吉林工程技术师范学院测试技术实验指导书主编：孙艳红张晓奇主审：周广文机电工程学院2009年5月目录前言 (1)实验1典型信号虚拟发生器 (4)实验2典型信号的频谱分析 (6)实验3周期信号波形的合成和分解 (9)实验4 典型信号的相关分析和功率谱分析 (11)实验 5 信号的调制和解调 (14)实验6 巴特沃斯滤波器 (18)实验7 信号采样定理 (21)实验8 测试系统静态性能测量和系统标定 (24)实验9 测试系统动态性能测量 (26)实验10 金属箔式应变计性能——应变电桥 (28)实验11 电涡流开关物体检测 (30)实验12 光电传感器转速测量 (33)实验13 霍尔传感器速度测量 (35)实验14 力传感器称重 (37)实验15 典型信号的虚拟仿真信号发生器的设计 (39)实验16 典型信号的自相关分析仪的设计 (41)实验17 典型信号的频谱分析仪的设计 (43)实验18 某工程信号的综合分析系统 (45)前言测试技术是具有实验性质的测量技术,和计算机技术、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和之密切相关的课程,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,而和工程实际联系很少,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和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.虚拟仪器和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算机和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ActiveX等和外部代码或软件进行连接的功能。

例如可以和C/C++、VC、VB、Matlab 等软件相连。

二.LabVIEW在机械工程测试实验教学中的使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、调制和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。

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使用综合性、设计性实验主要体现机械工程测试技术的工程实际使用价值，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使用更加广泛，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使用为例，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。

实验1 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. 打开虚拟实验平台中的"信号分析"脚本，进行信号仿真实验。

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。

五.实验结果实验过程中，将实验结果记录在下表：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。

实验2 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。

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. 打开虚拟实验平台中的"典型信号频谱分析"脚本，进行信号频谱分析实验。

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：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. 将分析结果和理论分析进行对照，说明实际分析结果和理论分析之间的差异，并简要分析产生误差的原因。

实验3 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. 观察和分析由两个频率、幅值成一定关系的周期信号波形叠加的合成波形。

3. 通过本实验熟悉信号的合成原理，了解信号频谱的含义。

二. 实验原理提示按付立叶分析的原理，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。

因此，本实验以正弦波为例开展信号合成实验。

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.启动"正弦信号合成"实验脚本，进行该实验。

2.在"正弦信号合成"实验中分别输入两信号的频率和幅值，然后点击按钮，观察两信号合成以后的波形变化，以及相关的频谱特性。

3.然后在两正弦信号的窗函数框中选择所需窗函数，观察加窗信号合成以后的频谱变化。

4.任意改变两信号的频率、幅值以及窗函数，观察合成信号的时域波形及频谱波形的变化。

5.重复以上实验步骤，选择不同信号进行分析和性能比较。

五.实验结果实验过程中，将实验结果记录在下表：六. 实验报告要求1. 简述实验目的及原理。

2. 按实验步骤绘出某一参数下叠加合成的正弦波波形图，以及频谱图。

3. 绘出某一参数下加窗处理后叠加合成的正弦波频谱图。

4.分析信号加窗的目的和作用。

七. 思考题1.幅值和频率对波形的叠加合成有何影响？2.不同窗函数对信号合成的影响。

实验4 典型信号的相关分析和功率谱分析一. 实验要求1.在理论学习的基础上，通过本实验熟悉信号的相关分析和功率谱函数的形式。

2.巩固自相关函数的性质。

二. 实验原理提示相关分析：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。