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370KHzCMPR100dB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
PCLabVIEW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：
clearallfs=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');
00.511.522.5-0.2-0.15-0.1-0.0500.050.10.15时间（s）幅值洗衣机振动信号时域图02040608010012014000.010.020.030.040.05频率(Hz)幅值洗衣机振动信号频域幅值谱
02040608010012014000.20.40.60.81x 10-3频率(Hz)幅值洗衣机振动信号功率谱图050100150200250300350400450500-220-200-180-160-140-120-100-80-60频率(Hz)幅值洗衣机振动信号取对数后功率谱图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clearallfs=2000;fid=fopen('C:\Users\jhs\Desktop\firstgroup.txt');
00.20.40.60.811.21.4-1-0.500.5100.20.40.60.811.21.4-0.2-0.15-0.1-0.0500.050.10.15-0.2-0.15-0.1-0.0500.050.10.15-1-0.500.51[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