測試技術與信號分析

宋春華QQ:78808474TELMAIL:sch217628@163.com11課程介紹課程融合了《動態測試技術》和《傳統測試技術》;研究了信號的構成和特征(及信號分析);對信號經過必要的變換以獲得所需信息的過程(信號處理)進行了研究.課程后一門實踐性很強的課程，是理論聯系實際的實踐平臺。希望大家掌握原理、大膽實踐、不斷創新，充分運用測試技術和手段解決工程中的實際問題。21課程目標注重動態測試技術一般性問題的掌握，突出動態信號特征分析和應用。

學會Labview和MATLAB的基本編程技術和數據處理方法。

加強振動測試技術，特別振動模態測試，在實踐中掌握其測試方法和理論。

基本實驗貫穿學習全過程，邊教學邊實踐，理性認識和感性認識相互統一。

31第1章動態測試概論1.1動態測試的定義測試的定義測試是測量與試驗（實驗）的簡稱。試驗離不開測量，測試中最基本的是測量。測量是利用各種裝置對可觀測量（或稱被測參數）進行定性和定量的過程。從計量學角度看，測量是指：對被測對象的物理、化學、工程技術等方面的參量數值測定工作。信息論認為：“此點復現彼點的信息”為測量。測試的基本任務是，獲取信息。41信息、信號、測試之間的關系：★獲取信息是測試的目的，信號是傳遞信息的載體，測試是得到被測參數信息的技術手段。測試的三個功能:過程中參數測量功能過程中參數監控功能科學試驗中測量分析功能例1，飛行中的飛機飛行參數：高度，速度，航向發動機參數：溫度，壓力，轉速，流量1.1動態測試的定義51例2，航天飛機完成飛行任務時，需監測信號約3250個試飛研究時約需監測2570個緩變信號，幾百速變信號監測參數大致有7大類：飛行參數導航參數運載火箭和飛機的發動機參數座艙環境參數航行員生理參數航行員生活用品供應系統參數飛行器結構參數對上述參數監測同時，還需要加以控制1.1動態測試的定義61例3，汽車的監測與控制1.1動態測試的定義71動態測試：★定義：在實際工程中，大量的被測量是隨時間變換的動態信號，動態測試泛指各類動態信號的測量。1.1動態測試的定義811.1動態測試的定義動態測試：★91動態測試：任務：現場監測，現場監控，科學試驗★1.評價現有結構系統的動態特性2.在新產品設計中進行結構動態特性的預估和優化設計3.診斷及預報結構系統的故障4.控制結構的輻射噪聲5.識別結構系統的載荷6.驗證有限元模型的可靠性，可信度應用：機械、船舶、動力與能源、航天與航空、建筑、醫學工程等1.2動態測試的應用101動態測試：動態測試的研究方向：★現場信號監測與故障分析，如大橋監測，地震監測轉子系統（旋轉系統）測量與階次分析，如大型電站環境噪聲測量和評價，汽車NVH（Noise噪聲、Vibration振動和Harshness舒適度）瞬態信號測量，如爆破、沖擊波、撞擊振動模態分析與參數識別，如產品設計優化，FE驗證振動環境模擬試驗（振動臺試驗），如建筑、汽車動態測試與分析技術綜合與交叉了傳感器技術、現代電子學、信號分析與處理、自控理論和計算機技術等學科的知識與最新發展成果，已形成一門獨立、新興的高科技學科，有著不可估量的發展前景。1.2動態測試的應用111動態測試：實例1：汽車內飾件模態試驗，汽車NVH等1.2動態測試的應用121動態測試：實例1：汽車整車模態試驗，汽車NVH等1.2動態測試的應用131動態測試：實例2：機翼復合材料模型試驗1.2動態測試的應用141動態測試：實例3：振動環境試驗1.2動態測試的應用151動態測試：實例4：大橋現場監測1.2動態測試的應用161動態測試：實例4：大橋現場監測（美國Tacoma大橋）1.2動態測試的應用1711.2動態測試的應用動態測試：實例5：建筑結構1811.2動態測試的應用動態測試：實例5：建筑結構的控制191動態測試：實例5：旋轉機械的階次分析1.2動態測試的應用2011.3動態測試的構成被測對象激振系統測量系統分析系統反饋系統激振系統：信號源，功率放大器，激振器（振動臺）測量系統：實現物理量轉換電量，傳感器，放大器，計算機采集系統分析系統：分析或控制軟件反饋系統：實現閉環控制2110，測試系統的輸出－輸入模型的數學表達式1.4動態測試系統的性能指標★1，靈敏度靈敏度是指測試系統在穩態下的輸出量與引起變化的輸入量之比，用表示：非線性系統的靈敏度用下式表示：xyaO2212，分辨率(resolution)分辨率是指引起儀器輸出量發生可分辨的變化的最小輸入量的大小。分辨率受儀器信噪比影響。只有當信號電平高于噪聲電平一定的倍數，才不致被噪聲所湮沒。1.4動態測試系統的性能指標說明：1、分辨力---是絕對數值，如0.01mm，0.1g，10ms，2、分辨率---是相對數值：能檢測的最小被測量的變換量相對于滿量程的百分數，如：0.1%,0.02%2311.4動態測試系統的性能指標3，線性度當一個儀器的靈敏度在一定限度內波動而不越出，那么這一限度稱為儀器的線性度，線性度實際上是靈敏度在正常情況下的誤差范圍。xyΔ2414，頻率范圍頻率范圍是一般儀器靈敏度變化不超過某一規定的百分比下，儀器的使用范圍。這是一個動態指標，保證能通過測試數據再現測試過程。包括靈敏度和相移頻率范圍1.4動態測試系統的性能指標5，工作范圍頻率范圍加上線性度范圍確定儀器的工作范圍。251線性坐標1.5分貝的由來與表示261對數坐標1.5分貝的由來與表示271分貝坐標1.5分貝的由來與表示2812911.5分貝的由來與表示3011.5分貝的由來與表示311分貝標尺起源于傳輸線和電話工程，它具有刻度均勻又有大范圍壓縮的優點，現已廣泛用于電子工程，也廣泛用于振動與聲工程。分貝的定義基于增益或功率比，增益的定義為：式中，是參考或基準功率，是欲比較的功率，的單位為Bel。1.5分貝的由來與表示(Bel)(dB)321在振動工程中，通常以響應量Ａ作比較值，它們與功率成平方關系，故有但Bel作為單位，工程上嫌大些，故取其十分之一稱為分貝，作為單位。因此，(Bel)（分貝，記作dB）1.5分貝的由來與表示331在聲工程中，Ａ可為聲壓。參考聲壓，這是在1000Hz時，人的耳朵剛能聽到的聲音之聲壓。以為參考基準，ISO1967標準規定人的8小時工作環境的最高噪聲不超過85dB。1.5分貝的由來與表示在振動工程中，很難定出基準響應，故通常求兩個響應量的增益（分貝，記作dB）在半功率點處，位移響應的振幅與峰值之比為（dB）341L(dB)A2/A1L(dB)A2/A1L(dB)A2/A10101-10.8913103.1623-100.3162-20.79432010-200.1-30.70793031.6228-300.0316-40.631040100-400.01-50.562320n10n-20n10-n-60.50121.5分貝的由來與表示3511.5分貝的由來與表示應用舉例1：聲學測量儀器K1K2K3X10X3.16X100+20+10+40x0x（增幅）（衰減）X0.1X0.316X0.01-20-10-403613711.5分貝的由來與表示應用舉例2：聲學校準器的輸出為94dB和114dB(1000Hz)，請推算一下此時的聲壓大小分別為多少Pa?其中基準聲壓為20×10-6Pa。聲學校準器聲級計381測量誤差定義測量結果與被測量真值之差稱為測量誤差，即：測量誤差＝測量結果－真值真值：被測量的客觀真實值，有理論真值、約定真值和相對真值真值是一個理想的概念，一般是不可知的，但在某些特定情況下，真值又是可知的，如？實際值（真實值）在排除誤差的前提下，通過多次測量統計得到的值，可視為真值一般用精度更高一級的標準器具所測得的值作為真值（標準值），所以稱為實際值標稱值，測量器具上所標出來的數值示值，由測量器具讀數裝置所指示出來的被測量的數值 1.6測量誤差整圓圓周角360°391誤差來源原理誤差：測量原理和方法本身存在缺陷和偏差近似：理論分析與實際情況差異，如：非線性比較小時可以近似為線性假設：理論上成立、實際中不成立，如：誤差因素互不相關方法：測量方法存在錯誤或不足，如：采樣頻率低、測量基準錯誤裝置誤差：測量儀器、設備、裝置導致的測量誤差機械：零件材料性能變化、配合間隙變化、傳動比變化、蠕變、空程電路：電源波動、元件老化、漂移、電氣噪聲環境誤差：測量環境、條件引起的測量誤差空氣溫度、濕度，大氣壓力，振動，電磁場干擾，氣流擾動使用誤差：讀數誤差、違規操作、1.6測量誤差401誤差分類(1)隨機誤差(randomerror)正態分布性質：原因：裝置誤差、環境誤差、使用誤差處理：統計分析、計算處理→減小對稱性有界性抵償性單峰性絕對值相等的正負誤差出現的次數相等絕對值小的誤差比絕對值大的誤差出現的次數多偶然誤差絕對值不會超過一定程度