數(shù)據(jù)采集及分析試驗指導書

1、數(shù)據(jù)采集及分析實驗指導書實驗一采樣定理一、實驗目的熟悉信號采樣過程，并通過本實驗觀察欠采樣時信號頻譜的混迭現(xiàn)象， 了解 采樣前后信號頻譜的變化，加深對采樣定理的理解，掌握采樣頻率的確定方法。二、實驗原理模擬信號經(jīng)過(A/D)變換轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程稱之為采樣，信號采樣后其頻譜產(chǎn)生了周期延拓，每隔一個采樣頻率fs,重復出現(xiàn)一次。為保證采樣后信號的頻譜形狀不失真，采樣頻率必須大于信號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采樣信號的頻混現(xiàn)象需要注意的是，在對信號進行采樣時，滿足了采樣定理，只能保證不發(fā)生頻 率混疊，對信號的頻譜作逆傅立葉變換時， 可以完全變換為原時域

2、采樣信號， 而 不能保證此時的采樣信號能真實地反映原信號。 工程實際中采樣頻率通常大于信 號中最高頻率成分的3到5倍。三、實驗儀器和設備1. 計算機n臺2. 實驗軟件1套四、實驗步驟及內(nèi)容1. 啟動計算機。2. 啟動實驗軟件圖1.2采樣定理實驗3點擊"采樣定理"實驗中的"正弦波"按鈕，產(chǎn)生正弦波信號，然后選擇不同的 采樣抽取率，分析和觀察信號的時域波形與頻譜的變化。4點擊"采樣定理"實驗中的"方波"按鈕，產(chǎn)生方波信號，然后選擇不同的采樣抽 取率，分析和觀察信號的時域波形與頻譜的變化。5點擊"采樣定理&qu

3、ot;實驗中的"三角波"按鈕，產(chǎn)生三角波信號，然后選擇不同的采 樣抽取率，分析和觀察信號的時域波形與頻譜的變化。五、實驗報告要求1. 簡述實驗目的和原理。2. 按實驗步驟附上相應的信號波形和頻譜曲線，說明采樣頻率的變化對信號時 域和頻域特性的影響，總結(jié)實驗得出的主要結(jié)論。六、思考題1. 為什么在實際測量中采樣頻率通常要大于信號中最高頻率成分的3到5倍?實驗二典型信號頻譜分析一、實驗目的1. 在理論學習的基礎上，通過本實驗熟悉典型信號的波形和頻譜特征，并能夠 從信號頻譜中讀取所需的信息。2. 了解信號頻譜分析的基本方法。二、實驗原理1. 典型信號及其頻譜分析的作用正弦波、方波

4、、三角波信號是實際工程測試中常見的典型信號，這些信號時 域、頻域之間的關系很明確，并且都具有一定的特性，通過對這些典型信號的頻 譜進行分析，對掌握信號的特性，熟悉信號的分析方法大有益處，并且這些典型 信號也可以作為實際工程信號分析時的參照資料。2. 頻譜分析的方法及設備信號的頻譜可分為幅值譜、相位譜、功率譜、對數(shù)譜等等。對信號作頻譜分析的 設備主要是頻譜分析儀，它把信號按數(shù)學關系作為頻率的函數(shù)顯示出來，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，從信號中 選出各個頻率成分的量值；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，實現(xiàn)信號的時-頻關系轉(zhuǎn)換分析。傅立葉變

5、換是信號頻譜分析中常用的一個工具， 它把一些復雜的信號分解為無窮 多個相互之間具有一定關系的正弦信號之和，并通過對各個正弦信號的研究來了 解復雜信號的頻率成分和幅值。信號頻譜分析是采用傅立葉變換將時域信號x(t)變換為頻域信號X(f)，從而幫助人們從另一個角度來了解信號的特征。時域信號x(t)的傅氏變換為：X® = 加曲吻式中X(f)為信號的頻域表示，x(t)為信號的時域表示，f為頻率。用傅立葉變 換將信號變換到頻率域，其數(shù)學表達式為：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畫出信號的幅值譜曲線，從信號幅值譜判斷信號特征。本次實驗利用信號頻譜分析軟件對信號進行頻譜分析。由虛擬信號發(fā)生器產(chǎn)生一個典型波形的電壓信號，用頻譜分析儀對該信號進行頻譜分析， 得到頻譜特 性數(shù)據(jù)。分析結(jié)果用圖形在計算機上顯示出來。三、實驗儀器和設備1.計算機n臺2信號頻譜分析軟件 1套四、實驗步驟及內(nèi)容1. 啟動計算機。2. 啟動信號頻譜分析軟件。3點擊"典型信號頻譜分析"實驗中的"正弦波"按鈕，產(chǎn)生正弦波信號，分析和觀 察正弦波信號波形和幅值譜特性。4點擊"典型信號頻譜分析"實驗中的"方波

7、"按鈕，產(chǎn)生方波信號，分析和觀察方 波信號波形和幅值譜特性。5點擊"典型信號頻譜分析"實驗中的"三角波"按鈕，產(chǎn)生三角波信號，分析和觀 察三角波信號波形和幅值譜特性。五、實驗報告要求1. 簡述實驗目的和原理。2. 按實驗步驟整理出正弦波、方波、三角波的時域和幅值譜特性圖形，說明各 信號頻譜的特點。3. 將分析結(jié)果與理論分析進行對照， 說明實際分析結(jié)果與理論分析之間的差異， 并簡要分析產(chǎn)生誤差的原因。實驗三振動信號數(shù)據(jù)米集及分析、實驗目的通過本實驗了解并掌握機械振動信號數(shù)據(jù)采集的基本方法。二、實驗原理機械在運動時，由于旋轉(zhuǎn)件的不平衡、負載的不均勻

8、、結(jié)構(gòu)剛度的各向異性、 間隙、潤滑不良、支撐松動等因素，總是伴隨著各種振動。機械振動在大多數(shù)情況下是有害的，振動往往會降低機器性能，破壞其正常 工作，縮短使用壽命，甚至導致事故。機械振動還伴隨著同頻率的噪聲，惡化環(huán) 境，危害健康。另一方面，振動也被利用來完成有益的工作，如運輸、夯實、清 洗、粉碎、脫水等。這時必須正確選擇振動參數(shù)，充分發(fā)揮振動機械的性能。在現(xiàn)代企業(yè)管理制度中，除了對各種機械設備提出低振動和低噪聲要求外， 還需隨時對機器的運行狀況進行監(jiān)測、分析、診斷，對工作環(huán)境進行控制。為了 提高機械結(jié)構(gòu)的抗振性能，有必要進行機械結(jié)構(gòu)的振動分析和振動設計。這些都 離不開振動測試。振動測試包括兩種

9、方式：一是測量機械或結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下的振動， 如振動 位移、速度、加速度、頻率和相位等，了解被測對象的振動狀態(tài)，評定等級和尋 找振源，對設備進行監(jiān)測、分析、診斷和預測。二是對機械設備或結(jié)構(gòu)施加某種 激勵，測量其受迫振動，以便求得被測對象的振動力學參量或動態(tài)性能，如固有頻率、阻尼、剛度、頻率響應和模態(tài)等。振動的幅值、頻率和相位是振動的三個基本參數(shù)，稱為振動三要素。幅值：幅值是振動強度的標志，它可以用峰值、有效值、平均值等方法來表 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，采取相應的措施。相位：振動信號的相位信息十分重要，如利用相位關系確定共振點、測量振 型、旋轉(zhuǎn)件動平衡、有源振動控制、降噪等。對于復雜振動的波形分析，各諧波 的相位關系是不可缺少的。在振動測量時，應合理選擇測量參數(shù)，如振動位移是研究強度和變形的重要 依據(jù)；振動加速度與作用力或載荷成正比，是研究動力強度和疲勞的重要依據(jù)； 振動速度決定了噪聲的高低，人對機械振動的敏感程度在很大頻率范圍內(nèi)是由速 度決定的