号发生器"芯片可以完成这项功能，可以在软件面包板上插入一片"数字信号发生器"芯片，用一片"多联开关"芯片来控制产生的信号类型，再用一片"启/停按钮"芯片与"数字信号发生器"芯片联动来控制信号是否产生；为实现数字滤波功能，插入一片"频域数字滤波"芯片，将原始信号经过数字滤波处理后放置在数据总线"6001"上，对于该芯片的上归一化截止频率，插入一片"水平推杆"芯片来调节，滤波器的阶次，则采用"数字调节钮"芯片来选择；为实验FIR滤波器功能，插入一片"FIR滤波器"芯片，将原始信号经过数字滤波处理后放置在数据总线"6002"上，FIR滤波器的参数设计采用"滤波器设计工具集"中的相应功能来完成；为实验IIR滤波器功能，插入一片"IIR滤波器"芯片，将原始信号经过数字滤波处理后放置在数据总线"6003"上，IIR滤波器的参数设计采用"滤波器设计工具集"中的相应功能来完成；另外选择四片"波形/频谱显示"芯片，用于显示以上处理结果；然后根据连接这些芯片所需的数组型数据线数量，插入4片"内存条"芯片，用于存储4组数组型数据；再加上一些文字显示芯片和装饰芯片，就可以搭建出一个"数字滤波分析"实验。所需的软件芯片数量、种类、与软件总线之间的信号流动和连接关系如图8.2所示，根据实验原理设计图在DRVI软面包板上插入上述软件芯片，然后修改其属性窗中相应的连线参数就可以完成该实验的设计和搭建过程。  图8.2 数字滤波分析实验原理设计图 5. 也可以点击附录中"该实验脚本文件"的链接，直接将实验脚本调入运行。实验运行效果图如图8.3所示。  图8.3 数字滤波分析实验 6. 点击"开关"按钮，启动该实验，通过"多联开关"选择产生不同的原始信号，分别观察原始信号经过频域数字滤波、FIR数字滤波和IIR数字滤波处理后波形的变化情况。 7. 修改滤波器的阶次和归一化截止频率，观察和分析其对"白噪声"、"正弦波"、"方波"和"三角波"信号的影响。 8. 用工具集中的FIR数字滤波器设计工具，修改滤波器的截止频率、滤波器阶次等差数，观察FIR滤波器参数调整后对滤波器性能的影响。 9. 用工具集中的IIR数字滤波器设计工具，修改滤波器的截止频率、滤波器阶次等参数，观察IIR滤波器参数调整后对滤波器性能的影响。 五. 实验报告要求 1. 简述实验目的和原理。 2. 根据实验原理和要求整理出该实验的原理设计图。 3. 根据实验步骤整理出响应波形曲线，并分析其结果。 六. 思考题 1. 数字滤波器的作用是什么，如何来合理的设计一个数字滤波器？ 2. 归一化截止频率的作用是什么？ 实验九 温度传感器环境温度测量实验 一. 实验目的 ????通过本实验了解和掌握温度传感器测量温度的基本原理和方法。 二. 温度传感器简介 ????温度概念的建立是以热平衡为基础的。如果两个冷热程度不同的物体相互接触必然会发生热交换现象，热量将由热程度高的物体向热程度低的物体传递，直至达到两个物体的冷热程度一致，处于热平衡状态，即两个物体的温度相等。 ????直到目前，测量温度都采用间接测量的方法。它是利用一些材料或元件的性能随温度而变化的特性，通过测量该性能参数，而得到被测温度的大小。用以测量温 度特性的有：材料的热膨胀、电阻、热电动势、导磁率、介电系数、光学特性、弹性等等，其中前三者尤为成熟，获得广泛的应用。 。 三. 热电阻测温原理 ????物质的电阻率随温度变化而变化的物理现象称为热电阻效应。大多数金属导体的电阻随温度的升高而增加，电阻增加的原因可用其导电机理说明。在金属中参加导电的为自由电子，当温度升高时，虽然自由电子数目基本不变(当温度变化范围不是很大时)，但是，每个自由电子的动能将增加，因此，在一定的电场作用下，要使这些杂乱无章的电子作定向运动就会遇到更大的阻力，导致金属电阻随温度的升高而增加，其变化关系可由下式表示：  式中：Rt、R0――分别为热电阻在t ℃和t0 ℃时的电阻值 α--热电阻的电阻温度系数(1／℃)。 从式(1)可见，只要α保持不变(常数)，则金属电阻Rt将随温度线性地增加，如图1所示，  图 9.1 金属电阻－温度特性曲线 其灵敏度K为：  ????显然，α越大，灵敏度K就越大，纯金属的电阻温度系数α为0．3％～0．6％／℃。 ????但是，绝大多数金属导体，α并不是一个常数，它也随着温度的变化而变化，只能在一定的温度范围内，把它近似地看作为一个常数。不同的金属导体，α保持常数所对应的温度不相同，而且这个范围均小于该导体能够工作的温度范围。 ????根据热电阻效应制成的传感器叫热电阻传感器，简称热电阻。热电阻按电阻一温度特性不同，可分为金属热电阻(一般称热电阻)和半导体热电阻(一般称热敏电阻)两大类。 ????LWZ-5-B型温度传感器属于铂热电阻传感器。铂的物理、化学性能非常稳定，尤其是耐氧化能力很强，并且在很宽的温度范围内(1200℃以下)均可保持上述特性。电阻率较高，易于提纯，复制性好，易加工，可以制成极细的铂丝或极薄的铂箔。其缺点是：电阻温度系数较小，在还原性介质中工作易变脆，价格昂贵。由于铂有一系列突出优点，是目前制造热电阻的最好材料。在1968年国际实用温标(IPTS-68)中，规定在－295.34～630.74℃温度范围内，以铂热电阻作为标准仪器，传递从13.81K到903.89K温度范围内国际实用温标。它的长时间稳定的复现性可达10－4K，是目前测温复现性最好的一种温度计。 ????铂热电阻与温度之间的关系近似线性关系。 在-200℃≤t≤0℃时可用下式：  在0℃≤t≤650℃时可用下式：  式中：Rt--温度为t℃时铂热电阻的电阻但； ??????R0--温度为t0℃时铂热电阻的电阻值； ??????A、B、C--由实验确定的常数，它们的数值分别为 ??????A＝3.96847×10-3℃-1，B=5.847×10-7℃-2，C＝4.22×10-12℃-4。 ????铂的电阻率与其纯度密切相关，纯度越高，电阻率越大。 四.实验仪器和设备??? 1. DRVI可重组虚拟实验开发平台 1套 2. 蓝津数据采集仪（LDAQ-EPP2） 1套 3. 开关电源（LDY-A） 1套 4. LWZ-5-B型温度传感器 1个 五. 实验步骤及内容 1. 将LWZ-5-B型温度传感器与环境状况测量模块上对应的温度传感器接口连接。 2. 启动服务器，运行DRVI主程序，开启DRVI数据采集仪电源，然后点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的"DRVI采集仪主卡检测"进行服务器和数据采集仪之间的注册。联机注册成功后，分别从DRVI工具栏和快捷工具条中启动"DRVI微型Web服务器"和"内置的Web服务器"，开始监听8600和8500端口。 3. 打开客户端计算机，启动计算机上的DRVI客户端程序，然后点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的"DRVI局域网服务器检测"，在弹出的对话框中输入服务器IP地址（例如：192.168.0.1），点击"发送"按钮，进行客户端和服务器之间的认证，认证完毕即可正常运行客户端所有功能。 4. 在DRVI软件平台的地址信息栏中输入如下信息"http://服务器IP地址:8600/GccsLab/index.htm"，打开WEB版实验指导书，在实验目录中选择"温度传感器环境温度测量"实验，参照实验原理和要求设计该实验。 5. 点击附录中该实验脚本文件"服务器端"的链接，将参考的实验脚本文件贴入DRVI软件平台中并运行，点击面板中的"开关"按钮，观察获取的信号波形及温度值，服务器端实验效果示意图如图9.2所示。  图9.2 环境监测-温度实验（服务器） 6. 对于客户端的分析，首先设定数据共享服务器的IP地址，然后在确保数据共享服务器端8500端口打开的前提下，点击"开关"按钮进行网络数据采集，观察数据共享服务器端温度随外界条件变化而变化的情况，并记录实验结果。客户端实验效果示意图如图9.3所示。  图9.3 环境监测-温度实验（客户端） 六. 注意事项 1. 被测温度不可处于量程（0℃～100℃）之外，以避免测量值出现较大偏差。 2. 等波形稳定后再读数。 七. 实验报告要求 1. 根据实验内容整理实验结果，并分析和说明其检测原理。 八. 思考题 1. 应用于温度测量的传感器还有那些？简述其工作原理。 附录：   1.?该实验的实验信号处理框图如图9.4所示    图9.4 环境温度/湿度测量实验信号处理框图   实验十 湿度传感器环境湿度测量实验 一. 实验目的 ????通过本实验了解和掌握湿度传感器测量湿度的基本原理和方法。 二. 传感器简介 ????湿度通常是指大气中所含的水蒸气量。湿度传感器是用以感受大气湿度并变换成适当电信号输出的传感器。 ????湿度有两种常用的表示方法，即绝对湿度和相对湿度。绝对湿度是指一定空间中水蒸气的绝对含量，可用kg/m3表示。绝对湿度也可称为水汽浓度或水汽密度。 ????绝对湿度也可用水的蒸气压来表示。设空气的水汽密度为ρv，与之相对应的水蒸气分压为Pv，则根据理想气体状态方程有如下关系：  式中：M--水汽的摩尔质量； ??????R--摩尔气体常数； ??????T--绝对温度。 ????相对湿度为某一被测蒸气压与相同温度下的饱和蒸气压的比值的百分数，常用"％RH"表示。这是一个无量纲的值。绝对湿度给出了水分在空间的具体含量，相对湿度则给出大气的潮湿程度，故使用更加广泛。  式中：Pv--待测空气水蒸气分压 ????Pw--待测空气温度T同温时水的饱和水汽压。 ????利用湿度传感器可以将湿度值转化为电信号。湿度传感器主要组成部分为湿度敏感器件。湿度敏感器件是基于其功能材料能发生与湿度有关的物理效应或化学反应的基础上制造的．它具有可将湿度物理量转换成电讯号的功能，这些功能可以通过与湿度有关的电阻或电容的变化、长度或体积的胀缩、以及结型器件或Mos器件的某些电参数的变化，诸如P-N结击穿电压、电流放大系数、反向漏电流、MOS器件的沟道电阻等的变化而得以实现． 三. 湿度传感器测量原理 ????由于敏感器件的不同，不同的湿度传感器具有不同的测量原理。下面简单介绍一下使用最广泛的烧结型半导体陶瓷湿度敏感器件的工作机理。蓝津信息技术有限公司生产的的LSD-5-A型相对湿度传感器就是采用这种敏感器件。 ????烧结型湿敏半导体陶瓷材料，一般是具有多孔结构的多晶体，而且在其生产过程中应有半导体化过程。半导体陶瓷大多为金属氧化物材料，其半导体化过程一般是通过调整配方、进行渗杂、或者通过控制烧结气氛造成氧元素的过剩或不足而实现的。半导体化的结果是使晶粒中产生大量的载流子--空穴或电子。这样，一方面使晶粒体内的电阻率降低，另一方面又使晶粒之间的界面处形成界面势垒，使界面处的载流子耗尽而出现耗尽层，从而晶体界面的电阻率远大于晶粒体内的电阻率，而且成为半导体陶瓷材料在通电时的主要电阻。当水分子在湿敏半导体材料的表面和晶粒界面吸附时，会引起表面和晶粒界面处的电阻率发生变化，显示出湿敏特性。 ????湿敏半导体陶瓷的湿敏特性，按其电阻随所感受的湿度变化而发生变化的规律，一般可分负湿敏特性和正湿敏特性两类。前一类的感湿特征是电阻值随被测湿度的增加而减少，目前大多数湿敏半导体陶瓷都属于此类；后一类的情况正好相反。 ????离子导电理论认为：水分子在陶瓷晶粒间界面的吸附可离解出大量的导电离子，这些离子在水吸附层中就如同电解质溶液中的导电离子，可担负电荷的输送。这就是说，这种情况下的荷电载流于是离子。 ????在完全脱水的金属氧化物半导体陶瓷的晶粒表面上裸露着正金属离子和负氧离子，水分子电离后离解为正氢离子和负氢氧根离子。于是在陶瓷晶粒的表面上就形成了负氢氧根离子和正金属离子，以及氢离子与氧离子之间的第一层吸附，即化学吸附。 ????在形成的化学吸附层中，吸附的水分子和由氢氧根离解出来的正氢离子就以水合质子H3O＋的形式构成导电的载流子。水分子在已完成第一层化学吸附后，随之形成第二层、第三层的物理吸附，同时使导电载流子H3O＋的浓度进一步增大，从而使金属氧化物半导体陶瓷的总阻值下降，这就是这类材料具有湿敏性的机理。 ????金属氧化物半导体材料结构不甚致密，各晶粒之间有一定的空隙，呈多孔毛细管状，因此水分子可通过细孔，在各晶粒表面和晶粒间界面上吸附，并在品粒间界面处凝聚，所以，材料的细孔径越小，则水分子越容易凝聚，其结果是引起界面处接触电阻的明显下降。在被测的湿度愈大，凝聚的水分子愈多时，电阻值也就下降得愈多。 四.实验仪器和设备??? 1. DRVI可重组虚拟实验开发平台 1套 2. 蓝津数据采集仪（LDAQ-EPP2） 1套 3. 开关电源（LDY-A） 1套 4. LSD-5-A型湿度传感器 1个 五. 实验步骤及内容 1. 将LSD-5-A型湿度传感器与环境状况测量模块上对应的湿度传感器接口连接。 2. 启动服务器，运行DRVI主程序，开启DRVI数据采集仪电源，然后点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的"DRVI采集仪主卡检测"进行服务器和数据采集仪之间的注册。联机注册成功后，分别从DRVI工具栏和快捷工具条中启动"DRVI微型Web服务器"和"内置的Web服务器"，开始监听8600和8500端口。 3. 打开客户端计算机，启动计算机上的DRVI客户端程序，然后点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的"DRVI局域网服务器检测"，在弹出的对话框中输入服务器IP地址（例如：192.168.0.1），点击"发送"按钮，进行客户端和服务器之间的认证，认证完毕即可正常运行客户端所有功能。 4. 在DRVI软件平台的地址信息栏中输入如下信息"http://服务器IP地址:8600/GccsLab/index.htm"，打开WEB版实验指导书，在实验目录中选择"湿度传感器环境湿度测量"实验，参照实验原理和要求设计该实验。 5. 点击附录中该实验脚本文件"服务器端"的链接，将参考的实验脚本文件贴入DRVI软件平台中并运行，点击面板中的"开关"按钮，观察获取的信号波形及湿度值，服务器端实验效果示意图如图10.1所示。  图10.1 环境监测-湿度实验（服务器） 6. 对于客户端的分析，首先设定数据共享服务器的IP地址，然后在确保数据共享服务器端8500端口打开的前提下，点击"开关"按钮进行网络数据采集，观察数据共享服务器端温度随外界条件变化而变化的情况，并记录实验结果。客户端实验效果示意图如图10.2所示。  图10.2 环境监测-湿度实验（客户端） 六. 注意事项 1. 等波形稳定后再读数。 2. 湿度传感器需要预热5分钟左右方可使用。 七. 实验报告要求 1. 根据实验内容整理实验结果，并分析和说明其检测原理。 八. 思考题 1. 分析测量误差。 2. 应用于测湿度的传感器还有那些？简述其工作原理。 附录：   1.?该实验的实验信号处理框图如图10.3所示    图10.3 环境温度/湿度测量实验信号处理框图  实验十一 光传感器光线照度测量实验 一. 实验目的 ????通过本实验了解和掌握光传感器测量照度的基本原理和方法。 二. 照度传感器及工作原理简介 ????照度为照射到表面一点处的面元上的光通量除以该面元的面积。量的符号为E(Ev)；单位为勒[克斯]，符号为lx，1lx＝1lm／㎡。其数学表达式为：  式中，dA--接收到dΦv光通量的微面积元。 ????照度是表示受光面被照明程度的物理量。照度的单位采用专门名称勒克斯。 ????照度传感器以光电效应为基础，将光信号转换成电信号的装置。 ????根据爱因斯坦的光子假说：光是一粒一粒运动着的粒子流，这些光粒子称为光子。每一个光子具有一定的能量，其大小等于普朗克常数h乘以光的频率γ。所以不同频率的光子具有不同的能量。光的频率越高，其光子能量就越大。 光线照射在某些物体上，使电子从这些物体表面逸出的现象称为外光电效应，也称光电发射。逸出来的电子称为光电子。光电效应一般分为外光电效应、光电导效应和光生伏打效应三类，根据这些效应可制成不同的光电转换器件(并称光敏元件)。照度传感器是以光伏特效应来工作的。 光伏特效应??? ????在光照下，若入射光子的能量大于禁带宽度，半导体PN结附近被束缚的价电子吸收光子能量，受激发跃迁至导带形成自由电子，而价带则相应地形成自由空穴。这些电子一空穴对，在内电场的作用下，空穴移向P区，电子移向N区，使P区带正电，N区带负电，于是在P区和N区之间产生电压，称为光生电动势，这就是光伏特效应。利用光伏特效应制成的敏感元件有光电池、光敏二极管和光敏三极管等。其应用极为广泛。 ????利用光敏二极管的光伏特效应可以制作照度传感器。光敏二极管的结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外完中，它的PN结装在管顶，可直接受到光照射，光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。光敏二极管在电路处于反向偏置，在没有光照射，反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称为暗电流。反向电流小的原因是在PN结中，P型中的电子和N型中的空穴(少数裁流子)很少。当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对，使少数载流子的浓度大大增加，因此通过PN结的反向电流也随着增加。如果入射光照度变化，光生电子-空穴对的浓度也相应变动，通过外电路的光电流强度也随之变动，可见光敏二极管能将光信号转换为电信号输出。 四.实验仪器和设备??? 1. DRVI可重组虚拟实验开发平台 1套 2. 蓝津数据采集仪（LDAQ-EPP2） 1套 3. 开关电源（LDY-A） 1套 4. 光传感器 1个 五. 实验步骤及内容 1. 启动服务器，运行DRVI主程序，开启DRVI数据采集仪电源，然后点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的"DRVI采集仪主卡检测"进行服务器和数据采集仪之间的注册。联机注册成功后，分别从DRVI工具栏和快捷工具条中启动"DRVI微型Web服务器"和"内置的Web服务器"，开始监听8600和8500端口。 2. 打开客户端计算机，启动计算机上的DRVI客户端程序，然后点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的"DRVI局域网服务器检测"，在弹出的对话框中输入服务器IP地址（例如：192.168.0.1），点击"发送"按钮，进行客户端和服务器之间的认证，认证完毕即可正常运行客户端所有功能。  图11.1 环境监测-光照强度测量实验（服务器） 3. 在DRVI软件平台的地址信息栏中输入如下信息"http://服务器IP地址:8600/GccsLab/index.htm"，打开WEB版实验指导书，在实验目录中选择"光传感器光线照度测量"实验，参照实验原理和要求设计该实验。 4. 点击附录中该实验脚本文件"服务器端"的链接，将参考的实验脚本文件贴入DRVI软件平台中并运行，点击面板中的"开关"按钮，打开实验台上的光源开关，调节光的亮度，观察不同的亮度情况下信号波形及光照强度测量值，分析并记录实验结果。服务器端实验效果示意图如图11.1所示。 5. 对于客户端的分析，首先设定数据共享服务器的IP地址，然后在确保数据共享服务器端8500端口打开的前提下，点击"开关"按钮进行网络数据采集，观察数据共享服务器端光照强度随外界条件变化而变化的情况，并记录实验结果。客户端实验效果示意图如图11.2所示。  图11.2 环境监测-光照强度测量实验（客户端） 五. 注意事项 ????由于光照强度变化非常快，并且对环境光线的影响也非常敏感，因此观察到的光线照度应是一个在一定范围内波动的数据，误差的计算应使用相对误差的概念。（有条件的话可参考标准照度计读数。） 六. 实验报告要求 1. 根据实验内容整理实验结果，并分析和说明其检测原理。 七. 思考题 1. 分析测量误差，应用于测光照度的传感器还有哪些？简述其工作原理。 附录：   1.?该实验的实验信号处理框图如图11.3所示    图11.3 环境光照强度测量实验信号处理框图   实验十二 声传感器噪声测量实验 一. 实验目的 1. 掌握声压级的测量方法。 2. 掌握噪声的测量方法。 二. 实验原理 ????声音是大气压上的压强波动，这个压强波动的大小简称为声压，以p表示，其单位是Pa（帕）。从刚刚可以听到的声音到人们不堪忍受的声音，声压相差数百万倍。显然用声压表达各种不同大小的声音实属不太方便，同时考虑了人耳对声音强弱反应的对数特性，用对数方法将声压分为百十个等级，称为声压级。 ????声压级的定义是：声压与参考声压之比的常用对数乘以20，单位是dB（分贝）。其表达式为：  ????式中，p为声压， 是参考声压，它是人耳刚刚可以听到的声音。 ????值得注意的是两个声压级或多个声压级相加不是dB的简单算术相加，是按照对数的运算规律相加。 ????声压级只反映声音的强度对人耳的响度感觉的影响，而不能反映声音频率对响度感觉的影响。利用具有一个频率计权网络的声学测量仪器，对声音进行声压级测量，所得到的读数称为计权声压级，简称声级，单位为dB。声学测量仪器中，模拟人耳的响度感觉特性，一般设置A、B和C三种计权网络。声压级经A计权网络后就得到A声级，用LA表示，其单位计作dB(A)。经大量实验证明，用A声级来评价噪声对语言的干扰，对人们的吵闹程度以及听力损伤等方面都有很好的相关性。另外，A声级测量简单、快速，还可以与其它评价方法进行换算，所以是使用最广泛的评价尺度之一。如金属切削机床通用技术条件规定：高精度机床噪声容许小于75dB(A)；精密机床和普通机床噪声容许小于85dB(A)。 ????实际测量中，除了被测声源产生噪声外，还有其它噪声存在，这种噪声叫作背景噪声。背景噪声会影响到测量的准确性，需要对结果进行修正。初略的修正方法是：先不开启被测声源测量背景噪声，然后再开启声源测量，若两者之差为3dB，应在测量值中减去3dB，才是被测声源的声压级；若两者之差为4~5dB，减去数应为2dB；若两者之差为6~9dB，减去数应为1dB；当两者之差大于10dB时，背景噪声可以忽略。但如果两者之差小于3dB，那么最好是采取措施降低背景噪声后再测量，否则测量结果无效。 ????测量环境中风、气流、磁场、振动、温度、湿度等因素都会给测量结果带来影响。特别是风和气流的影响。当存在这些影响时，应使用防风罩或鼻锥等测量附件来减少影响。 三.实验仪器和设备??? 1. 计算机 n台 2. DRVI可重组虚拟实验开发平台 1套 3. 蓝津数据采集仪（LDAQ-EPP2） 1套 4. 开关电源（LDY-A） 1套 5. 声传感器 1套 四. 实验步骤及内容 1. 噪声测量实验结构示意图如图12.1所示，按图示结构连接设备。  图12.1 噪声测量实验结构示意图 2. 启动服务器，运行DRVI主程序，开启DRVI数据采集仪电源，然后点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的"DRVI采集仪主卡检测"进行服务器和数据采集仪之间的注册。联机注册成功后，分别从DRVI工具栏和快捷工具条中启动"DRVI微型Web服务器"和"内置的Web服务器"，开始监听8600和8500端口。 3. 打开客户端计算机，启动计算机上的DRVI客户端程序，然后点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的"DRVI局域网服务器检测"，在弹出的对话框中输入服务器IP地址（例如：192.168.0.1），点击"发送"按钮，进行客户端和服务器之间的认证，认证完毕即可正常运行客户端所有功能。 4. 在DRVI软件平台的地址信息栏中输入如下信息"http://服务器IP地址:8600/GccsLab/index.htm"，打开WEB版实验指导书，在实验目录中选择"噪声测量"实验，按实验原理和要求设计该实验。 5. 因为该实验的目的是了解噪声信号的测量方法，并且要实现服务器端的数据共享功能，需要分别设计服务器端和客户端的实验脚本。对于服务器端，首先需要将数据采集进来，DRVI中提供了一个8通道的并口数据采集仪，用于完成对外部信号的数据采集，实际使用中，可以插入一片"蓝津DAQ_A/D来完成；数据采集仪的启动采用一片"0/1按钮"芯片来控制；要完成噪声值的计算，首先必须计算出信号的功率谱，所以需选择一片"频谱计算"芯片,然后再插入一片"倍频程"芯片,采用FFT算法来计算并显示声音信号的倍频程谱，并将计算出的声音信号的分贝值存储于输出数组的第1位，再使用一片"VBScript脚本"芯片,在其中添加脚本文件将"倍频程"芯片输出数组中的第1位数据（即噪声值）取出，并通过"数码LED"芯片,显示出来；另外选择一片"波形/频谱显示"芯片,用于显示声音信号的时域波形；然后根据连接这些芯片所需的数组型数据线数量，插入4片"内存条"芯片,用于存储数组型数据；再加上一些文字显示芯片 和装饰芯片，就可以搭建出一个"噪声测量"服务器端的实验，所需的软件芯片数量、种类、与软件总线之间的信号流动和连接关系如图13.2所示，根据实验原理设计图在DRVI软面包板上插入上述软件芯片，然后修改其属性窗中相应的连线参数就可以完成该实验的设计和搭建过程。  图12.2 噪声测量实验（服务器端）设计原理图 6. 在本实验中"频谱计算"芯片将由数据采集仪采集并存储于内存芯片6000中的原始信号取出，进行功率谱计算，将计算结果存储于内存芯片6001中，因为要求进行功率谱计算，其"频谱类型"参数设定为1，该芯片的参数设定样例如图12.3所示。"倍频程"芯片完成对声音信号的倍频程分析以及声压级的计算功能，因为声压级是按对数规律计算的，所以将"1/1，1/3"参数设置为3，进行对数1/3倍频程计算，并将计算结果输出到内存芯片6018中，其频率计权网络取A计权，即将"频率计权"参数设置为1，另外"倍频程"芯片还有一个特殊功能，将声压级的计算结果存储于输出数据组的第1位上，实际应用中可以将此数值直接读出作为噪声测量值，该芯片的参数设置样例如图12.4所示。  7. 声压级数值的取出可以用"VBScript脚本"芯片来完成，在软面包板上插入该芯片，然后在其中添加从内存芯片6018取出第一位存储单元取值的代码，并将计算结果输出到数码LED芯片中显示即可，参考的代码如下： Rem VBSCRIPT Dim data(2048) For k=0 To 2047 data(k)=0.00001 Next Document.getarrayline 6018,1024,data db=int(data(1)) Setline 2,db 8. 对于客户端，与以前设计过的实验类似，必须在完成网络数据采集的基础上进行信号的分析和处理，在DRVI软件平台中，客户端是通过"TCP客户端"芯片和"定时器"芯片的组合来完成网络数据采集功能，另外还需采用"IP地址输入"芯片来指定数据共享服务器的IP地址，其它的芯片则与服务器端基本相同，客户端所需的软件芯片数量、种类、与软件总线之间的信号流动和连接关系如图12.5所示。  图12.5 噪声测量实验（客户端）设计原理图 9. 在Web版的实验指导书中，还提供了本实验的参考脚本，可以直接点击附录中该实验脚本文件"服务器端"和"客户端"的链接，将参考的实验脚本文件贴入DRVI软件平台中并运行。服务器端实验效果示意图如图12.6所示。  图12.6 噪声测量实验（服务器端）实验效果图 10. 点击面板中的"测量"按钮，首先测量背景噪声并记录其结果。然后启动电机，调节电机转速，获得合适噪声大小。在多个方向测量噪声值并记录其结果，根据实验原理中环境噪声和被测声源之间计算关系的说明，得到被测声源声压级的正确值。 11. 对于客户端的分析，首先设定数据共享服务器的IP地址，然后在确保数据共享服务器端8500端口打开的前提下，点击"测量"按钮进行网络数据采集，观察数据共享服务器端噪声随外界条件变化而变化的情况，并记录实验结果。客户端实验效果示意图如图12.7所示。  图12.7 噪声测量实验（客户端）实验效果图 五. 实验报告要求 1. 简述实验原理和目的 2. 根据实验原理和要求整理出本实验的设计原理图。 3. 用图形表示声源的轮廓，标注出各测点处的噪声值大小，并标出背景噪声。 六. 思考题 1. 噪声信号是如何转换成电信号的？ 2. 若要了解噪声对人体健康的影响，如何选择测点位置？ 3. 怎样准确的扣除背景噪声的影响？ 实验十三 气体传感器空气质量测量 一. 实验目的 ????1. 通过本实验熟悉气体传感器的工作原理。 ????2. 通过本实验了解和掌握采用LQZ-5-A气体传感器进行空气质量测量的原理和方法。 二. 实验原理 ????1.气敏传感器及其分类 ????气敏传感器是一种将检测到的气体成份和浓度转换为电信号的传感器。在现代社会的生产和生活中，会接触到各种各样的气体，需要进行检测和控制。比如化工生产中气体成份的检测与控制；煤矿瓦斯浓度的检测与报警；环境污染情况的监测；煤气泄漏；火灾报警；燃烧情况的检测与控制等等。 ????气敏传感器的种类较多，主要包括有敏感气体种类的气敏传感器、敏感气体量的真空度气敏传感器，以及检测气体成分的气体成分传感器。前者主要有半导体气敏传感器和固体电解质气敏传感器，后者主要有高频成分传感器和光学成分传感器。由于半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应快、使用寿命长和成本低等优点，应用很广，因此。本节将着重介绍半导体气敏传感器。 ????2.半导体气敏传感器工作原理 ????半导体气敏传感器是利用半导体气敏元件同气体接触后，造成半导体性质的变化来检测特定气体的成分或者测量其浓度 ? 图13.1气敏器件阻值浓度对应关系 ????半导体气敏传感器大体上可分为两类电阻式和非电阻式。电阻式半导体气敏传感器是利用气敏半导体材料，如氧化锡、氧化锰(MnO2)等金属氧化物制成敏感元件，当它们吸收了可燃气体的烟雾，如氢、一氧化碳、烷、醚、醇、苯以及天然气、沼气等时，会发生还原反应，放出热量，使元件温度相应增高，电阻发生变化。利用半导体材料的这种特性，将气体的成分和浓度变换成电信号，进行监测和报警。图 13.1所示为典型气敏元件的阻值浓度关系。从图中可以看出，元件对不同气体的敏感程度不同，如对乙醚、乙醇、氢气等具有较高的灵敏度，而对甲烷的灵敏度较低。一般随气体的浓度增加，元件阻值明显增大，在一定范围内呈线性关系。 ????3. 应用 ????气敏传感器应用较广泛的是用于防灾报警，如可制成液化石油气、天然气、城市煤气、煤矿瓦斯以及有毒气体等方面的报警器。也可用于对大气污染进行监测以及在医疗上用于对等气体的测量。生活中则可用于空调机、烹调装置、酒精浓度探测等方面。 ????LQZ-5-A型气体传感器采用半导体气敏元件，气敏元件的敏感部分是金属氧化物半导体微结晶粒子烧结体。当它的表面吸附有被测气体时，半导体微结晶粒子接触界面的导电电子比例就会发生变化，从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化。这种反应是可逆的，因而是可以反复使用的。电阻值的变化随着金属氧化物半导体表面对气体的吸附和释放而发生，为了加速这种反应，通常要用加热器对传感器加热。该传感器就是将这种电阻值变化，以输出电压的方式取出，从而检测出气体的状态。其传感器的特性曲线如图13.2所示。 ??????????????????????  图13.2传感器特性曲线 三. 实验仪器和设备 ????1. 气体传感器（LQZ-5-A）1套 ????2. 蓝津数据采集仪（LDAQ-EPP2）1套 ????3. 开关电源（LDY-A）1套 ????4. 计算机n台 四. 实验步骤及内容 ????1.?启动服务器，运行DRVI主程序，开启DRVI数据采集仪电源，然后点击DRVI快捷工具条上的“联机注册”图标，选择其中的“DRVI采集仪主卡检测”进行服务器和数据采集仪之间的注册。联机注册成功后，分别从DRVI工具栏和快捷工具条中启动“DRVI微型Web服务器”和“内置的Web服务器”，开始监听8600和8500端口。 ????2. 打开客户端计算机，启动计算机上的DRVI客户端程序，然后点击DRVI快捷工具条上的“联机注册”图标，选择其中的“DRVI局域网服务器检测”，在弹出的对话框中输入服务器IP地址（例如：192.168.0.1），点击“发送”按钮，进行客户端和服务器之间的认证，认证完毕即可正常运行客户端所有功能。 ????3. 在DRVI软件平台的地址信息栏中输入如下信息“http://服务器IP地址:8600/GccsLab/index.htm”，打开WEB版实验指导书，在实验目录中选择“气体传感器空气质量测量”实验，参照实验原理和要求设计该实验。  图13.3 环境监测-空气质量测量实验（服务器） ??? 4. 点击附录中该实验脚本文件“服务器端”的链接，将参考的实验脚本文件贴入DRVI软件平台，点击面板中的“运行”按钮，测量环境中的空气质量，然后改变环境状况，比如打开装有氨水的试剂瓶或增加烟雾来模拟测试，将试剂瓶置于传感器探头附近，再次进行测量，分析并记录实验结果。服务器端实验样本图如图13.3所示。 ??? 5. 对于客户端的分析，首先设定数据共享服务器的IP地址，然后在确保数据共享服务器端8500端口打开的前提下，点击“运行”按钮进行网络数据采集，观察数据共享服务器端气体质量随外界条件变化而变化的情况，并记录实验结果。客户端实验样本图如图13.4所示。  图13.4 环境监测-空气质量测量实验（客户端） 五. 实验报告要求 ????1. 简述实验目的和原理。 ????2. 分析并整理实验测量结果。 六. 思考题 ????1. 传感器一般由那几部分组成，分别起什么作用？ ????2. 测量气体的传感器还有那些种？如何根据测试目的和实际条件，正确合理地选用传感器？ 实验十四 酒精传感器酒精浓度测量 一. 实验目的 ????1. 通过本实验熟悉酒精传感器的工作原理。 ????2. 通过本实验了解和掌握采用LJJ-5-A气体传感器进行酒精浓度测量的原理和方法。 二. 实验原理???? ????LJJ-5-A型酒精传感器采用TGS822半导体元件，属于n型半导体类气体传感器。传感器的敏感部分是二氧化锡半导体微结晶粒子烧结体，以二氧化锡为基体材料，添加不同物质经烧制而成。当它的表面吸附有还原性气体（如酒精等有机溶剂蒸汽）时，半导体微结晶粒子接触界面的导电电子比例就会发生变化，从而使电阻值随被测气体的浓度改变而变化。这种反应是可逆的，因而是可以反复使用的。电阻值的变化随着二氧化锡半导体表面对气体的吸附和释放而发生，为了加速这种反应，通常要用加热器对传感器加热。该传感器就是将这种电阻值变化，以输出电压的方式取出，从而检测出气体中酒精的浓度。???? ? 图14.1 TGS822传感器的特性曲线 三. 实验仪器和设备 ????1. 快速可重组虚拟仪器平台1套 ????2. 气体传感器（LQZ-5-A）1套 ????3. 蓝津数据采集仪（LDAQ-EPP2）1套 ????4. 开关电源（LDY-A）1套 ????5. 计算机n台 四. 实验步骤及内容 ????1.?启动服务器，运行DRVI主程序，开启DRVI数据采集仪电源，然后点击DRVI快捷工具条上的“联机注册”图标，选择其中的“DRVI采集仪主卡检测”进行服务器和数据采集仪之间的注册。联机注册成功后，分别从DRVI工具栏和快捷工具条中启动“DRVI微型Web服务器”和“内置的Web服务器”，开始监听8600和8500端口。 ????2. 打开客户端计算机，启动计算机上的DRVI客户端程序，然后点击DRVI快捷工具条上的“联机注册”图标，选择其中的“DRVI局域网服务器检测”，在弹出的对话框中输入服务器IP地址（例如：192.168.0.1），点击“发送”按钮，进行客户端和服务器之间的认证，认证完毕即可正常运行客户端所有功能。 ????3. 在DRVI软件平台的地址信息栏中输入如下信息“http://服务器IP地址:8600/GccsLab/index.htm”，打开WEB版实验指导书，在实验目录中选择“酒精传感器酒精浓度测量”实验，参照实验原理和要求设计该实验。  图14.2 环境监测-酒精浓度测量实验（服务器） ??? 4. 点击附录中该实验脚本文件“服务器端”的链接，将参考的实验脚本文件贴入DRVI软件平台，点击面板中的“运行”按钮，测量环境中的酒精浓度，然后打开装有酒精的试剂瓶，将试剂瓶置于传感器探头附近，再次进行测量，分析并记录实验结果。服务器端实验样本图如图14.2所示。 ??? 5. 对于客户端的分析，首先设定数据共享服务器的IP地址，然后在确保数据共享服务器端8500端口打开的前提下，在服务器端进行数据采集的同时，点击“运行”按钮进行网络数据采集，观察数据共享服务器端酒精浓度测量值随外界条件变化而变化的情况，并记录实验结果。客户端实验样本图如图14.3所示。  图14.3 环境监测-酒精浓度测量实验（客户端） 五. 实验报告要求 ????1. 简述实验目的和原理。 ????2. 分析并整理实验测量结果。 六. 思考题 ????1. 传感器一般由那几部分组成，分别起什么作用？ ????2. 测量气体的传感器还有那些种？如何根据测试目的和实际条件，正确合理地选用传感器？???? ? 实验十五 超声波传感器距离测量 一. 实验目的 ????通过本实验了解和掌握超声波传感器测量的原理和方法。 二. 实验原理 ??? 声波是一种能在气体、液体和固体中传播的机械波。根据振动频率的不同，可分为次声波、声波、超声波和微波等。 ??? 1) 次声波：振动频率低于l6Hz的机械波。 ????2) 声波：振动频率在16—20KHz之间的机械波，在这个频率范围内能为人耳所闻。 ????3) 超声波：高于20KHz的机械波。 ????超声波与一般声波比较，它的振动频率高，而且波长短，因而具有束射特性，方向性强，可以定向传播，其能量远远大于振幅相同的一般声波，并且具有很高的穿透能力。例如，在钢材中甚至可穿透10米以上。 ??? 超声波在均匀介质中按直线方向传播，但到达界面或者遇到另一种介质时，也像光波一样产生反射和折射，并且服从几何光学的反射、折射定律。超声波在反射、折射过程中，其能量及波型都将发生变化。 超声波在界面上的反射能量与透射能量的变化。取决于两种介质声阻抗特性。和其他声波一样，两介质的声阻抗特性差愈大，则反射波的强度愈大。例如，钢与空气的声阻抗特性相差10万倍，故超声波几乎不通过空气与钢的介面，全部反射。 超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，能量的衰减决定于波的扩散、散射 (或漫射)及吸收。扩散衰减，是超声波随着传播距离的增加，在单位面积内声能的减弱；散射衰减，是由于介质不均匀性产生的能量损失；超声波被介质吸收后，将声能直接转换为热能，这是由于介质的导热性、粘滞性及弹性造成的。 以超声波为检测手段，包括有发射超声波和接收超声波，并将接收的超声波转换成电量输出的装置称为超声波传感器。习惯上称为超声波换能器或超声波探头。常用的超声波传感器有两种，即压电式超声波传感器 (或称压电式超声波探头)和磁致式超声波传感器。本实验采用的是压电式超声波传感器, 主要由超声波发射器(或称发射探头)和超声波接收器(或称接收探头)两部分组成，它们都是利用压电材料(如石英、压电陶瓷等)的压电效应进行工作的。利用逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，产生超声波，以此作为超声波的发射器。而利用正压电效应将接收的超声振动波转换成电信号，以此作为超声波的接收器。 ??? 超声波传感器的测距原理：超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离S，即：S=340t/2  图15.1 超声波传感器结构示意图 三. 实验仪器和设备 ????1. 快速可重组虚拟仪器平台1套 ????2. 气体传感器（LQZ-5-A）1套 ????3. 蓝津数据采集仪（LDAQ-EPP2）1套 ????4. 开关电源（LDY-A）1套 ????5. 并口数据采集仪（LEPP-DAQ2）1台 ????6. 计算机n台??? 四. 实验步骤及内容 ????1. 连接数据采集仪、超声波传感器等实验设备连线。 ????2. 启动服务器，运行DRVI主程序，开启DRVI数据采集仪电源，然后点击DRVI快捷工具条上的“联机注册”图标，选择其中的“DRVI采集仪主卡检测”进行服务器和数据采集仪之间的注册。联机注册成功后，分别从DRVI工具栏和快捷工具条中启动“DRVI微型Web服务器”和“内置的Web服务器”，开始监听8600和8500端口。 ????3. 打开客户端计算机，启动计算机上的DRVI客户端程序，然后点击DRVI快捷工具条上的“联机注册”图标，选择其中的“DRVI局域网服务器检测”，在弹出的对话框中输入服务器IP地址（例如：192.168.0.1），点击“发送”按钮，进行客户端和服务器之间的认证，认证完毕即可正常运行客户端所有功能。 ????4. 在DRVI软件平台的地址信息栏中输入如下信息“http://服务器IP地址:8600/GccsLab/index.htm”，打开WEB版实验指导书，在实验目录中选择“超声波传感器距离测量”实验，参照实验原理和要求设计该实验。 ??? 5. 点击附录中该实验脚本文件“服务器端”的链接，将参考的实验脚本文件贴入DRVI软件平台，点击面板中的“运行”按钮，改变超声波探头间的位置，进行距离测量。注意让超声波的发射端和接收端尽量平行且不要靠得太近，观察检测到的波形和数据，分析并记录实验结果。服务器端实验样本图如图15.2所示。  图15.2 环境监测-超声波传感器距离测量实验（服务器）  图15.3 环境监测-超声波距离测量实验（客户端） ??? 6. 对于客户端的分析，首先设定数据共享服务器的IP地址，然后确保数据共享服务器端8500端口打开的前提下，在服务器端进行数据采集的同时，点击“运行”按钮进行网络数据采集，观察数据共享服务器端随着超声波探头之间距离的变化，测量值的变化情况，并记录实验结果。客户端实验样本图如图15.3所示。 五. 实验报告要求 1. 简述实验目的和原理。 2. 根据实验步骤要求，整理和分析相应的波形和特性曲线。 六. 思考题 ??? LCSB-5-A型超声波传感器的有效测量距离是30cm~300cm，实际距离若过小或过大都可能导致测量误差增大，在测量过程中尽量保持在此距离之内。 实验十六 数字图像采集实验 一. 实验目的 ????通过本实验了解和掌握CCD图像传感器测量的原理和方法。 二. 实验原理 ??? CCD图像传感器采用光电转换原理,用来摄取平面光学图像并使其转换为电子图像信号的器件,本组成部分是MOS光敏元列阵和读出移位寄存器。图16.1所示为MOS(Metal Oxide Semiconductor)光敏元的结构，它是在半导体(P型硅)基片上形成一种氧化物(如二氧化硅)，在氧化物上再沉积一层金属电极，以此形成一个金属-氧化物-半导体结构元 (MOS)。  图16.1 MOS光敏元结构示意图 ??? ??? 从半导体的原理得知。当在金属电极上施加一正电压时，在电场的作用下，电极下面的P型硅区域里的空穴将被赶尽，从而形成耗尽区。也就是说，对带负电的电子而言，这个耗尽区是一个势能很低的区域，称为“势阱”。如果此时有光线入射到半导体硅片上，则在光子的作用下，半导体硅片上就形成电子和空穴，由此产生的光生电子被附近的势阱所吸收(或称俘获)，而同时产生的空穴则被电场排斥出耗尽区。此时势阱内所吸收的光生电子数量与入射到势阱附近的光强成正比。人们称这样一个MOS结构元为MOS光敏元，或称为一个像素；把一个势饼所收集的若干光生电荷称为一个电荷包。 ??? 通常在半导体硅片上制有几百个或几千个相互独立的MOS元，它们按线阵或面阵有规则地排列。如果在金属电极上施加一正电压，则在这半导体硅片上就形成几百个或几千个相互独立的势阱。如果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图像，则与此同时，在这些光敏元上就会感生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像。这就是电荷耦合器件的光电效应的基本原理。 ????传感器可依照其像素排动方式的不同主要分为线阵、面阵两种。 ????传感器用于非电量的测量，主要用途大致归纳为以下三个方面: ????1) 组成测试仪器可测量物位、尺寸、工件损伤、自动焦点等。 ????2) 作光学信息处理装置的输入环节，例如用于传真技术、光学文字识别技术(OCR)图像识别技术、光谱测量及空间遥感技术等方面。 ????3) 作自动流水线装置中的敏感器件，例加可用于机床、自动售货机、自动搬运车以自动监视装置等方面。 ????  图15.1 超声波传感器结构示意图 三. 实验仪器和设备 ????1. 快速可重组虚拟仪器平台1套 ????2. CCD传感器（即USB摄像头）1套???? ????3. 开关电源（LDY-A）1套 ????4. 并口数据采集仪（LEPP-DAQ2）1台 ????5. 计算机n台??? 四. 实验步骤及内容 ????1. 首先确认计算机上已经安装了USB摄像头的驱动程序，然后将USB数字摄像头插入计算机USB接口中。（在本实验中，使用的是AC-188型的USB摄像头）。 ????2. 启动服务器，运行DRVI主程序，开启DRVI数据采集仪电源，然后点击DRVI快捷工具条上的“联机注册”图标，选择其中的“DRVI采集仪主卡检测”进行服务器和数据采集仪之间的注册。联机注册成功后，分别从DRVI工具栏和快捷工具条中启动“DRVI微型Web服务器”和“内置的Web服务器”，开始监听8600和8500端口。 ????3. 打开客户端计算机，启动计算机上的DRVI客户端程序，然后点击DRVI快捷工具条上的“联机注册”图标，选择其中的“DRVI局域网服务器检测”，在弹出的对话框中输入服务器IP地址（例如：192.168.0.1），点击“发送”按钮，进行客户端和服务器之间的认证，认证完毕即可正常运行客户端所有功能。 ????4. 在DRVI软件平台的地址信息栏中输入如下信息“http://服务器IP地址:8600/GccsLab/index.htm”，打开WEB版实验指导书，在实验目录中选择“CCD数字图象采集”实验，参照实验原理和要求设计该实验。 ??? 5. 在DRVI软件平台面板中添加一个摄像机控制芯片，点击芯片左上角会出现一系列下拉选项，点击启动摄像机（如图16.2所示）就可以看到USB数字摄像头采集的图像。  图16.2 USB数字摄像头样本图 ??? 6. 如图像不清楚，可以旋转镜头调节焦距，直到屏幕上看到清晰的图像为止。  图16.3 图象采集样本图 ??? 7. 调整图象显示参数和图象制式参数，观察不同参数情况下图象的采集质量。 五. 实验报告要求 1. 简述实验目的和原理。 2. 分析不同参数情况下图象采集的质量。 实验十七 电涡流传感器轴心轨迹测量实验 一. 实验目的 ????通过本实验了解和掌握电涡流传感器测量的原理和方法。 二. 实验原理 ????电涡流传感器就是能静态和动态地非接触，高线性度，高分辨力地测量被测金属导体距探头表面的距离。它是一种非接触的线性化计量工具。电涡流位移传感器能准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间的静态和动态距离及其变化。 ????探头、(延伸电缆)、前置器以及被测体构成基本工作系统。前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场。如果在这一交变磁场的有效范围内没有金属材料靠近，则这一磁场能量会全部损失；当有被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，电磁学上称之为电涡流，与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变（线圈的有效阻抗），这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。通常假定金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性，则线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率б、磁导率ξ、尺寸因子τ、头部体线圈与金属导体表面的距离D、电流强度I和频率ω参数来描述。则线圈特征阻抗可用Z=F(τ, ξ, б, D, I, ω)函数来表示。通常我们能做到控制τ, ξ, б, I, ω这几个参数在一定范围内不变，则线圈的特征阻抗Z就成为距离D的单值函数，虽然它整个函数是一非线性的，其函数特征为"S"型曲线，但可以选取它近似为线性的一段。于此，通过前置器电子线路的处理，将线圈阻抗Z的变化，即头部体线圈与金属导体的距离D的变化转化成电压或电流的变化。输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化，电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。 ????涡流检测不需要改变试件的形状，也不会影响试件的使用性能，因此，是一种无损地评定试件有关性能和发现试件有无缺陷等的检测方法。 ????涡流检测只适用于能产生涡流的导电材料。同时，由于涡流是电磁感应产生的，在检测时，不必要求线圈与试件紧密接触，也不必在线圈和试件之间充填满合剂，从而容易实现自动化检验。对管、棒、丝材表面缺陷，涡流检查法有很高的速度和效率。 ????涡流及其反作用磁场对代表金属试件物理和工艺性能的多种参数有反应，因此是一种多用途的试验方法。然而，正是由于对多种试验参数有敏感反应，也就会给试验结果带来干扰信息，影响检测的正确进行。 ????涡流检测设备用于各种金属管、棒、线、丝材的在线、离线探伤。在探伤过程中，能同时兼顾长通伤、缓变伤等长缺陷和短小缺陷（如通孔）；能够有效抑制管道在线、离线检测时的某些干扰信号（如材质不均、晃动等），对金属管道内外壁缺陷检测都具有较高的灵敏度；还可用于机械零部件混料分选，渗碳深度和热处理状态评价，硬度测量等。 ???? 三. 实验仪器和设备 1. 计算机 n台 2. DRVI快速可重组虚拟仪器平台 1套 3. 转子实验台 1套 4. 开关电源（LDY-A） 1台 5. 并口数据采集仪（LEPP-DAQ2） 1台 6. 电涡流传感器 2套 四. 实验步骤及内容 1. 将数据采集仪，电源与计算机正确连接，在转子实验台支架上安装电涡流传感器探头（X、Y向互成90度），将输出电缆与前置器相连，信号经前置器处理后再经过信号采集仪最终输入到计算机中。  图17.1 电涡流传感器工作原理图 2. 启动服务器，运行DRVI主程序，开启DRVI数据采集仪电源，然后点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的"DRVI采集仪主卡检测"进行服务器和数据采集仪之间的注册。联机注册成功后，分别从DRVI工具栏和快捷工具条中启动"DRVI微型Web服务器"和"内置的Web服务器"，开始监听8600和8500端口。 3. 打开客户端计算机，启动计算机上的DRVI客户端程序，然后点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的"DRVI局域网服务器检测"，在弹出的对话框中输入服务器IP地址（例如：192.168.0.1），点击"发送"按钮，进行客户端和服务器之间的认证，认证完毕即可正常运行客户端所有功能。 4. 在DRVI软件平台的地址信息栏中输入如下信息"http://服务器IP地址:8600/GccsLab/index.htm"，打开WEB版实验指导书，在实验目录中选择"电涡流传感器轴心轨迹测量"实验，参照实验原理和要求设计该实验。 5. 点击附录中该实验脚本文件"服务器端"的链接，将参考的实验脚本文件贴入DRVI软件平台。启动转子试验台，点击面板中的"运行"按钮，进行轴心轨迹的测量。如果波形不清楚，需要调节电涡流探头与轴之间的距离，直到两个方向的波形稳定，振幅相近为止。服务器端实验效果图如图17.2所示。  图17.2 转子实验台-电涡流传感器轴心轨迹测量实验（服务器） 6. 调节电机转速，观察随着转速的变化，轴心轨迹曲线的变化情况，分析并记录实验结果。  图17.3 转子实验台-电涡流传感器轴心轨迹测量实验（客户端） 7. 对于客户端的分析，首先设定数据共享服务器的IP地址，在服务器端进行数据采集的同时，点击"运行"按钮进行网络数据采集，观察随着转速的变化，轴心轨迹的变化情况，并记录实验结果。客户端实验样本图如图17.3所示。 五. 实验报告要求 1. 简述实验目的和原理。 2. 根据实验步骤要求，整理和分析相应的波形和特性曲线。 六. 注意事项 1. 安装电涡流探头时，必须首先把初始间隙调好。 2. 没有低通滤波功能的实验脚本得到的波形由于干扰较大，特征不明显，所以一般采用有低通滤波功能的实验脚本。 七. 思考题 1. 电涡流传感器有什么特性？可以用在那些特征量的检测上？ 实验十八 加速度传感器振动测量实验 一. 实验目的 ????1. 通过本实验了解并掌握机械振动信号测量的基本方法。 二. 实验原理 1. 振动测量原理 ????机械在运动时，由于旋转件的不平衡、负载的不均匀、结构刚度的各向异性、间隙、润滑不良、支撑松动等因素，总是伴随着各种振动。 ????机械振动在大多数情况下是有害的，振动往往会降低机器性能，破坏其正常工作，缩短使用寿命，甚至导致事故。机械振动还伴随着同频率的噪声，恶化环境，危害健康。另一方面，振动也被利用来完成有益的工作，如运输、夯实、清洗、粉碎、脱水等。这时必须正确选择振动参数，充分发挥振动机械的性能。 ????在现代企业管理制度中，除了对各种机械设备提出低振动和低噪声要求外，还需随时对机器的运行状况进行监测、分析、诊断，对工作环境进行控制。为了提高机械结构的抗振性能，有必要进行机械结构的振动分析和振动设计。这些都离不开振动测试。 ????振动测试包括两种方式：一是测量机械或结构在工作状态下的振动，如振动位移、速度、加速度、频率和相位等，了解被测对象的振动状态，评定等级和寻找振源，对设备进行监测、分析、诊断和预测。二是对机械设备或结构施加某种激励，测量其受迫振动，以便求得被测对象的振动力学参量或动态性能，如固有频率、阻尼、刚度、频率响应和模态等。 ????振动的幅值、频率和相位是振动的三个基本参数，称为振动三要素。 ????幅值：幅值是振动强度的标志，它可以用峰值、有效值、平均值等方法来表示。 ????频率：不同的频率成分反映系统内不同的振源。通过频谱分析可以确定主要频率成分及其幅值大小，从而寻找振源，采取相应的措施。 ????相位：振动信号的相位信息十分重要，如利用相位关系确定共振点、测量振型、旋转件动平衡、有源振动控制、降噪等。对于复杂振动的波形分析，各谐波的相位关系是不可缺少的。 ????在振动测量时，应合理选择测量参数，如振动位移是研究强度和变形的重要依据；振动加速度与作用力或载荷成正比，是研究动力强度和疲劳的重要依据；振动速度决定了噪声的高低，人对机械振动的敏感程度在很大频率范围内是由速度决定的。速度又与能量和功率有关，并决定动量的大小。 2. YD-37加速度传感器简介 ????压电传感器的力学模型可简化为一个单自由度质量-弹簧系统。根据压电效应的原理，当晶体上受到振动作用力后，将产生电荷量，该电荷量与作用力成正比，这就是压电传感器完成机电转换的工作原理。 压电式加速度传感器在振动测试领域中应用广泛，可以测量各种环境中的振动量。 三. 实验仪器和设备 1. 计算机 n台 2. DRVI快速可重组虚拟仪器平台 1套 3. 加速度传感器（YD-37） 1套 4. 加速度传感器变送器（LBS-12-A） 1台 5. 蓝津数据采集仪（LDAQ-EPP2） 1台 6. 开关电源（LDY-A） 1套 7. 5芯对等线 1条 8. 振动实验台（LZD-A） 1 套 四. 实验步骤及内容 1. 振动测量实验结构如图18.1所示，将加速度传感器通过配套的磁座吸附在振动实验台底座上，然后将其输出端和变送器的输入端相连，变送器的输出端通过一根带五芯航空插头的电缆和数据采集仪3通道连接。  图18.1 振动测量结构示意图 2. 启动服务器，运行DRVI主程序，开启DRVI数据采集仪电源，然后点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的"DRVI采集仪主卡检测"进行服务器和数据采集仪之间的注册。联机注册成功后，分别从DRVI工具栏和快捷工具条中启动"DRVI微型Web服务器"和"内置的Web服务器"，开始监听8600和8500端口。 3. 打开客户端计算机，启动计算机上的DRVI客户端程序，然后点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的"DRVI局域网服务器检测"，在弹出的对话框中输入服务器IP地址（例如：192.168.0.1），点击"发送"按钮，进行客户端和服务器之间的认证，认证完毕即可正常运行客户端所有功能。 4. 在DRVI软件平台的地址信息栏中输入如下信息"http://服务器IP地址:8600/GccsLab/index.htm"，打开WEB版实验指导书，在实验目录中选择"加速度传感器振动测量"实验，按实验原理和要求设计该实验。 5. 本实验的目的是了解用加速度传感器进行振动测量的方法，首先需要将数据采集进来，蓝津信息提供了一个配套的8通道并口数据采集仪来完成外部信号的数据采集过程，在DRVI软件平台中，对应的数据采集软件芯片为"蓝津DAQ_A/D"芯片；数据采集仪的启动采用一片"0/1按钮"芯片来控制；振动信号的频谱，用一片"FFT"芯片来计算；另外，由于在用加速度传感器获取振动信号的时候，会带入一部分高频干扰信号，为了测量的方便，可以插入一片"数字滤波"芯片，用于构成低通滤波器，滤出高频成分，滤波前后的波形对应结果用一片"多路接线开关" 来选择；还需要选择两片"波形/频谱显示"芯片，用于显示振动信号的时域波形和频谱；然后再根据所需的数组型数据总线的数量，插入5片"内存条"芯片，用于存储数组型数据；再加上一些文字显示芯片和装饰芯片，就可以搭建出一个"振动测量实验"的服务器端，所需的软件芯片数量、种类、与软件总线之间的信号流动和连接关系如图18.2所示，根据实验原理设计图在DRVI软面包板上插入上述软件芯片，然后修改其属性窗中相应的连线参数就可以完成该实验的设计和搭建过程。  图18.2 振动测量实验（服务器端）设计原理图 6. 对于客户端，与以前设计过的实验类似，必须在完成网络数据采集的基础上进行信号的分析和处理，在DRVI软件平台中，客户端是通过"TCP客户端"芯片和"定时器"芯片的组合来完成网络数据采集功能，另外还需采用"IP地址输入"芯片来指定数据共享服务器的IP地址，其它的芯片则与服务器端基本相同，客户端所需的软件芯片数量、种类、与软件总线之间的信号流动和连接关系如图18.3所示。  图18.3 振动测量实验（客户端）设计原理图 7. 在Web版的实验指导书中，还提供了本实验的参考脚本，可以直接点击附录中该实验脚本文件"服务器端"和"客户端"的链接，将参考的实验脚本文件读入DRVI软件平台中并运行。服务器端实验效果示意图如图18.4所示。  图18.4 加速度传感器振动测量实验（服务器端）效果图 8. 在振动实验台的电机转子上添加试重，启动电机，调整到一个稳定的转速，点击面板中的"开关"按钮，观察和分析所得到振动信号的波形和频谱，点击"多路接线开关"，观察滤波前后振动信号波形和频谱的变化情况并记录实验结果。 9. 关闭电机，在电机转子上改变试重和位置，再次启动电机进行测量，观察和分析所得到振动信号的波形和频谱。 10. 关闭电机，改变加速度传感器的测量位置，再次启动电机进行测量，观察和分析随着测量位置的改变，振动信号的波形和频谱的变化情况。 11. 对于客户端的分析，首先设定数据共享服务器的IP地址，然后在确保数据共享服务器端8500端口打开的前提下，点击"开关"按钮进行网络数据采集，观察数据共享服务器端振动信号的变化情况，并记录实验结果。客户端实验效果示意图如图18.5所示。  图18.5 加速度传感器振动测量实验（客户端）实验效果图 五. 实验报告要求 1. 简述实验目的和原理。 2. 根据实验原理和要求整理本实验的设计原理图。 3. 整理和分析实验中得到的振动信号的数据，并分析其结果。 六. 思考题 1. 为什么要采用加速度传感器来测量振动信号？ 2. 常用的振动信号测量方式有那些？ 实验十九 速度传感器振动测量实验 一. 实验目的 ????1. 通过本实验了解并掌握机械振动信号测量的基本方法。 二. 实验原理 1. 振动测量原理 ????机械在运动时，由于旋转件的不平衡、负载的不均匀、结构刚度的各向异性、间隙、润滑不良、支撑松动等因素，总是伴随着各种振动。 ????机械振动在大多数情况下是有害的，振动往往会降低机器性能，破坏其正常工作，缩短使用寿命，甚至导致事故。机械振动还伴随着同频率的噪声，恶化环境，危害健康。另一方面，振动也被利用来完成有益的工作，如运输、夯实、清洗、粉碎、脱水等。这时必须正确选择振动参数，充分发挥振动机械的性能。 ????在现代企业管理制度中，除了对各种机械设备提出低振动和低噪声要求外，还需随时对机器的运行状况进行监测、分析、诊断，对工作环境进行控制。为了提高机械结构的抗振性能，有必要进行机械结构的振动分析和振动设计。这些都离不开振动测试。 ????振动测试包括两种方式：一是测量机械或结构在工作状态下的振动，如振动位移、速度、加速度、频率和相位等，了解被测对象的振动状态，评定等级和寻找振源，对设备进行监测、分析、诊断和预测。二是对机械设备或结构施加某种激励，测量其受迫振动，以便求得被测对象的振动力学参量或动态性能，如固有频率、阻尼、刚度、频率响应和模态等。 ????振动的幅值、频率和相位是振动的三个基本参数，称为振动三要素。 ????幅值：幅值是振动强度的标志，它可以用峰值、有效值、平均值等方法来表示。 ????频率：不同的频率成分反映系统内不同的振源。通过频谱分析可以确定主要频率成分及其幅值大小，从而寻找振源，采取相应的措施。 ????相位：振动信号的相位信息十分重要，如利用相位关系确定共振点、测量振型、旋转件动平衡、有源振动控制、降噪等。对于复杂振动的波形分析，各谐波的相位关系是不可缺少的。 ????在振动测量时，应合理选择测量参数，如振动位移是研究强度和变形的重要依据；振动加速度与作用力或载荷成正比，是研究动力强度和疲劳的重要依据；振动速度决定了噪声的高低，人对机械振动的敏感程度在很大频率范围内是由速度决定的。速度又与能量和功率有关，并决定动量的大小。 2. CD-21加速度传感器简介 ????CD-21振动速度传感器的基本原理是基于一个惯性质量（线圈组件）和壳体，壳体中固定有磁铁，惯性质量用弹性元件悬挂在壳体上工作时，将传感器壳体固定在振动体上，这样当振动体振动时，在传感器工资频率范围内，线圈与磁铁相对运动，切割磁力线，在线圈内产生感应电压，该电压值正比于振动速度值，这就是振动速度传感器的工作原理。 ????  图19.1 CD-21型磁电式振动速度传感器结构示意图 三. 实验仪器和设备 1. 计算机 n台 2. DRVI快速可重组虚拟仪器平台 1套 3. 速度传感器（CD-21） 1套 4. 蓝津数据采集仪（LDAQ-EPP2） 1台 5. 开关电源（LDY-A） 1套 6. 5芯-BNC转接线 1条 7. 转子/振动实验台（LZS-A）/(LZD-A) 1 套 四. 实验步骤及内容 1. 振动测量实验结构如图19.1所示，将速度传感器通过配套的磁座吸附在转子/振动实验台底座上，然后通过一根带五芯航空插头-BNC转接电缆和数据采集仪4通道连接。  图19.2 振动测量结构示意图 2. 启动服务器，运行DRVI主程序，开启DRVI数据采集仪电源，然后点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的"DRVI采集仪主卡检测"进行服务器和数据采集仪之间的注册。联机注册成功后，分别从DRVI工具栏和快捷工具条中启动"DRVI微型Web服务器"和"内置的Web服务器"，开始监听8600和8500端口。 3. 打开客户端计算机，启动计算机上的DRVI客户端程序，然后点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的"DRVI局域网服务器检测"，在弹出的对话框中输入服务器IP地址（例如：192.168.0.1），点击"发送"按钮，进行客户端和服务器之间的认证，认证完毕即可正常运行客户端所有功能。 4. 在DRVI软件平台的地址信息栏中输入如下信息"http://服务器IP地址:8600/GccsLab/index.htm"，打开WEB版实验指导书，在实验目录中选择"加速度传感器振动测量"实验，按实验原理和要求设计该实验。 5. 本实验的目的是了解用速度传感器进行振动测量的方法，首先需要将数据采集进来，蓝津信息提供了一个配套的8通道并口数据采集仪来完成外部信号的数据采集过程，在DRVI软件平台中，对应的数据采集软件芯片为"蓝津DAQ_A/D"芯片 ；数据采集仪的启动采用一片"0/1按钮"芯片 来控制；振动信号的频谱，用一片"FFT"芯片 来计算；另外还需要选择两片"波形/频谱显示"芯片 ，用于显示振动信号的时域波形和频谱；然后再根据所需的数组型数据总线的数量，插入3片"内存条"芯片 ，用于存储数组型数据；再加上一些文字显示芯片 和装饰芯片 ，就可以搭建出一个"速度传感器振动测量实验"的服务器端，所需的软件芯片数量、种类、与软件总线之间的信号流动和连接关系如图19.3所示，根据实验原理设计图在DRVI软面包板上插入上述软件芯片，然后修改其属性窗中相应的连线参数就可以完成该实验的设计和搭建过程。 6. 对于客户端，与以前设计过的实验类似，必须在完成网络数据采集的基础上进行信号的分析和处理，在DRVI软件平台中，客户端是通过"TCP客户端"芯片 和"定时器"芯片 的组合来完成网络数据采集功能，另外还需采用"IP地址输入"芯片 来指定数据共享服务器的IP地址，其它的芯片则与服务器端基本相同，客户端所需的软件芯片数量、种类、与软件总线之间的信号流动和连接关系如图19.4所示。  图19.3 振动测量实验（服务器端）设计原理图  图19.4 振动测量实验（客户端）设计原理图 7. 在Web版的实验指导书中，还提供了本实验的参考脚本，可以直接点击附录中该实验脚本文件"服务器端"和"客户端"的链接，将参考的实验脚本文件读入DRVI软件平台中并运行。服务器端实验效果示意图如图19.5所示。 8. 在转子/振动实验台的电机转子上添加试重，启动电机，调整到一个稳定的转速，点击面板中的"开关"按钮，观察和分析所得到振动信号的波形和频谱，点击"多路接线开关"，观察滤波前后振动信号波形和频谱的变化情况并记录实验结果。 9. 关闭电机，在电机转子上改变试重和位置，再次启动电机进行测量，观察和分析所得到振动信号的波形和频谱。 10. 关闭电机，改变加速度传感器的测量位置，再次启动电机进行测量，观察和分析随着测量位置的改变，振动信号的波形和频谱的变化情况。  图19.5 速度传感器振动测量实验（服务器端）效果图 11. 对于客户端的分析，首先设定数据共享服务器的IP地址，然后在服务器端8500进行测量的同时，点击"开关"按钮进行网络数据采集，观察服务器端振动信号的变化情况，并记录实验结果。客户端实验效果示意图如图19.6所示。  图19.6 速度传感器振动测量实验（客户端）实验效果图 五. 实验报告要求 1. 简述实验目的和原理，根据实验原理和要求整理本实验的设计原理图。 2. 整理和分析实验中得到的振动信号的数据，并分析其结果。 六. 思考题 1. 采用速度传感器来测量振动信号有什么特点？ 2. 常用的振动信号测量方式有那些？ 附录：   1.?该实验的实验信号处理框图如图图19.7所示    图19.7速度传感器振动测量实验信号处理流程框   实验二十 光电传感器转速测量实验 一. 实验目的 1. 通过本实验了解和掌握采用光电传感器测量的原理和方法。 2. 通过本实验了解和掌握转速测量的基本方法。 二. 实验原理 ????直接测量电机转速的方法很多，可以采用各种光电传感器，也可以采用霍尔元件。本实验采用光电传感器来测量电机的转速。 ????由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，一般情况下又具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和相应快等优点，加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、反射式、辐射式四种基本形式。图20.1说明了这四种形式的工作方式。  图20.1 光电传感器的工作方式 直射式光电转速传感器的结构见图20.2。它由开孔圆盘、光源、光敏元件及缝隙板等组成。开孔圆盘的输入轴与被测轴相连接，光源发出的光，通过开孔圆盘和缝隙板照射到光敏元件上被光敏元件所接收，将光信号转为电信号输出。开孔圆盘上有许多小孔，开孔圆盘旋转一周，光敏元件输出的电脉冲个数等于圆盘的开孔数，因此，可通过测量光敏元件输出的脉冲频率，得知被测转速，即 n=f/N ????式中：n - 转速 f - 脉冲频率 N - 圆盘开孔数。  图20.2直射式光电转速传感器的结构图 ????反射式光电传感器的工作原理见图20.3，主要由被测旋转部件、反光片（或反光贴纸）、反射式光电传感器组成，在可以进行精确定位的情况下，在被测部件上对称安装多个反光片或反光贴纸会取得较好的测量效果。在本实验中，由于测试距离近且测试要求不高，仅在被测部件上只安装了一片反光贴纸，因此，当旋转部件上的反光贴纸通过光电传感器前时，光电传感器的输出就会跳变一次。通过测出这个跳变频率f，就可知道转速n。 n=f ????如果在被测部件上对称安装多个反光片或反光贴纸，那么，n=f/N。N-反光片或反光贴纸的数量。  图20.3 反射式光电转速传感器的结构图 三. 实验仪器和设备 1. 计算机 n台 2. DRVI快速可重组虚拟仪器平台 1套 3. 并口数据采集仪（LDAQ-EPP2） 1台 4. 开关电源（LDY-A） 1台 5. 光电转速传感器（LHYF-12-A） 1套 6. 转子/振动实验台（LZS-A）/(LZD-A) 1 台 四. 实验步骤及内容 1. 光电传感器转速测量实验结构示意图如图20.5所示，按图示结构连接实验设备，其中光电转速传感器接入数据采集仪5通道。  图20.5 转速测量实验结构示意图 2. 启动服务器，运行DRVI主程序，开启DRVI数据采集仪电源，然后点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的"DRVI采集仪主卡检测"进行服务器和数据采集仪之间的注册。联机注册成功后，分别从DRVI工具栏和快捷工具条中启动"DRVI微型Web服务器"和"内置的Web服务器"，开始监听8600和8500端口。 3. 打开客户端计算机，启动计算机上的DRVI客户端程序，然后点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的"DRVI局域网服务器检测"，在弹出的对话框中输入服务器IP地址（例如：192.168.0.1），点击"发送"按钮，进行客户端和服务器之间的认证，认证完毕即可正常运行客户端所有功能。 4. 在DRVI软件平台的地址信息栏中输入如下信息"http://服务器IP地址:8600/GccsLab/index.htm"，打开WEB版实验指导书，在实验目录中选择"转速测量"实验，按实验原理和要求设计该实验。 5. 本实验的目的是了解转速测量的方法，并且要实现服务器端的数据共享功能，需要分别设计服务器端和客户端的实验脚本。对于服务器端，首先需要将数据采集进来，蓝津信息提供了一个配套的8通道并口数据采集仪来完成外部信号的数据采集过程，在DRVI软件平台中，对应的数据采集软件芯片为"蓝津DAQ_A/D"芯片 ；数据采集仪的启动采用一片"0/1按钮"芯片 来控制；为完成转速的计算，使用一片"VBScript脚本"芯片 ，在其中添加转速计算的脚本，计算出电机的旋转频率和转速，并通过"数码LED"芯片 显示出来；另外，为了控制计算的准确性，插入一片"数字调节"芯片 ，用于设定门限值，只有大于该门限值的信号才被认为是正常的转速信号；还需要选择一片"波形/频谱显示"芯片 ，用于显示通过光电传感器获取的转速信号的时域波形；然后再插入1片"内存条"芯片 ，用于数据采集仪采集到的存储数组型数据；再加上一些文字显示芯片 和装饰芯片 ，就可以搭建出一个"转速测量"服务器端的实验，所需的软件芯片数量、种类、与软件总线之间的信号流动和连接关系如图20.6所示，根据实验原理设计图在DRVI软面包板上插入上述软件芯片，然后修改其属性窗中相应的连线参数就可以完成该实验的设计和搭建过程。  图20.6 转速测量实验（服务器端）设计原理图 6. 在本实验中，转速的计算是通过在"VBScript脚本"芯片 中添加脚本实现的，该芯片由内存芯片6000来驱动，当6000中数据产生变化，也就是有新的采样数据进来时，启动"VBScript脚本" 芯片计算电机的旋转频率和转速。其参考计算脚本如下： Dim data(2030),a(2000) GetArray 6000,1024,data gate=Getline(4) k=0 j1=0 j2=0 For i = 0 To 500 If data(i)<=gate Then j1=1 End If If data(i)>gate Then j1=0 End If If j2 a(k)=i k=k+1 End If j2=j1 Next dt=GetInterval(6000) If k>2 Then npoint=a(k-1)-a(1) If npoint = 0 Then npoint = a(k)-a(1) End If t=dt*npoint interval=t/(k-2) Fre=1.0/interval Speed=Fre*60 Setline 2,fre Setline 3,Speed End If If k<3 Then Setline 2,-1 Setline 3,-1 End If  图20.7 转速测量实验（客户端）设计原理图 7. 对于客户端，与以前设计过的实验类似，必须在完成网络数据采集的基础上进行信号的分析和处理，在DRVI软件平台中，客户端是通过"TCP客户端"芯片 和"定时器"芯片 的组合来完成网络数据采集功能，另外还需采用"IP地址输入"芯片 来指定数据共享服务器的IP地址，其它的芯片则与服务器端基本相同，客户端所需的软件芯片数量、种类、与软件总线之间的信号流动和连接关系如图20.7所示。 8. 在Web版的实验指导书中，还提供了本实验的参考脚本，可以直接点击附录中该实验脚本文件"服务器端"和"客户端"的链接，将参考的实验脚本文件读入DRVI软件平台中并运行。服务器端实验效果示意图如图20.8所示。  图20.8 转速测量实验（服务器端）效果图 9. 在电机转子侧面上贴上反光纸，将光电传感器探头对准反光纸，调节传感器后面的灵敏度旋钮至传感器对反光纸敏感，对其它部位不敏感，然后启动实验台，调节转速旋钮使电机达到某一稳定转速。 10. 设定合适的门限值，点击面板中的"开关"按钮进行测量，观察并记录测量的转速值，调整传感器的位置，同时观察检测到的转速波形和传感器位置之间的关系，并分析由此带来的测量误差。 11. 调节电机转速至另一稳定转速，再次进行测量。 12. 对于客户端的分析，首先设定数据共享服务器的IP地址，然后在确保数据共享服务器端8500端口打开的前提下，点击"开关"按钮进行网络数据采集，观察数据共享服务器端转速测量值随外界条件变化而变化的情况，并记录实验结果。客户端实验效果示意图如图20.9所示。  图20.9 转速测量实验（客户端）实验效果图 五. 实验报告要求 1. 简述实验目的和原理，根据实验原理和要求整理实验设计原理图。 2. 根据实验步骤分析并整理转速测量结果。 六. 思考题 1. 转速测量还可以采用其它那些传感器进行？ 2. 采用光电传感器测量转速的精度如何，怎样保证测量的准确性？ 附录：   1.?该实验的实验信号处理框图如图20.10所示    图20.10转速测量实验信号处理框图   实验二十一 转子现场动平衡实验 一. 实验目的 ???? 通过本实验了解动平衡实验的基本方法 二. 实验原理 ???? 在实际工作过程中人们通常用单面加重三元作图法进行叶轮、转子等设备的现场动平衡，以消除过大的振动超差。这一方法的优点是设备简单——只需一块测振表。但缺点是作图分析的过程复杂，不易被掌握，而且容易出现错误。为此，我们在这里提出了一种简单易行的方法——单面现场动平衡的三点加重法。 ???? 假设在假设转子上有一不平衡量m，所处角度为α，用分量mx、my表示不平衡量。 ???????????????????????????????????? mx=mcosα ???????????????????????????????????? my=msinα 为了确定不平衡量m的大小和位置α，启动转子在工作转速下旋转，用测振设备在一固定点测试振动振速，设振速为V0，则存在下列关系 ????????????????????????????????????  式中Ｋ为比例系数 ???????????????????????????????????  ???????????????????????????????????????????? 图21.1　三点加重法示意图 在P1(α=0 )点加试重M，启动转子到工作转速，测得振动振速V1，有如下关系： ?????????????????????????????????????????????  用同样的方式分别在P2(α=120o )和P3(α=240 o )点加试重M，并测得振动值V2 ，V3，有如下关系： ????????????????????????????????????????????  ????????????????????????????????????????????  从以上三式推导可得： ????????????????????????????????????????????  从而可以进一步推得： ????????????????????????????????????????????  即由mx，my计算不平衡质量m和位置α。 三. 实验仪器和设备 1. 计算机 n台 2. DRVI快速可重组虚拟仪器平台 1套 3. 速度传感器（CD-21） 1套 4. 蓝津数据采集仪（LDAQ-EPP2） 1台 5. 开关电源（LDY-A） 1套 6. 5芯-BNC转接线 1条 7. 转子/振动实验台（LZS-A）/(LZD-A) 1 套 四. 实验步骤及内容 1.??? 转子动平衡实验结构如图21.2所示，将速度传感器通过配套的磁座吸附在转子实验台底座上，然后通过一根带五芯航空插头-BNC转接电缆和数据采集仪4通道连接。 ???????????????????  ?????????????????????????????? 图21.2 转子动平衡实验结构示意图 2. 启动服务器，运行DRVI主程序，开启DRVI数据采集仪电源，然后点击DRVI快捷工具条上的“联机注册”图标，选择其中的“DRVI采集仪主卡检测”进行服务器和数据采集仪之间的注册。联机注册成功后，分别从DRVI工具栏和快捷工具条中启动“DRVI微型Web服务器”和“内置的Web服务器”，开始监听8600和8500端口。 3. 打开客户端计算机，启动计算机上的DRVI客户端程序，然后点击DRVI快捷工具条上的“联机注册”图标，选择其中的“DRVI局域网服务器检测”，在弹出的对话框中输入服务器IP地址（例如：192.168.0.1），点击“发送”按钮，进行客户端和服务器之间的认证，认证完毕即可正常运行客户端所有功能。 4. 在DRVI软件平台的地址信息栏中输入如下信息“http://服务器IP地址:8600/GccsLab/index.htm”，打开WEB版实验指导书，在实验目录中选择“转子现场动平衡”实验，按实验原理和要求设计该实验。 5. 在转子实验台的配重盘上选取一个位置（比如贴反光纸的位置）作为初始位置（即P1点），然后用转子实验台附件中的螺钉，任意选取一个位置加上，作为不平衡重。 6. 选择附录中该实验脚本文件“服务器端”的链接，将参考的实验脚本文件读入DRVI软件平台，如图21.3所示。启动转子/振动实验台到稳定转速，点击“数据采集开始”按钮，再点击“获取初始振动数据”按钮，获取初始振动数据，然后停止运行转子/振动实验台。 ?????????????????????????  ???????????????????????????????????????? 图21.3三点加重法动平衡试验（服务器） 7. 取一个已知质量的螺钉，在α为0的点即P1点添加试重，启动实验台到稳定转速，点击“数据采集开始”按钮，再点击“获取角度为0的振动数据”按钮，获取α为0的振动数据，然后停止运行。 8. 取下该螺钉，从0位置开始沿逆时针方向转动120°，固定螺钉，再启动试验台，点击“获取角度为120度的振动数据”按钮，获取α为120°的振动数据，再次停止运行。 9. 再取下该螺钉，从零位置开始沿逆时针方向转动240°，固定螺钉，再启动试验台，点击“获取角度为240度的振动数据”按钮，获取α为240°的振动数据，再次停止运行。 10. 然后点击“计算”按钮，即可计算出不平衡试件的质量和位置。 11. 对于客户端的分析，首先设定数据共享服务器的IP地址，然后在服务器端进行数据采集的同时，进行网络数据采集。必需注意的是，客户端在进行测量的时候，必须与服务器端的测量步骤保持一致，才能获得正确的测量效果。客户端实验效果如图21.4所示。 ?????????????????????????  ?????????????????????????????????????????? 图21.4三点加重法动平衡试验（客户端） 五. 实验报告要求 1. 简述实验目的和原理。 2. 整理和分析测量结果。 六. 思考题 1. 三点加重法动平衡实验有那些特点？ 2. 动平衡的方法还有那些？它们测量的准确性和方便性各怎样？ 附录：   1.?该实验的实验信号处理框图如图21.5所示    图21.5 三点加重法动平衡试验信号处理框图   实验二十二 力传感器标定及称重实验 一. 实验目的 ????1. 通过本实验了解和掌握力传感器的测量原理和方法。 二. 力传感器工作原理简介 ????电阻应变计是利用物体线性长度发生变形时其阻值会发生改变的原理制成的，其电阻丝一般用康铜材料，它具有高稳定性及良好的温度、蠕变补偿性能。测量电路普遍采用惠斯通电桥（如图22.1所示），利用的是欧姆定律，测试输出量是电压差。 ??????????????????????????  ????????????????????????????????? 图22.1 惠斯通电桥 ????本实验采用的电阻应变计采用的是惠斯通全桥电路，当物料加到载物台后，4个应变片会发生变形，产生电压输出，经采样后送到计算机由DRVI快速可重组虚拟仪器平台软件处理。因为电桥在生产时有一些误差，不可能保证每一个电桥的电阻阻值和斜率保持一致。所以，传感器在使用之前必须要经过线性校正，这是由于计算机得到的是经过采样后的数字量，与真实质量之间是一种线性关系，需要由标定来得到这个关系。 ???????????????????????????  ?????????????????????????????????? 图22 .2力传感器实物 ????在实验中采用的力传感器是LYB-5-A型应变力传感器具有精度高、复现性好的特点。其外形见图22.2。需要特别强调的是：由于力传感器的过载能力有限（150%），所以，在实际使用过程中应尽量避免用力压传感器的头部或冲击传感器。否则，极易导致传感器因过载而损坏！ 三. 实验仪器和设备 1. DRVI可重组虚拟实验开发平台 1套 2. 蓝津数据采集仪（LDAQ-EPP2） 1套 3. 开关电源（LDY-A） 1套 4. 称重台 1个 四. 实验步骤及内容 1. 将称重台的传感器输出线与实验台上对应的接口相连。 2. 启动服务器，运行DRVI主程序，开启DRVI数据采集仪电源，然后点击DRVI快捷工具条上的“联机注册”图标，选择其中的“DRVI采集仪主卡检测”进行服务器和数据采集仪之间的注册。联机注册成功后，分别从DRVI工具栏和快捷工具条中启动“DRVI微型Web服务器”和“内置的Web服务器”，开始监听8600和8500端口。 3. 打开客户端计算机，启动计算机上的DRVI客户端程序，然后点击DRVI快捷工具条上的“联机注册”图标，选择其中的“DRVI局域网服务器检测”，在弹出的对话框中输入服务器IP地址（例如：192.168.0.1），点击“发送”按钮，进行客户端和服务器之间的认证，认证完毕即可正常运行客户端所有功能。 4. 在DRVI软件平台的地址信息栏中输入如下信息“http://服务器IP地址:8600/GccsLab/index.htm”，打开WEB版实验指导书，在实验目录中选择“力传感器标定及称重”实验，按实验原理和要求设计该实验。 5. 选择附录中该实验脚本文件“服务器端”的链接，将参考的实验脚本文件贴入DRVI软件平台，如图22.3所示。 ??????????????????????????  ???????????????????????????????????????? 图22.3应变式力传感器称重实验（服务器） 6. 首先进行传感器的标定：用标准砝码测定K，b值，取两个点（即分别用两个不同的砝码），计算出K，b的值作为标定结果。具体操作过程为：点击面板上的“运行”按钮，在载物台上放置一个标准砝码100克（或其他大小），然后输入“100（或其他值）”到“试载参数x1”输入框中，然后点击“标定1” 按钮记录下第一点的值；改变砝码的质量，比如300质量的砝码，输入“300”到“试载参数x2”输入框中，然后点击“标定2”按钮记录下第二点的值；再点击“标定结果”按钮，得到K,b标定值。 7. 标定完毕，即可进行物体测量。将所测物体放在载物台上，然后点击“实测质量”按钮，得到被测物体质量值。再改变质量块的大小，观察和分析计算结果。 8. 对于客户端，在服务器端进行标定及计算的同时，客户端也同步进行同样的操作，即在服务器端进行“标定1”参数读取的同时，客户端也进行“标定1”参数的读取，在服务器端进行“标定2”参数读取的同时，客户端也进行“标定2”参数的读取，然后完成标定计算过程及质量测量过程。客户端示意图如图22.4所示。 ?????????????????????????  ???????????????????????????????????????? 图22.4应变式力传感器称重实验（客户端） 五. 注意事项 1. LYB-5-A型传感器的称重或测量不超过2Kg的力（平稳，不含过强冲击）。 2. 在客户端标定过程中，必须保持客户端与服务器端同步。 3. 不要冲击传感器或在其上施加过大的力，以免因过载而损坏传感器。 六. 实验报告要求 1. 根据实验内容整理实验结果，并分析和说明其检测原理。 2. 在客户端标定过程中，必须保持客户端与服务器端同步。 七. 思考题 1. 分析测量误差。 2. 应用于称重的传感器还有那些？简述其工作原理。 附录：   1.?该实验的实验信号处理框图如图22.5所示    图22.5 应变式力传感器称重实验信号处理框图   实验二十三 霍尔传感器传输速度测量实验 一. 实验目的 1. 通过本实验熟悉霍尔传感器的工作原理。 2. 通过本实验了解和掌握采用LHG-5-A型霍尔传感器进行转速测量实验的原理和方法。 二. 实验原理 ????霍尔传感器是利用霍尔效应来工作的一类传感器的总称。霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。霍尔元件具有对磁场敏感，结构简单、体积小、频响宽、动态范围大(输出电势的变化大)、无活动部件、使用寿命长等优点，因此在测量技术、自动化技术等方面有着广泛的应用。 ??? 利用霍尔输出正比于控制电流和磁感应强度乘积的关系，可分别使其中一个量保持不变，另一个量作为变量；或两者都作为变量。因此，霍尔元件大致可分为三种类型的应用。例如，当保持元件的控制电流恒定，而使元件所感受的磁场因元件与磁场的相对位置、角度的变化而变化时，元件的输出正比于磁感应强度，这方面的应用有测量恒定和交变磁场的高斯计等。当元件的控制电流和磁感应强度都作为变量时，元件的输出与两者乘积成正比，这方面的应用有乘法器、功率计等。 ??? 霍尔元件也可以用来测量旋转体转速。利用霍尔元件测量转速的方案很多。其一是将永久磁铁装在旋转体上，霍尔元件装在永久磁铁旁，相隔lmm左右。当永久磁铁通过霍尔元件时，霍尔元件输出一个电脉冲(如图23.1所示)。由脉冲信号的频率便可得到转速值。其二是将永久磁铁装在靠近带齿旋转体的侧面，磁铁N极与S极的距离等于齿距。霍尔元件粘贴在磁极的端面。齿轮每转过一个齿，霍尔元件便输出一个电脉冲，测定脉冲信号的频率便可得到转速值。本实验利用LHG-5-A型霍尔传感器采用第一种方案来进行速度测量。 ??????????????????  ??????????????????????????????????? 图23.1 霍尔传感器转速测量 三. 实验仪器和设备 1. 输送线实验台架（LCSX-12-A） 1套 2. 霍尔传感器（LHG-5-A） 1套 3. 蓝津数据采集仪（LDAQ-EPP2） 1套 4. 开关电源（LDY-A） 1套 5. 传感器支架（LZJ-A） 1套 6. 个人计算机 n台 四. 实验步骤及内容 1. 输送线传输速度测量实验结构如图23.2所示，将LHG-5-A型霍尔传感器接入输送线模块对应通道。 ???????????????????  ?????????????????????????????? 图23.2 输送线传输速度测量实验结构示意图 2. 启动服务器，运行DRVI主程序，开启DRVI数据采集仪电源，然后点击DRVI快捷工具条上的“联机注册”图标，选择其中的“DRVI采集仪主卡检测”进行服务器和数据采集仪之间的注册。联机注册成功后，从DRVI工具栏中启动“DRVI微型Web服务器”，开始监听8600端口。 3. 在DRVI软件平台的地址信息栏中输入如下信息“http://服务器IP地址:8600/GccsLab/index.htm”，打开WEB版实验指导书，在实验目录中选择 “霍尔传感器传输速度测量”实验，点击附录中“服务器端”脚本文件链接，将本实验的“服务器”端脚本文件读入。 4. 点击“开始”按钮运行服务器端的实验脚本，如果显示波形没有出现近似矩形波，并且相关的速度测量是无效的，请调整脉冲计数门限，直到出现正常的波形为止，如图23.3所示。 5. 打开客户端计算机，启动计算机上的DRVI客户端程序，然后点击DRVI快捷工具条上的“联机注册”图标，选择其中的“DRVI局域网服务器检测”，在弹出的对话框中输入服务器IP地址（例如：192.168.0.1），点击“发送”按钮，进行客户端和服务器之间的认证，认证完毕后即可正常运行客户端中所有的功能。 ??????????????????  ????????????????????????????????????? 图23.3 转速测量服务器端实验样本 6. 点击附录中的“客户端”脚本文件链接，将实验的脚本文件读入。将服务器IP地址填入数据服务器IP地址输入栏中，如图23.4所示。在服务器端进行数据采集的同时，点击“开始”按钮，进行客户端的速度测量过程。 ??????????????????  ?????????????????????????????????????? 图23.4 转速测量客户端实验样本 五. 实验报告要求 简述实验目的和原理，分析并整理实验测量结果。 六. 思考题 1．该实验还可以采用其它哪些传感器进行？ 2．调整不同的采样频率后，输出信号有何变化？并解释产生这种现象的原因。 附录：   1.?该实验的实验信号处理框图如图23.5所示    图23.5 转速测量实验信号处理框图   实验二十四 电涡流开关铁磁性物体检测实验 一. 实验目的 1. 通过本实验熟悉电涡流传感器的工作原理。 2. 通过本实验了解和掌握采用LDG-12-A型电涡流传感器进行铁磁性物体检测实验的原理和方法。 二. 实验原理 ????电涡流传感器是一种非接触式传感器，一般由探头、延伸电缆、前置器构成基本的工作系统（如图24.1所示）。前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场。如果在这一交变磁场的有效范围内没有金属材料靠近，则这一磁场能量会全部损失；当有被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，电磁学上称之为电涡流，与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变（线圈的有效阻抗），这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。通常假定金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性，则线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率б、磁导率ξ、尺寸因子τ、头部体线圈与金属导体表面的距离D、电流强度I和频率ω参数来描述。则线圈特征阻抗可用Z=F(τ, ξ, б, D, I, ω)函数来表示。通常我们能做到控制τ, ξ, б, I, ω这几个参数在一定范围内不变，则线圈的特征阻抗Z就成为距离D的单值函数，虽然它整个函数是一非线性的，其函数特征为“S”型曲线，但可以选取它近似为线性的一段。于此，通过前置器电子线路的处理，将线圈阻抗Z的变化，即头部体线圈与金属导体的距离D的变化转化成电压或电流的变化。输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化，电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。 ??????????????????  ????????????????????????????? 图24.1 电涡流传感器基本工作系统 其工作过程是，当被测金属与探头之间的距离发生变化时。则探头中线圈的Q值发生变化，Q值的变化引起振荡电压幅度的变化，这个随距离变化的振荡电压经过检波、滤波、放大归一处理转化成电压（电流）变化。最终完成机械位移(间隙)转换成电压（电流）。 由上所述，电涡流传感器工作系统中被测体可看作传感器的一半，即一个电涡流位移传感器的性能与被测体有关。 三. 实验仪器和设备 1. 输送线实验台架（LCSX-12-A） 1套 2. 电涡流传感器（LDG-12-A） 1套 3. 蓝津数据采集仪（LDAQ-EPP2） 1套 4. 开关电源（LDY-A） 1套 5. 传感器支架（LZJ-A） 若干 6. 铁性试件 若干 7. 个人计算机 n台 四. 实验步骤及内容 1. 铁磁性物体检测实验结构示意图如图24.2所示，将LHF-12-A型电涡流传感器接入输送线模块对应通道。 ???????????????????  ?????????????????????????????? 图24.2 铁磁性物质检测实验结构示意图 2. 启动服务器，运行DRVI主程序，开启DRVI数据采集仪电源，然后点击DRVI快捷工具条上的“联机注册”图标，选择其中的“DRVI采集仪主卡检测”进行服务器和数据采集仪之间的注册。联机注册成功后，从DRVI工具栏中启动“DRVI微型Web服务器”，开始监听8600端口。然后在实验目录中选择“电涡流开关铁磁性物体检测”实验，点击附录中的“服务器端”脚本文件链接，将本实验的服务器端脚本文件读入，如图24.3所示。 3. 如果计数值不为零，则点击其中的“复位”按钮将计数器清零，然后点击“开始”按钮进行物件计数实验。 ??????????????????  ????????????????????????????????????? 图24.3 铁磁性物质检测服务器端实验样本 4. 分别在输送线上放置铁块与塑料块，仔细观察输出波形的跳变和物件计数数量间的关系，记录和分析实验结果。 5. 打开客户端计算机，启动计算机上的DRVI客户端程序，然后点击DRVI快捷工具条上的“联机注册”图标，选择其中的“DRVI局域网服务器检测”，在弹出的对话框中输入服务器IP地址（例如：192.168.0.1），点击“发送”按钮，进行客户端和服务器之间的认证，认证完毕即可正常运行客户端所有功能。 6. 在客户端的DRVI的地址信息栏中输入如下信息“http://服务器IP地址:8600/GccsLab/index.htm”，打开WEB版实验指导书，在实验目录中选择“电涡流开关铁磁性物体检测”实验，点击附录中的“客户端”脚本文件链接，将实验的脚本文件读入。 ?????????????????  ?????????????????????????????????????? 图24.4 铁磁性物质检测客户端实验样本 五. 实验报告要求 简述实验目的和原理，分析并整理实验测量结果。 六. 思考题 1. 该实验还可以采用其它哪些传感器进行？ 2. 调整传感器的位置（与被测物体的距离）后，输出信号有何变化？与其工作原理相符吗？ 附录：   1.?该实验的实验信号处理框图如图24.5所示    图24.5 铁磁性物质检测实验信号处理框图   实验二十五 红外传感器产品计数实验 一. 实验目的 ????1. 通过本实验熟悉光电传感器的工作原理。 ????2. 通过本实验了解和掌握采用LHF-12-A型红外传感器进行物件计数实验的原理和方法。 二. 实验原理 ????光电测量方法灵活多样，可测参数众多，一般情况下又具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和响应快等优点，加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、反射式、辐射式四种基本形式。图25.1说明了这四种形式的工作方式。  ?   图25.1 光电传感器的工作方式 ?  ????本实验所采用的LHF-12-A型红外光电传感器属于反射性传感器，在同一壳体内装有发射器和接受器，此外配有一块特殊的反射板，使从发射器里发出的光线能反射到接受器表面。当被测物遮住光线，传感器就开始工作，实现了开关功能。在正常状态下（没有物体通过），传感器输出为一定值，当有物体通过时，由于光线被遮断，传感器输出发生跳变，由数据采集仪获得后，通过DRVI快速可重组虚拟仪器平台的脚本就可以实现物件计数。 三. 实验仪器和设备 1. 输送线实验台架（LCSX-12-A）???1套 2. 红外反射式传感器（LHF-12-A）??1套 3. 蓝津数据采集仪（LDAQ-EPP2）???1套 4. 开关电源（LDY-A）?????????????1套 5. 传感器支架（LZJ-A）???????????若干 6. 个人计算机 n台 四. 实验步骤及内容 1. "红外传感器产品计数"实验结构示意图如图25.2所示，将LHF-12-A型电涡流传感器接入输送线实验模块对应通道。  图25.2 红外传感器产品计数实验结构示意图 2. 启动服务器，运行DRVI主程序，开启DRVI数据采集仪电源，然后点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的"DRVI采集仪主卡检测"进行服务器和数据采集仪之间的注册。联机注册成功后，从DRVI工具栏中启动"DRVI微型Web服务器"，开始监听8600端口。然后在实验目录中选择"红外传感器产品计数"实验，点击附录中"服务器端"脚本文件链接，将本实验的"服务器"端脚本文件读入。 3. 如果计数值不为零，则点击其中的"复位"按钮将计数器清零，然后点击"开始"按钮进行物件计数实验。如图25.3所示。  图25.3 物件计数服务器端实验样本 4. 打开客户端计算机，启动计算机上的DRVI客户端程序，然后点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的"DRVI局域网服务器检测"，在弹出的对话框中输入服务器IP地址（例如：192.168.0.1），点击"发送"按钮，进行客户端和服务器之间的认证，认证完毕即可正常运行客户端所有功能。 5. 在客户端的DRVI的地址信息栏中输入如下信息"http://服务器IP地址:8600/GccsLab/index.htm"，打开WEB版实验指导书，在实验目录中选择"红外传感器产品计数"实验，点击附录中的"客户端"脚本文件链接，将实验的脚本文件读入。 6. 将服务器的IP地址填入数据服务器IP地址的输入栏，如图25.4所示。点击仪器面板中的"复位"按钮将计数器复位。在服务器端进行数据采集的同时，点击"开始"按钮，即可实现客户端的物件计数过程，再次点击"开始"按钮，结束计数过程。 7. 仔细观察输出波形的跳变和物件计数数量间的关系，记录和分析实验结果。  图25.4 物件计数客户端实验样本 五. 实验报告要求 1. 简述实验目的和原理； 2. 分析并整理实验测量结果。 六. 思考题 1．产品计数实验还可以采用其它哪些传感器进行？各有什么特点？ 附录：   1.?该实验的实验信号处理框图如图25.4所示    图25.4 物件计数实验信号处理框图     实验二十六 单摆周期及重力加速度测量实验  1. 简介 ????单摆实验台主要是针对工程测试课程实验教学需要而设计的，结合DRVI可重组虚拟实验开发平台、红外反射式传感器和数据采集仪，可以开设单摆的周期测量和重力加速度计算实验。 ????该实验台利用单摆的摆锥经过红外传感器时产生的遮挡效应，对遮挡的脉冲进行计算，并根据采样频率计算出相应的时间，从而推算出单摆的摆动周期，最后通过数学算法即计算公式g=4π2l/T2来计算重力加速度的值。 2. 结构组成 ????单摆实验台的结构示意如图1所示，结构总体尺寸为 (长×宽×高)，主要包括的零件有：  图1 单摆实验台结构示意图 3. 操作说明 3.1 实验准备 ????运用单摆实验台进行实验教学所需准备的实验设备为： 1.? DRVI可重组虚拟实验开发平台? 1套 2.? 单摆实验台（LDB-A）? 1套 3.? 红外反射式传感器（LHF-12-A）? 1套 4.? 蓝津数据采集仪（LDAQ-EPP2）? 1台 5.? 开关电源（LDY-A）? 1套 ???备齐所需的设备后，将红外反射传感器通过5芯电缆和数据采集仪1通道连接，数据采集仪通过并口电缆与PC机并口连接。在保证接线无误的情况下，可以开始进行实验。 3.2 实验操作 ????1. 启动服务器，运行DRVI主程序，开启DRVI数据采集仪电源，然后点击DRVI快捷工具条上的“联机注册”图标，进行服务器和数据采集仪之间的注册。联机注册成功后，启动DRVI内置的“Web服务器功能”，开始监听8500端口。  图2 单摆周期及重力加速度测量实验 ?? 2. 启动DRVI中的“单摆周期及重力加速度测量（服务器端）”实验脚本。 ?? 3. 选择测量数据组数：点击“数据组数”的上下箭头，以5为增量，设定测量计算的数据组数。 ?? 4. 测量摆长：用直尺测量悬挂点到摆锥锥心的距离作为摆长，并输入到单摆摆长输入框中。 ?? 5. 选取门限值：该门限值的作用是设定那些脉冲被计数，也就是说超过该门限值的脉冲才被认为是正常的信号脉冲，一般取700～850作为门限值。 ?? 6. 设定初始值：完成操作步骤3～5后，点击“设定初始值”按钮，进行初始值设定。 ?? 7. 测量：点击“运行”按钮，摆动摆锥。摆锥通过红外传感器时，会被记录一次。反映在波形上就是一个正跳变。当“波形/频谱显示芯片”中同时出现三个正跳变时，“液晶数据显示芯片”里记录的数据组数会自动减去1，直到数据组数减到0时，自动计算并显示出单摆周期和重力加速度的值。 ?? 8. 客户端操作。通过网络安装DRVI软件在客户端计算机上，在客户端运行DRVI软件，打开“单摆周期及重力加速度测量（客户端）”实验脚本，将服务器IP地址添入标记”数据服务器IP地址”的IP输入IC中，如图3所示。根据服务器端的测量值设定客户端的“数据组数”、“单摆摆长”及“门限值”，然后点击“设定初始值”按钮，进行客户端初始值的设定。设定完毕后点击“运行”按钮开始测量及计算过程，再次点击“运行”按钮，结束网络端的分析过程。  图3 单摆周期及重力加速度测量实验 4. 注意事项 ????1. 单摆的摆动 ????在最大位移处释放单摆，尽量让单摆在一个平面内做摆动。摆幅<5°。如果单摆作圆锥摆，则会极大地影响测量精确度。在单摆几乎处于静止状态时测得的值也会影响结果准确度。应该在摆幅较大时进行测量。 ????2. 摆长的测量 ????摆长＝悬挂点到结点线长＋圆柱台阶高＋圆锥底面到锥心的距离 ????悬挂点到结点线长和圆柱台阶高可以用直尺直接测量得到。圆锥底面到锥心的距离可以通过公式计算，其中圆锥底面半径20mm，高20mm。??? ????采用多次测量取平均值的方法减小误差。 ????3. 点击“运行”之前一定要点击“设定初始值”进行初始值设定，否则会出现错误的测量值。 5. 实验报告要求 ????1.? 简述实验原理和目的。 ????2.? 根据实验原理和要求整理出本实验的设计原理图。 ????3.? 使用不同的摆长来测量，并作表将摆长和结果列出。 6. 思考题 ????1.? 单摆的周期测定有哪些方法？ ????2.? 在本实验中如何避免摆锤作椭圆运动？ ????3.? 怎样消除摆长测量误差对计算结果(重力加速度)的影响？ 附录：   1.?该实验的实验信号处理框图如图4所示    图4 单摆周期及重力加速度测量实验信号处理框图     实验二十七 一阶系统响应时间测量实验  1. 简介 ????对一阶响应实验台，系统的输入Xi(t)和输出X0(t)可等效为一阶测试系统。当系统输入为单位阶跃时，相应的微分方程为:     ? ????一阶系统的传递函数为:     ? ????式中，T为一阶系统的时间常数。 ????传感器敏感元件的响应输出滞后于物理量的变化，带来误差。这个误差可以用一阶系统的时间响应常数T来表示，T越小，系统响应越快。系统的时间响应常数可以通过测量系统在单位阶跃信号输入下的响应信号来完成。 ????通过本实验可以了解一阶系统阶跃响应的基本特性，并计算一阶响应的时间常数。 2. 结构组成 ????一阶响应系统实验台的结构示意如图1所示，结构总体尺寸为 (长×宽×高)，主要包括的零件有：  图1 一阶响应实验台结构示意图 3. 操作说明 3.1 实验准备 ????运用一阶响应实验台进行实验教学所需准备的实验设备为： 1. DRVI可重组虚拟实验开发平台? 1套 2. 一阶响应实验台（LYX-12-A）? 1套 3. 温度传感器（LWZ-5-A）? 1个 4. 套筒（LTZ-A）? 3个 5. 蓝津数据采集仪（LDAQ-EPP2）? 1台 6. 开关电源（LDY-A）? 1套 ????备齐所需的设备后，将开关电源的12V电源和恒温器背面的接线柱相连，温度传感器的5芯电缆和数据采集仪1通道连接，数据采集仪通过并口电缆与PC机并口连接。在保证接线无误的情况下，打开恒温器电源开关开始加热。 3.2 实验操作 ????1.? 启动服务器，运行DRVI主程序，开启DRVI数据采集仪电源，然后点击DRVI快捷工具条上的“联机注册”图标，进行主数据采集仪之间的注册。联机注册成功后，启动DRVI内置的“Web服务器功能”，开始监听8500端口。  图2 一阶系统响应（服务器端） ????2.? 启动DRVI中的“一阶系统响应（服务器端）”实验脚本。将温度传感器完全旋进套筒内，向容器内加入2/3的清水，打开实验台电源开关，旋动温度调节开关，选择一个温度开始加温。 ????3.? 点击面板中的“测试”按钮，首先测量常温状态下温度传感器的数值，等加温到恒定温度后，将温度传感器投入到容器中，开始测量随着温度的升高趋势曲线的变化过程，当温度上升趋势变化到很缓慢的时候停止采样，然后点击“计算时间常数”按钮，此时在数码框中将显示出时间常数的计算值。 ????4.? 客户端操作。通过网络安装DRVI软件在客户端计算机上，在客户端运行DRVI软件，首先进行客户端软件的联网注册，注册成功后打开“一阶系统响应（客户端）”实验脚本，修改网络采集芯片的IP地址和服务器IP地址一致，如图3所示。设定完毕后，在服务器端进行操作的同时进行客户端的相应操作，得出测量结果。 ? 图3 一阶系统响应（客户端） ????5.? 更换不同厚度的套筒，再次测量温度响应并记录实验结果。 4. 实验报告要求 ????1.? 简述实验原理和目的 ????2.? 根据实验原理和要求整理出本实验的设计原理图。 附录：   1.?该实验的实验信号处理框图如图4所示    图4 一阶系统响应时间测量实验的信号处理流程图     实验二十八 悬臂梁固有频率测量实验  1. 简介 ????悬臂梁实验台主要是针对高校工程测试课程实验教学需要而设计的，结合DRVI快速可重组虚拟仪器开发平台、振动测量传感器和数据采集仪，可以开设悬臂梁固有频率测量实验。 2. 结构组成 ????悬臂梁实验台的结构示意如图1所示，结构总体尺寸为120×110×150mm(长×宽×高)，主要包括的零件有：  图1 悬臂梁实验台结构示意图 ????1.? 悬臂 ????2.? 底座 3. 操作说明 3.1 实验准备 ????运用悬臂梁实验台进行实验教学所需准备的实验设备为： 1.? 悬臂梁实验台（LXBL-A）? 1套 2.? 加速度传感器（YD-37）? 1套 3.? 加速度传感器变送器（LBS-12-A）? 1台 4.? 蓝津数据采集仪（LDAQ-EPP2）? 1台 5.? 开关电源（LDY-A）? 1套 6.? 脉冲锤? 1只 7.? 5芯对等线? 1条 ????备齐所需的设备后，将加速度传感器安装在悬臂梁前端的安装孔上，然后将加速度传感器与变送器相连，变送器通过5芯对等线与数据采集仪1通道连接，数据采集仪通过并口电缆与PC机并口连接，加速度传感器调理电路模块接线如图2所示。在保证接线无误的情况下，可以开始进行实验。  图2 加速度传感器调理电路接线示意图 3.2 实验操作 ????悬臂梁固有频率测量实验利用加速度传感器来测量悬臂振动的信号，经过频谱变换（FFT）处理后得到悬臂梁的一阶固有频率，需要注意的是该实验数据采集采用预触发方式，数据采集仪的触发电平要根据现场情况进行设置，实验过程如下： ????1.? 启动服务器，运行DRVI主程序，开启DRVI数据采集仪电源，然后点击DRVI快捷工具条上的“联机注册”图标，进行服务器和数据采集仪之间的注册。联机注册成功后，启动DRVI内置的“Web服务器功能”，开始监听8500端口。  图3 悬臂梁固有频率测量实验样本图 ????2.? 启动DRVI中的“悬臂梁固有频率测量”实验脚本，然后设定数据采集仪的工作模式为外触发采样，同时设置触发电平(如800)和预触发点数（如20），然后点击“运行”按钮启动采样过程（由于采用外触发采样方式，此时处于等待状态）。 ????3.? 用脉冲锤敲击悬臂梁，产生脉冲激振。敲击的力幅要适当，着力点要准确，迅速脱开。如检测不到冲击振动信号，则适当修改采集仪中的预触发电平，然后点击面板中的“开始”按钮再次进行测量，此时，信号分析窗口中应显示出悬臂梁受瞬态激励后输出的信号波形。 ????4.? 移动光标至基频的峰值点，读出该处的频率值X和谱高Y，再移动光标，测处该基频处谱峰的谱宽。 4. 实验报告要求 1.? 简述实验原理和目的 2.? 根据实验原理和要求整理出本实验的设计原理图。 6. 思考题 1.? 振动信号是如何转换成电信号的？ 2.? 若要了解振动对机械的影响，如何选择测点位置？ 3.? 在实际的工程测试中，怎样消除环境带来的低频或高频振动的影响？ 附录：   1.?该实验的实验信号处理框图如图4所示    图4 悬臂梁固有频率测量实验信号处理流程图     实验二十九 位移及负载效应实验  1. 简介 ????1、位移测量： ????通过测量电阻丝电阻的大小，经过数据处理，显示出游标当前所处的刻度值。 ????2、负载效应： ????在实际测量工作中，测量系统和被测对象之间、测量系统内部各环节相互连接必然产生相互作用。接入的测量装置，构成被测对象的负载；后接环节成为前面环节的负载，彼此间存在能量交换和相互影响。 2. 结构组成  图1 位移和负载效应实验台结构示意图 3. 操作说明 3.1 实验准备 ????在使用位移和负载效应实验台进行实验之前，需要准备好如下实验设备： ???? 1. DRVI可重组虚拟实验开发平台? 1套 ???? 2. 蓝津数据采集仪（LDAQ-EPP2）? 1套 ???? 3. 开关电源（LDY-A）? 1套 ???? 4. 位移和负载效应实验台（LWF-5-A）? 1套 ???? 5. 5芯航空插头连接电缆? 1根 ????备齐所需的设备后，接着进行电气部分的连线工作，位移和负载效应实验台右端的圆筒外侧有一个5芯插头接口，用附件中的一根两端均有5芯航空插头的电缆与数据采集仪某一通道连接，数据采集仪通过并口线与PC机并口相连，在保证接线无误的情况下开始实验。 3.2 实验操作 ???? 该实验利用电阻应变的原理来检测位移。需要注意的是该实验台每次使用前需要预先使用标定脚本进行标定，否则无法获得正确的测量结果。实验过程如下： ???? 1.? 启动服务器，运行DRVI主程序，开启DRVI数据采集仪电源，然后点击DRVI快捷工具条上的“联机注册”图标，进行服务器和数据采集仪之间的注册。联机注册成功后，启动DRVI内置的“Web服务器功能”，开始监听8500端口。 ???? 2.? 启动DRVI中的“位移和负载效应测量（服务器端）”实验脚本，点击面板中的“运行”按钮开始进行实验，观察获取的信号波形，实验样本如图2所示。  图2 位移及负载效应实验 ????3.? 首先进行定标处理。方法是将滑块移动到第一个定标点（10～60cm量程范围内任意一点），读取指针指示的值，输入到x1值处，点击此行“采样”按钮。再把滑块移动到第二个定标点（10～60cm量程范围内任意一点），应该与第一点不同，且相距越远标定越准。读取指针指示的值，输入到x2值处，点击此行“采样”按钮。然后点击“标定结果”按钮，就会在其后显示处此次标定的k值和b值。???? ???? 4.? 标定完毕以后即可进行位移的测量过程。将滑块在量程范围内移动，波形/频谱显示芯片里显示出定性的位移大小：波形（一条直线）上升表示向大量程方向移动；波形下降表示向小量程方向移动。同时圆形指针盘也会显示出定性的位移大小。把滑块停在量程内任意一处，点击“位移测量值”按钮，即可显示处当前滑块位置的准确刻度值。 ???? 5.? 客户端操作。通过网络安装DRVI软件在客户端计算机上，在客户端运行DRVI软件，打开位移及负载效应实验（客户端）实验脚本，将服务器IP地址添入”数据服务器IP地址”的输入栏内，如图3所示。 ???????????  图3 位移及负载效应实验客户端 ????6.? 在服务器端进行数据采集的同时，点击“运行”按钮，进行标定和位移测量的过程。再次点击“运行”按钮，结束网络采集及分析过程。 ????7.? ※需要注意的是：在标定的时候，客户端的操作步骤必须和服务器端保持一致，即在服务器端进行第一组数据测量的时候，客户端也要同时进行第一组数据的测量，服务器端进行第二组数据测量的时候，客户端也要同时进行第二组数据的测量，然后客户端可以进行标定过程，如果不保持一致，将带来错误的测量结果或测量偏差。 4. 注意事项 ????1. 滑块不可处于量程（10cm～60cm）之外，以避免测量值出现较大偏差。 ????2. 滑块箭头不与钢尺接触。 5. 实验报告要求 ????1. 简述实验原理和目的 ????2. 根据实验原理和要求整理出本实验的设计原理图。 6. 思考题 ????1. 在实际测试环节中，如何避免负载效应的影响？ 附录：   1.?该实验的实验信号处理框图如图4所示    图4 位移及负载效应实验信号处理流程框图     实验三十 无损检测 一. 实验目的 ????通过本实验了解和掌握无损检测的基本原理和方法。 二. 实验原理 ????所谓无损检测是指：不管对什么材料、什么产品和什么结构物，为了要知道它们的性质、状态和内部结构所进行的各种检测，而这些检测不会使被检物受伤、分离或者损坏。 ????霍尔检测是以磁感应为基础的，它的基本原理可以描述为：当载有磁铁和霍尔元件的检测探头靠近试件时，由于磁感应的作用，试件中会感生出磁场的变化。磁场变化的大小、相位及形式受到试件导磁性的影响，而磁场的变化又使霍尔元件的阻抗发生变化，因此，通过测定霍尔元件阻抗的变化，就可以引出被检测试件的差别及有无缺陷等的结论。 ????利用霍尔元件检测不需要改变试件的形状，也不会影响试件的使用性能，因此，是一种无损地评定试件有关性能和发现试件有无缺陷等的检测方法。 ????由于霍尔元件检测的是磁场的变化，在检测时，不必要求探头与试件紧密接触，也不必在探头和试件之间充填满合剂，从而容易实现自动化检验。对管、棒、丝材表面缺陷，霍尔无损检查法有很高的速度和效率。 ????霍尔无损检测设备用于各种金属管、棒、线、丝材的在线、离线探伤。在探伤过程中，能同时兼顾长通伤、缓变伤等长缺陷和短小缺陷（如通孔）；能够有效抑制管道在线、离线检测时的某些干扰信号（如材质不均、晃动等），对金属管道内外壁缺陷检测都具有较高的灵敏度。 ???? 三. 实验仪器和设备 1. 计算机 n台 2. DRVI快速可重组虚拟仪器平台 1套 3. 打印机 1台 4. 并口数据采集仪 1台 5. 无损检测实验台架 1套 四. 实验步骤及内容 1. 无损检测实验的结构示意图如图30.1所示，按图示连接设备连线，传感器接入数据采集仪第一通道。  图30.1 无损检测实验结构示意图 2. 启动服务器，运行DRVI主程序，开启DRVI数据采集仪电源，然后点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的"DRVI采集仪主卡检测"进行服务器和数据采集仪之间的注册。联机注册成功后，分别从DRVI工具栏和快捷工具条中启动"DRVI微型Web服务器"和"内置的Web服务器"，开始监听8600和8500端口。 3. 打开客户端计算机，启动计算机上的DRVI客户端程序，然后点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的"DRVI局域网服务器检测"，在弹出的对话框中输入服务器IP地址（例如：192.168.0.1），点击"发送"按钮，进行客户端和服务器之间的认证，认证完毕即可正常运行客户端所有功能。 4. 在DRVI软件平台的地址信息栏中输入如下信息"http://服务器IP地址:8600/GccsLAB/index.htm"，打开WEB版实验指导书，在实验目录中选择"无损检测"实验，参照实验原理和要求设计该实验。 5. 点击附录中该实验脚本文件"服务器端"的链接，将参考的实验脚本文件贴入DRVI软件平台。  图30.2 无损检测实验 6. 点击其中的"开关"按钮，然后将检测探头在钢管上拖动，观察信号波形，当波形有大的跳变时停止采样，分析波形特征。 五. 实验报告要求 1. 根据实验内容整理实验结果，并分析和说明其检测原理。 六. 思考题 1. 什么是无损检测？ 2. 应用于无损检测的传感器还有那些？简述其工作原理