數(shù)據(jù)采集及分析試驗(yàn)指導(dǎo)書

1、數(shù)據(jù)采集及分析實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書實(shí)驗(yàn)一采樣定理一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖煜ば盘?hào)采樣過(guò)程，并通過(guò)本實(shí)驗(yàn)觀察欠采樣時(shí)信號(hào)頻譜的混迭現(xiàn)象， 了解 采樣前后信號(hào)頻譜的變化，加深對(duì)采樣定理的理解，掌握采樣頻率的確定方法。二、實(shí)驗(yàn)原理模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)(A/D)變換轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的過(guò)程稱之為采樣，信號(hào)采樣后其頻譜產(chǎn)生了周期延拓，每隔一個(gè)采樣頻率fs,重復(fù)出現(xiàn)一次。為保證采樣后信號(hào)的頻譜形狀不失真，采樣頻率必須大于信號(hào)中最高頻率成份的兩倍，這稱之為采樣定理。1InFiwxb)欠采樣圖1.1采樣信號(hào)的頻混現(xiàn)象需要注意的是，在對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)，滿足了采樣定理，只能保證不發(fā)生頻 率混疊，對(duì)信號(hào)的頻譜作逆傅立葉變換時(shí)， 可以完全變換為原時(shí)域

2、采樣信號(hào)， 而 不能保證此時(shí)的采樣信號(hào)能真實(shí)地反映原信號(hào)。 工程實(shí)際中采樣頻率通常大于信 號(hào)中最高頻率成分的3到5倍。三、實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備1. 計(jì)算機(jī)n臺(tái)2. 實(shí)驗(yàn)軟件1套四、實(shí)驗(yàn)步驟及內(nèi)容1. 啟動(dòng)計(jì)算機(jī)。2. 啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)軟件圖1.2采樣定理實(shí)驗(yàn)3點(diǎn)擊"采樣定理"實(shí)驗(yàn)中的"正弦波"按鈕，產(chǎn)生正弦波信號(hào)，然后選擇不同的 采樣抽取率，分析和觀察信號(hào)的時(shí)域波形與頻譜的變化。4點(diǎn)擊"采樣定理"實(shí)驗(yàn)中的"方波"按鈕，產(chǎn)生方波信號(hào)，然后選擇不同的采樣抽 取率，分析和觀察信號(hào)的時(shí)域波形與頻譜的變化。5點(diǎn)擊"采樣定理&qu

3、ot;實(shí)驗(yàn)中的"三角波"按鈕，產(chǎn)生三角波信號(hào)，然后選擇不同的采 樣抽取率，分析和觀察信號(hào)的時(shí)域波形與頻譜的變化。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1. 簡(jiǎn)述實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮驮怼?. 按實(shí)驗(yàn)步驟附上相應(yīng)的信號(hào)波形和頻譜曲線，說(shuō)明采樣頻率的變化對(duì)信號(hào)時(shí) 域和頻域特性的影響，總結(jié)實(shí)驗(yàn)得出的主要結(jié)論。六、思考題1. 為什么在實(shí)際測(cè)量中采樣頻率通常要大于信號(hào)中最高頻率成分的3到5倍?實(shí)驗(yàn)二典型信號(hào)頻譜分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，通過(guò)本實(shí)驗(yàn)熟悉典型信號(hào)的波形和頻譜特征，并能夠 從信號(hào)頻譜中讀取所需的信息。2. 了解信號(hào)頻譜分析的基本方法。二、實(shí)驗(yàn)原理1. 典型信號(hào)及其頻譜分析的作用正弦波、方波

4、、三角波信號(hào)是實(shí)際工程測(cè)試中常見(jiàn)的典型信號(hào)，這些信號(hào)時(shí) 域、頻域之間的關(guān)系很明確，并且都具有一定的特性，通過(guò)對(duì)這些典型信號(hào)的頻 譜進(jìn)行分析，對(duì)掌握信號(hào)的特性，熟悉信號(hào)的分析方法大有益處，并且這些典型 信號(hào)也可以作為實(shí)際工程信號(hào)分析時(shí)的參照資料。2. 頻譜分析的方法及設(shè)備信號(hào)的頻譜可分為幅值譜、相位譜、功率譜、對(duì)數(shù)譜等等。對(duì)信號(hào)作頻譜分析的 設(shè)備主要是頻譜分析儀，它把信號(hào)按數(shù)學(xué)關(guān)系作為頻率的函數(shù)顯示出來(lái)，其工作方式有模擬式和數(shù)字式二種。模擬式頻譜分析儀以模擬濾波器為基礎(chǔ)，從信號(hào)中 選出各個(gè)頻率成分的量值；數(shù)字式頻譜分析儀以數(shù)字濾波器或快速傅立葉變換為 基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的時(shí)-頻關(guān)系轉(zhuǎn)換分析。傅立葉變

5、換是信號(hào)頻譜分析中常用的一個(gè)工具， 它把一些復(fù)雜的信號(hào)分解為無(wú)窮 多個(gè)相互之間具有一定關(guān)系的正弦信號(hào)之和，并通過(guò)對(duì)各個(gè)正弦信號(hào)的研究來(lái)了 解復(fù)雜信號(hào)的頻率成分和幅值。信號(hào)頻譜分析是采用傅立葉變換將時(shí)域信號(hào)x(t)變換為頻域信號(hào)X(f)，從而幫助人們從另一個(gè)角度來(lái)了解信號(hào)的特征。時(shí)域信號(hào)x(t)的傅氏變換為：X® = 加曲吻式中X(f)為信號(hào)的頻域表示，x(t)為信號(hào)的時(shí)域表示，f為頻率。用傅立葉變 換將信號(hào)變換到頻率域，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：x(t)=a0/2 + a1*sin(2 n f0t)+b1*cos(2 n f0t) + a2*sin(4 n f0t)+b2*cos(4 n f0

6、t) +=C0+ l.1 -用Cn畫出信號(hào)的幅值譜曲線，從信號(hào)幅值譜判斷信號(hào)特征。本次實(shí)驗(yàn)利用信號(hào)頻譜分析軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。由虛擬信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)典型波形的電壓信號(hào)，用頻譜分析儀對(duì)該信號(hào)進(jìn)行頻譜分析， 得到頻譜特 性數(shù)據(jù)。分析結(jié)果用圖形在計(jì)算機(jī)上顯示出來(lái)。三、實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備1.計(jì)算機(jī)n臺(tái)2信號(hào)頻譜分析軟件 1套四、實(shí)驗(yàn)步驟及內(nèi)容1. 啟動(dòng)計(jì)算機(jī)。2. 啟動(dòng)信號(hào)頻譜分析軟件。3點(diǎn)擊"典型信號(hào)頻譜分析"實(shí)驗(yàn)中的"正弦波"按鈕，產(chǎn)生正弦波信號(hào)，分析和觀 察正弦波信號(hào)波形和幅值譜特性。4點(diǎn)擊"典型信號(hào)頻譜分析"實(shí)驗(yàn)中的"方波

7、"按鈕，產(chǎn)生方波信號(hào)，分析和觀察方 波信號(hào)波形和幅值譜特性。5點(diǎn)擊"典型信號(hào)頻譜分析"實(shí)驗(yàn)中的"三角波"按鈕，產(chǎn)生三角波信號(hào)，分析和觀 察三角波信號(hào)波形和幅值譜特性。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1. 簡(jiǎn)述實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮驮怼?. 按實(shí)驗(yàn)步驟整理出正弦波、方波、三角波的時(shí)域和幅值譜特性圖形，說(shuō)明各 信號(hào)頻譜的特點(diǎn)。3. 將分析結(jié)果與理論分析進(jìn)行對(duì)照， 說(shuō)明實(shí)際分析結(jié)果與理論分析之間的差異， 并簡(jiǎn)要分析產(chǎn)生誤差的原因。實(shí)驗(yàn)三振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)米集及分析、實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^(guò)本實(shí)驗(yàn)了解并掌握機(jī)械振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)采集的基本方法。二、實(shí)驗(yàn)原理機(jī)械在運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于旋轉(zhuǎn)件的不平衡、負(fù)載的不均勻

8、、結(jié)構(gòu)剛度的各向異性、 間隙、潤(rùn)滑不良、支撐松動(dòng)等因素，總是伴隨著各種振動(dòng)。機(jī)械振動(dòng)在大多數(shù)情況下是有害的，振動(dòng)往往會(huì)降低機(jī)器性能，破壞其正常 工作，縮短使用壽命，甚至導(dǎo)致事故。機(jī)械振動(dòng)還伴隨著同頻率的噪聲，惡化環(huán) 境，危害健康。另一方面，振動(dòng)也被利用來(lái)完成有益的工作，如運(yùn)輸、夯實(shí)、清 洗、粉碎、脫水等。這時(shí)必須正確選擇振動(dòng)參數(shù)，充分發(fā)揮振動(dòng)機(jī)械的性能。在現(xiàn)代企業(yè)管理制度中，除了對(duì)各種機(jī)械設(shè)備提出低振動(dòng)和低噪聲要求外， 還需隨時(shí)對(duì)機(jī)器的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析、診斷，對(duì)工作環(huán)境進(jìn)行控制。為了 提高機(jī)械結(jié)構(gòu)的抗振性能，有必要進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動(dòng)分析和振動(dòng)設(shè)計(jì)。這些都 離不開(kāi)振動(dòng)測(cè)試。振動(dòng)測(cè)試包括兩種

9、方式：一是測(cè)量機(jī)械或結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下的振動(dòng)， 如振動(dòng) 位移、速度、加速度、頻率和相位等，了解被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)狀態(tài)，評(píng)定等級(jí)和尋 找振源，對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析、診斷和預(yù)測(cè)。二是對(duì)機(jī)械設(shè)備或結(jié)構(gòu)施加某種 激勵(lì)，測(cè)量其受迫振動(dòng)，以便求得被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)力學(xué)參量或動(dòng)態(tài)性能，如固有頻率、阻尼、剛度、頻率響應(yīng)和模態(tài)等。振動(dòng)的幅值、頻率和相位是振動(dòng)的三個(gè)基本參數(shù)，稱為振動(dòng)三要素。幅值：幅值是振動(dòng)強(qiáng)度的標(biāo)志，它可以用峰值、有效值、平均值等方法來(lái)表 示。頻率：不同的頻率成分反映系統(tǒng)內(nèi)不同的振源。 通過(guò)頻譜分析可以確定主要 頻率成分及其幅值大小，從而尋找振源，采取相應(yīng)的措施。相位：振動(dòng)信號(hào)的相位信息十分重要，如利用相位關(guān)系確定共振點(diǎn)、測(cè)量振 型、旋轉(zhuǎn)件動(dòng)平衡、有源振動(dòng)控制、降噪等。對(duì)于復(fù)雜振動(dòng)的波形分析，各諧波 的相位關(guān)系是不可缺少的。在振動(dòng)測(cè)量時(shí)，應(yīng)合理選擇測(cè)量參數(shù)，如振動(dòng)位移是研究強(qiáng)度和變形的重要 依據(jù)；振動(dòng)加速度與作用力或載荷成正比，是研究動(dòng)力強(qiáng)度和疲勞的重要依據(jù)； 振動(dòng)速度決定了噪聲的高低，人對(duì)機(jī)械振動(dòng)的敏感程度在很大頻率范圍內(nèi)是由速 度決定的