1、北京理工大学珠海学院工程测试技术实验指导书指导教师：周靖班级：姓名：工业自动化学院2017 年 4 月0前 言测试技术是具有实验性质的测量技术,与计算机技术、自动控制技术、通信技术构成完整的信息技术学科，主要研究各种物理量的测量原理和测量信号的分析处理方法,是进行各种科学实验研究和生产过程参数检测等必不可少的手段。随着现代信息技术的不断发展,机械工程测试作为一门与之密切相关的课程,其重要性是不言而喻的，这是一门以算法为核心的理论性、工程实用性均较强的课程。但由于目前关于信号处理的有关书籍大都是只讲解算法和推导过程,而与工程实际联系很少,这使得书中所涉及的有关概念比较抽象,再加上教学方法和手段的
2、单一以及实验条件的限制,长期以来使该课程一直处于“难教难学”的一种境地，学生很难把书中所讲的数学函数与实际的波形联系起来,给学习带来了很大的困难,大大降低了学生的学习积极性,影响了本课程的教学效果。因此, 如何有效的理论联系实际,提高教学质量和教学效果一直以来是该课程教学中思考和探索的问题。而计算机仿真技术的发展对机械工程测试的教学带来了新的思路,尤其是将虚拟仪器引入教学过程具有重要的意义,为该课程实验教学的改革提供了强有力的支持。一.虚拟仪器与LabVIEW 软件简介虚拟仪器是1986年美国国家仪器公司(National Instrument,即NI公司)首先提出的,是指通过程序编制将通用计
3、算机与数量有限的功能板卡相结合所构成的功能灵活、模块化、操作方便且可视化的软件系统。用户可以根据自己的习惯利用虚拟仪器系统来完成相应的控制、数据分析、存储和显示等操作。LabVIEW（ Laboratory Virtual Instrument Engineering Work Bench）是NI公司开发的、采用图形化程序语言G语言, 通过各功能图标间的逻辑连接实现程序功能的图形化程序设计软件,是虚拟仪器的主要支持技术之一。该软件提供了灵活强大的函数库，在数据处理控制方面有动态连接库、共享库、数字信号处理和产生、频谱分析、滤波、平滑窗口、概率统计等VI。LabVIEW也提供了大量的通过Acti
4、veX等与外部代码或软件进行连接的功能。例如可以与C/C+、VC、VB、Matlab等软件相连。1二.LabVIEW在机械工程测试实验教学中的应用机械工程测试课程的主要教学内容包括信号时域波形的统计分析、频域的频谱和功率谱分析、时差域的相关分析等信号分析方法和信号的滤波、采样、截断、调制与解调等信号的调理方法，以及信号发生、存储、显示等辅助设计。实验项目可分为验证性实验和综合性、设计性实验。2.1 验证性虚拟实验系统设计机械工程测试课程的验证性实验是针对基础理论的模拟再现而设置的实验项目，涵盖了典型信号发生器、信号表述及分析处理的各种基本的方式方法。本文针对上述实验要求设计了一套满足机械工程测
5、试课程特点的虚拟测试实验系统，其结构如图1所示，该实验系统充分体现了虚拟仪器技术在机械工程测试实验教学中的巨大优势。虚拟测试实验系统信号分析时域分析信号发生器频域分析信号调理时差域分析自相关分析频谱分析功率谱分析互相关分析信号滤波调制与解调信号采样截断与泄漏统计分析波形分析图1 虚拟测试实验系统总体结构图2.2 LabVIEW 在综合性、设计性虚拟测试实验中的应用综合性、设计性实验主要体现机械工程测试技术的工程实际应用价值，按照实际测试信号的特点由学生综合运用所学的测试知识，自行设计完成对信号2的分析处理，来提取反映被测对象状态和特征的明确信息。LabVIEW 在综合性、设计性虚拟实验项目中的
6、应用更加广泛，在熟练掌握 LabVIEW 软件运用技巧的前提下，学生可以以工程实际应用为例，自主设计工程实际测试信号采集和处理系统，从而综合考查学生对机械工程测试技术的掌握程度和运用能力。3实验 1 正弦信号虚拟发生器一. 实验要求 在理论学习的基础上，通过本实验熟悉正弦波、方波、三角波、锯齿波和随机信号等几种典型信号的波形和参数特征，熟悉信号的时域波形变化趋势。二. 实验原理提示本实验利用虚拟实验平台来仿真生成正弦波、方波、三角波、锯齿波和随机信号几种典型信号波形，实验结果利用虚拟示波器用时域波形方式在计算机上显示出来，也可以通过打印机打印出来。同时可以随机变换信号的参数，观察信号的幅值、频
7、率、相位等主要信息，并分析采样频率和采样点数等对信号波形的影响。三. 实验仪器和设备计算机 1 台，虚拟实验平台 1 套，打印机 1 台。四. 实验步骤及内容1. 创建虚拟实验平台中的“信号分析“ 脚本，进行信号仿真实验。 （前面板及程序图）前面板程序图2. 选择信号类型，输入相应的信号频率、相位、幅值和采样频率、采样点数等信息，点击工具栏上的“运行”按钮，分析和观察信号波形，可以根据需要更改波形显示方式，如数字量描述、模拟量描述、线性、颜色显示等。 3.重复实验 2 步骤，更换不用实验参数，观察性能参数对信号波形的影响。4. 重复实验 2 步骤，选择不同信号进行分析和性能比较。4五.实验结果
8、实验过程中，将实验结果记录在下表：信号类型 波形 主要参数 采样参数六. 实验报告要求1. 简述实验目的和原理。2. 分别整理出四种信号的波形及相应的特性参数，进行波形比较和分析 。5实验 2 典型信号虚拟发生器一. 实验要求 在理论学习的基础上，通过本实验熟悉正弦波、方波、三角波、锯齿波和随机信号等几种典型信号的波形和参数特征，熟悉信号的时域波形变化趋势。二. 实验原理提示本实验利用虚拟实验平台来仿真生成正弦波、方波、三角波、锯齿波和随机信号几种典型信号波形，实验结果利用虚拟示波器用时域波形方式在计算机上显示出来，也可以通过打印机打印出来。同时可以随机变换信号的参数，观察信号的幅值、频率、相
9、位等主要信息，并分析采样频率和采样点数等对信号波形的影响。三. 实验仪器和设备计算机 1 台，虚拟实验平台 1 套，打印机 1 台。四. 实验步骤及内容1. 创建虚拟实验平台中的“信号分析“ 脚本，进行信号仿真实验。 （前面板及程序图）前面板程序图2. 选择信号类型，输入相应的信号频率、相位、幅值和采样频率、采样点数等信息，点击工具栏上的“运行”按钮，分析和观察信号波形，可以根据需要更改波形显示方式，如数字量描述、模拟量描述、线性、颜色显示等。 3.重复实验 2 步骤，更换不用实验参数，观察性能参数对信号波形的影响。4. 重复实验 2 步骤，选择不同信号进行分析和性能比较。6五.实验结果实验过
10、程中，将实验结果记录在下表：信号类型 波形 主要参数 采样参数六. 实验报告要求1. 简述实验目的和原理。2. 分别整理出四种信号的波形及相应的特性参数，进行波形比较和分析 。7实验 3 典型信号频谱分析一. 实验要求 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. 实验原理提示1.典型信号及其频谱分析的作用正弦波、方波、三角波和锯齿波和指数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
11、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。本实验利用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、实频谱、虚频谱等等。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
12、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。8本实验利用虚拟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一个典型波形的电压信号，用频谱分析仪对该信号进行频谱分析，得到频谱特性数据。分析结果用图形在计算机上显示出来，也可以通过打印机打印出来。三. 实验仪器和设备计算机若干台，虚拟实验平台 1 套，打印机 1 台。四. 实验步骤及内容1. 创建虚拟实验平台中的“典型信号频谱分
13、析“脚本，进行信号频谱分析实验。前面板程序框图2. 点击“波形选择“ 按钮，选择信号，点击 “ ”运行按钮，分析和观察信号波形和幅值谱以及实频谱和虚频谱特性。3.重复实验 2 步骤，更换不用实验参数，观察性能参数对信号频谱的影响。4.重复实验步骤 2，完成各种典型信号的频谱分析。五.实验结果实验过程中，将实验结果记录在下表：信号类型 波形 主要参数 采样参数9六. 实验报告要求1. 简述实验目的和原理。2. 按实验步骤整理出四种信号的时域和幅值谱特性图形，说明各信号频谱的特点。3. 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。10实验 4 滤波
14、器一. 实验目的 1. 通过实验加深了解滤波在信号分析中的作用。2.通过实验掌握四种滤波器类型及各自的滤波特性。二、实验原理提示滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其它频率成分。在测试装置中，利用滤波器的这种选频作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。根据滤波器的选频作用分为：1) 低通滤波器 从 0 f2频率之间，幅频特性平直，它可以使信号中低于 f2的频率成分几乎不受衰减地通过，而高于 f2的频率成分受到极大地衰减。2) 高通滤波器 与低通滤波相反，从频率 f1 ，其幅频特性平直。它使信号中高于 f1的频率成分几乎不受衰减地通过，而低于 f1的频率成分将受到极大
15、地衰减。3) 带通滤波器 它的通频带在 f1 f2之间。它使信号中高于 f1而低于 f2的频率成分可以不受衰减地通过，而其它成分受到衰减。114) 带阻滤波器 与带通滤波相反，阻带在频率 f1 f2之间。它使信号中高于 f1而低于 f2的频率成分受到衰减，其余频率成分的信号几乎不受衰减地通过。三. 实验仪器和设备计算机若干台,虚拟实验平台 1 套 。四. 实验步骤及内容1. 创建“巴特沃斯滤波器 “实验脚本，进行信号滤波分析实验。前面板程序图2. 点击信号类型通道，选择滤波器类型，设置调节“高截止频率”和“低截止频率”两个按钮，分析和观察信号的原有波形以及经过滤波以后的波形。 3. 重复实验
16、2 步骤，选择多种滤波器类型进行实验。五. 实验结果将实验结果记录于下表中。滤波器类型 截止频率 波形 幅频谱 相频谱 滤波后波形12低通高通带通带阻五. 实验报告要求1. 简述实验目的和原理。2. 根据实验步骤整理出低通、高通、带通、带阻四种滤波器的实验结果，截止频率，绘制相应波形曲调制信号 载波信号 调幅波 解调波形 复原波形13线，并分析其结果。六. 思考题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？实验 5 信号的调制与解调一. 实验要求 1.在理论学习的基础上，通过本实验熟悉调制和解调过程。2、巩固调制和解调原理。14二. 实验原理提示调制：将一个高频信号（载波）与测试信
17、号相乘，使载波信号的幅值随着测试信号的变化而变化。测试信号 调幅波载波z（t） Z（f）1/2 1/20 t 0 f调制器15x（t） X（f）0 t fxm（t） Xm（f）解调即调幅波再一次与载波相乘，经滤波所得。调幅波 测试信号载波Xm（f ） 乘法器 低通滤波16Z（f）1/2 1/2-f0 f0 -f0 f0Xm（ f）*Z（f）-2f0 0 2f0本实验利用虚拟实验平台上搭建的调制解调器来对信号进行复原处理。分析结果用图形在计算机17上显示出来，也可以通过打印机打印出来。三. 实验仪器和设备计算机若干台，虚拟实验平台 1 套，打印机 1 台。四. 实验步骤及内容1. 创建“调制与解调原理实验“脚本，进行仿真实验。2. 输入相应的低频和高频信号频率、幅值、相位和采样18频率、采样点数以及低截止频率等信息，分析和观察信号波形。五.实验结果实验过程中，将实验结果记录在下表：信号类型主要参数波形频谱19六. 实验报告要求1. 简述实验目的和原理。2.绘制各阶段信号波形图 。
