測試技術與信號分析緒論

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(tài)測試技術》和《傳統(tǒng)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(lián)系實際的實踐平臺。希望大家掌握原理、大膽實踐、不斷創(chuàng)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(tài)測試技術一般性問題的掌握，突出動態(tài)信號特征分析和應用。

學會Labview和MATLAB的基本編程技術和數(shù)據(jù)處理方法。

加強振動測試技術，特別振動模態(tài)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(tǒng)一。

31第1章動態(tài)測試概論1.1動態(tài)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(shù)）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(shù)值測定工作。信息論認為：“此點復現(xiàn)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(shù)信息的技術手段。測試的三個功能:過程中參數(shù)測量功能過程中參數(shù)監(jiān)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(shù)：高度，速度，航向發(fā)動機參數(shù)：溫度，壓力，轉速，流量1.1動態(tài)測試的定義51例2，航天飛機完成飛行任務時，需監(jiān)測信號約3250個試飛研究時約需監(jiān)測2570個緩變信號，幾百速變信號監(jiān)測參數(shù)大致有7大類：飛行參數(shù)導航參數(shù)運載火箭和飛機的發(fā)動機參數(shù)座艙環(huán)境參數(shù)航行員生理參數(shù)航行員生活用品供應系統(tǒng)參數(shù)飛行器結構參數(shù)對上述參數(shù)監(jiān)測同時，還需要加以控制1.1動態(tài)測試的定義61例3，汽車的監(jiān)測與控制1.1動態(tài)測試的定義71動態(tài)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(tài)信號，動態(tài)測試泛指各類動態(tài)信號的測量。1.1動態(tài)測試的定義811.1動態(tài)測試的定義動態(tài)測試：★91動態(tài)測試：任務：現(xiàn)場監(jiān)測，現(xiàn)場監(jiān)控，科學試驗★1.評價現(xiàn)有結構系統(tǒng)的動態(tài)特性2.在新產品設計中進行結構動態(tài)特性的預估和優(yōu)化設計3.診斷及預報結構系統(tǒng)的故障4.控制結構的輻射噪聲5.識別結構系統(tǒng)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(yī)學工程等1.2動態(tài)測試的應用101動態(tài)測試：動態(tài)測試的研究方向：★現(xiàn)場信號監(jiān)測與故障分析，如大橋監(jiān)測，地震監(jiān)測轉子系統(tǒng)（旋轉系統(tǒng)）測量與階次分析，如大型電站環(huán)境噪聲測量和評價，汽車NVH（Noise噪聲、Vibration振動和Harshness舒適度）瞬態(tài)信號測量，如爆破、沖擊波、撞擊振動模態(tài)分析與參數(shù)識別，如產品設計優(yōu)化，F(xiàn)E驗證振動環(huán)境模擬試驗（振動臺試驗），如建筑、汽車動態(tài)測試與分析技術綜合與交叉了傳感器技術、現(xiàn)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(fā)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(fā)展前景。1.2動態(tài)測試的應用111動態(tài)測試：實例1：汽車內飾件模態(tài)試驗，汽車NVH等1.2動態(tài)測試的應用121動態(tài)測試：實例1：汽車整車模態(tài)試驗，汽車NVH等1.2動態(tài)測試的應用131動態(tài)測試：實例2：機翼復合材料模型試驗1.2動態(tài)測試的應用141動態(tài)測試：實例3：振動環(huán)境試驗1.2動態(tài)測試的應用151動態(tài)測試：實例4：大橋現(xiàn)場監(jiān)測1.2動態(tài)測試的應用161動態(tài)測試：實例4：大橋現(xiàn)場監(jiān)測（美國Tacoma大橋）1.2動態(tài)測試的應用1711.2動態(tài)測試的應用動態(tài)測試：實例5：建筑結構1811.2動態(tài)測試的應用動態(tài)測試：實例5：建筑結構的控制191動態(tài)測試：實例5：旋轉機械的階次分析1.2動態(tài)測試的應用2011.3動態(tài)測試的構成被測對象激振系統(tǒng)測量系統(tǒng)分析系統(tǒng)反饋系統(tǒng)激振系統(tǒng)：信號源，功率放大器，激振器（振動臺）測量系統(tǒng)：實現(xiàn)物理量轉換電量，傳感器，放大器，計算機采集系統(tǒng)分析系統(tǒng)：分析或控制軟件反饋系統(tǒng)：實現(xiàn)閉環(huán)控制2110，測試系統(tǒng)的輸出－輸入模型的數(shù)學表達式1.4動態(tài)測試系統(tǒng)的性能指標★1，靈敏度靈敏度是指測試系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)下的輸出量與引起變化的輸入量之比，用表示：非線性系統(tǒng)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(fā)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(shù)，才不致被噪聲所湮沒。1.4動態(tài)測試系統(tǒng)的性能指標說明：1、分辨力---是絕對數(shù)值，如0.01mm，0.1g，10ms，2、分辨率---是相對數(shù)值：能檢測的最小被測量的變換量相對于滿量程的百分數(shù)，如：0.1%,0.02%2311.4動態(tài)測試系統(tǒng)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(guī)定的百分比下，儀器的使用范圍。這是一個動態(tài)指標，保證能通過測試數(shù)據(jù)再現(xiàn)測試過程。包括靈敏度和相移頻率范圍1.4動態(tài)測試系統(tǒng)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(shù)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(yōu)點，現(xiàn)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(guī)定人的8小時工作環(huán)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(tǒng)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(shù)值示值，由測量器具讀數(shù)裝置所指示出來的被測量的數(shù)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(huán)境誤差：測量環(huán)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(shù)誤差、違規(guī)操作、1.6測量誤差401誤差分類(1)隨機誤差(randomerror)正態(tài)分布性質：原因：裝置誤差、環(huán)境誤差、使用誤差處理：統(tǒng)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(xiàn)的次數(shù)相等絕對值小的誤差比絕對值大的誤差出現(xiàn)的次數(shù)多偶然誤差絕對值不會超過一定程度