测试技术与信号分析绪论

1、1 11v宋春华宋春华vQQ:78808474QQ:78808474vTELELEMAIL:EMAIL:2 12课程介绍v课程融合课程融合了了动态测试技术动态测试技术和和传统传统测试测试技术技术;研究了信号研究了信号的的构成和特征构成和特征(及信号分及信号分析析);对信号经过必要的变换以获得所需信息对信号经过必要的变换以获得所需信息的过程的过程(信号处理信号处理)进行了研究进行了研究.课程后一门实课程后一门实践性很强的课程，是理论联系实际的实践平践性很强的课程，是理论联系实际的实践平台。希望大家掌握原理、大胆实践、不断创台。希望大家掌握原理、

2、大胆实践、不断创新，充分运用测试技术和手段解决工程中的新，充分运用测试技术和手段解决工程中的实际问题。实际问题。3 13课程目标v注重动态测试技术一般性问题的掌握，突出注重动态测试技术一般性问题的掌握，突出动态信号特征分析和应用。动态信号特征分析和应用。 学会学会Labview和和MATLAB的基本编程技术和的基本编程技术和数据处理方法。数据处理方法。 加强振动测试技术，特别振动模态测试，在加强振动测试技术，特别振动模态测试，在实践中掌握其测试方法和理论。实践中掌握其测试方法和理论。 基本实验贯穿学习全过程，边教学边实践，基本实验贯穿学习全过程，边教学边实践，理性认识和感性认识相互统一。理性认

3、识和感性认识相互统一。 4 14第1章 动态测试概论v1.1 动态测试的定义动态测试的定义测试的定义测试的定义测试是测量与试验（实验）的简称。测试是测量与试验（实验）的简称。v试验离不开测量，测试中最基本的是测试验离不开测量，测试中最基本的是测量。测量是利用各种装置对可观测量（或量。测量是利用各种装置对可观测量（或称被测参数）进行称被测参数）进行定性和定量定性和定量的过程。的过程。v从计量学角度看，测量是指：对被测对从计量学角度看，测量是指：对被测对象的物理、化学、工程技术等方面的参量象的物理、化学、工程技术等方面的参量数值测定数值测定工作。工作。v信息论认为：信息论认为：“此点复现彼点的信息

4、此点复现彼点的信息”为测量。为测量。v测试的基本任务是，获取信息。测试的基本任务是，获取信息。5 15信息、信号、测试之间的关系：信息、信号、测试之间的关系：v获取信息是测试的目的，信号是传递信获取信息是测试的目的，信号是传递信息的载体，测试是得到被测参数信息的技息的载体，测试是得到被测参数信息的技术手段。术手段。测试的三个功能测试的三个功能:v过程中参数测量功能过程中参数测量功能v过程中参数监控功能过程中参数监控功能v科学试验中测量分析功能科学试验中测量分析功能例例1，飞行中的飞机，飞行中的飞机v飞行参数：高度，速度，航向飞行参数：高度，速度，航向v发动机参数：温度，压力，转速，流量发动机参

5、数：温度，压力，转速，流量v1.1 动态测试的定义动态测试的定义6 16例例2，航天飞机，航天飞机v完成飞行任务时，需监测信号约完成飞行任务时，需监测信号约3250个个v试飞研究时约需监测试飞研究时约需监测2570个缓变信号，个缓变信号，几百速变信号几百速变信号v监测参数大致有监测参数大致有7大类：大类：飞行参数飞行参数导航参数导航参数运载火箭和飞机的发动机参数运载火箭和飞机的发动机参数座舱环境参数座舱环境参数航行员生理参数航行员生理参数航行员生活用品供应系统参数航行员生活用品供应系统参数飞行器结构参数飞行器结构参数v对上述参数监测同时，还需要加以控制对上述参数监测同时，还需要加以控制v1.1

6、 动态测试的定义动态测试的定义7 17例例3，汽车的监测与控制，汽车的监测与控制v1.1 动态测试的定义动态测试的定义8 18动态测试：动态测试： v定义：在实际工程中，大量的被测量是定义：在实际工程中，大量的被测量是随时间变换的动态信号，动态测试泛指各随时间变换的动态信号，动态测试泛指各类动态信号的测量。类动态信号的测量。v1.1 动态测试的定义动态测试的定义 0 seconds amplitude Harmonic Function 9 19v1.1 动态测试的定义动态测试的定义动态测试：动态测试： 10 110动态测试：动态测试：v任务：现场监测，现场监控，科学任务：现场监测，现场监控，

7、科学试验试验1. 评价现有结构系统的动态特性评价现有结构系统的动态特性2. 在新产品设计中进行结构动态特性的预估在新产品设计中进行结构动态特性的预估和优化设计和优化设计3. 诊断及预报结构系统的故障诊断及预报结构系统的故障4. 控制结构的辐射噪声控制结构的辐射噪声5. 识别结构系统的载荷识别结构系统的载荷6. 验证有限元模型的可靠性，可信度验证有限元模型的可靠性，可信度v应用：机械、船舶、动力与能源、应用：机械、船舶、动力与能源、航天与航空、建筑、医学工程等航天与航空、建筑、医学工程等v1.2 动态测试的应用动态测试的应用11 111动态测试：动态测试：v动态测试的研究方向：动态测试的研究方向

8、： 现场信号监测与故障分析，如大桥监测，地震现场信号监测与故障分析，如大桥监测，地震监测监测转子系统（旋转系统）测量与阶次分析，如大转子系统（旋转系统）测量与阶次分析，如大型电站型电站环境噪声测量和评价，汽车环境噪声测量和评价，汽车NVH（Noise噪声、噪声、Vibration振动和振动和Harshness舒适度舒适度）瞬态信号测量，如爆破、冲击波、撞击瞬态信号测量，如爆破、冲击波、撞击振动模态分析与参数识别，如产品设计优化，振动模态分析与参数识别，如产品设计优化，FE验证验证振动环境模拟试验（振动台试验），如建筑、振动环境模拟试验（振动台试验），如建筑、汽车汽车v动态测试与分析技术综合与交

9、叉了传感器动态测试与分析技术综合与交叉了传感器技术、现代电子学、信号分析与处理、自技术、现代电子学、信号分析与处理、自控理论和计算机技术等学科的知识与最新控理论和计算机技术等学科的知识与最新发展成果，已形成一门独立、新兴的高科发展成果，已形成一门独立、新兴的高科技学科，有着不可估量的发展前景。技学科，有着不可估量的发展前景。v1.2 动态测试的应用动态测试的应用12 112动态测试：动态测试： v实例实例1：汽车内饰件模态试验，汽车：汽车内饰件模态试验，汽车NVH等等v1.2 动态测试的应用动态测试的应用13 113动态测试：动态测试：v实例实例1：汽车整车模态试验，汽车：汽车整车模态试验，汽

10、车NVH等等v1.2 动态测试的应用动态测试的应用14 114动态测试：动态测试：v实例实例2：机翼复合材料模型试验：机翼复合材料模型试验v1.2 动态测试的应用动态测试的应用15 115动态测试：动态测试：v实例实例3：振动环境试验：振动环境试验v1.2 动态测试的应用动态测试的应用16 116动态测试：动态测试：v实例实例4：大桥现场监测：大桥现场监测v1.2 动态测试的应用动态测试的应用17 117动态测试：动态测试：v实例实例4：大桥现场监测（美国：大桥现场监测（美国Tacoma大大桥）桥）v1.2 动态测试的应用动态测试的应用18 118v1.2 动态测试的应用动态测试的应用动态测试

11、：动态测试：v实例实例5：建筑结构：建筑结构19 119v1.2 动态测试的应用动态测试的应用动态测试：动态测试：v实例实例5：建筑结构的控制：建筑结构的控制20 120动态测试：动态测试：v实例实例5：旋转机械的阶次分析：旋转机械的阶次分析v1.2 动态测试的应用动态测试的应用21 121v1.3 动态测试的构成动态测试的构成被测对象激振系统激振系统测量系统测量系统分析系统分析系统反馈系统反馈系统激振系统：信号源，功率放大器，激振器（振动台）激振系统：信号源，功率放大器，激振器（振动台）测量系统：实现物理量转换电量，传感器，放大器，测量系统：实现物理量转换电量，传感器，放大器，计算机采集系统

12、计算机采集系统分析系统：分析或控制软件分析系统：分析或控制软件反馈系统：实现闭环控制反馈系统：实现闭环控制22 1220，测试系统的输出输入模型的数学，测试系统的输出输入模型的数学表达式表达式v1.4 动态测试系统的性能指标动态测试系统的性能指标nnxaxaxaay 22101，灵敏度，灵敏度v灵敏度灵敏度 是指测试系统在稳态下的输出量是指测试系统在稳态下的输出量 与引起变化的输入量与引起变化的输入量 之比，用之比，用 表示：表示：yxxykkv非线性系统的灵敏度用下式表示：非线性系统的灵敏度用下式表示：dxdyk xyaO23 1232，分辨率，分辨率( resolution )v分辨率是指

13、引起仪器输出量发生可分辨分辨率是指引起仪器输出量发生可分辨的变化的最小输入量的大小。的变化的最小输入量的大小。v分辨率受仪器信噪比影响。只有当信号分辨率受仪器信噪比影响。只有当信号电平高于噪声电平一定的倍数，才不致被电平高于噪声电平一定的倍数，才不致被噪声所湮没。噪声所湮没。v1.4 动态测试系统的性能指标动态测试系统的性能指标20lg5SignalNoiseVSNRdBVv说明：说明：1、分辨力、分辨力 - 是绝对数值，如是绝对数值，如 0.01mm，0.1g，10ms，2、分辨率、分辨率 - 是相对数值：能检测的最小是相对数值：能检测的最小被测量的变换量相对于被测量的变换量相对于 满量程的

14、百分数，满量程的百分数，如：如： 0.1%, 0.02%24 124v1.4 动态测试系统的性能指标动态测试系统的性能指标3，线性度，线性度v当一个仪器的灵敏度在一定限度内波动当一个仪器的灵敏度在一定限度内波动而不越出，那么这一限度称为仪器的线性而不越出，那么这一限度称为仪器的线性度，线性度实际上是灵敏度在正常情况下度，线性度实际上是灵敏度在正常情况下的误差范围。的误差范围。xy25 1254，频率范围，频率范围v频率范围是一般仪器灵敏度变化不超过频率范围是一般仪器灵敏度变化不超过某一规定的百分比下，仪器的使用范围。某一规定的百分比下，仪器的使用范围。这是一个动态指标，保证能通过测试数据这是一

15、个动态指标，保证能通过测试数据再现测试过程。包括灵敏度和相移频率范再现测试过程。包括灵敏度和相移频率范围围v1.4 动态测试系统的性能指标动态测试系统的性能指标5，工作范围，工作范围v频率范围加上线性度范围确定仪器的工频率范围加上线性度范围确定仪器的工作范围。作范围。26 1262003004005006000.000.010.020.030.040.05Velocity / Force (m/s/N)Frequency (Hz)线性坐标v1.5 分贝的由来与表示分贝的由来与表示27 127对数坐标2003004005006001E-41E-30.010.1Velocity / Force (

16、m/s/N)Frequency (Hz)v1.5 分贝的由来与表示分贝的由来与表示28 128分贝坐标200300400500600-70-60-50-40-30-20Velocity / Force (dB m/s/N)Frequency (Hz)v1.5 分贝的由来与表示分贝的由来与表示29 1292003004005006000.000.010.020.030.040.05Velocity / Force (m/s/N)Frequency (Hz)2003004005006001E-41E-30.010.1Velocity / Force (m/s/N)Frequency (Hz)200

17、300400500600-70-60-50-40-30-20Velocity / Force (dB m/s/N)Frequency (Hz)30 130v1.5 分贝的由来与表示分贝的由来与表示31 131v1.5 分贝的由来与表示分贝的由来与表示32 132分贝标尺起源于传输线和电话工程，它具有分贝标尺起源于传输线和电话工程，它具有刻度均匀又有大范围压缩的优点，现已广泛刻度均匀又有大范围压缩的优点，现已广泛用于电子工程，也广泛用于振动与声工程。用于电子工程，也广泛用于振动与声工程。分贝的定义基于增益或功率比，增益的定义分贝的定义基于增益或功率比，增益的定义为：为：0lgPPLv式中，式中，

18、 是参考或基准功率，是参考或基准功率， 是欲比较的是欲比较的功率，功率， 的单位为的单位为Bel。0ppLv1.5 分贝的由来与表示分贝的由来与表示(Bel)0lg10PPL(dB)33 133在振动工程中，通常以响应量作比较值，在振动工程中，通常以响应量作比较值，它们与功率成平方关系，故有它们与功率成平方关系，故有但但Bel作为单位，工程上嫌大些，故取其十作为单位，工程上嫌大些，故取其十分之一称为分贝，作为单位。因此，分之一称为分贝，作为单位。因此，0200lg2lglgAAAAPPL(Bel)（分贝，记作（分贝，记作dB）0lg20AALv1.5 分贝的由来与表示分贝的由来与表示34 13

19、4在声工程中，可为在声工程中，可为 声压。参考声声压。参考声压压 ，这是在，这是在1000Hz时，时，人的耳朵刚能听到的声音之声压。以人的耳朵刚能听到的声音之声压。以 为为参考基准，参考基准，ISO1967标准规定人的标准规定人的8小时工小时工作环境的最高噪声不超过作环境的最高噪声不超过85dB。v1.5 分贝的由来与表示分贝的由来与表示在振动工程中，很难定出基准响应，故通常在振动工程中，很难定出基准响应，故通常求两个响应量的增益求两个响应量的增益（分贝，记作（分贝，记作dB）1lg20AALPap601020p0p在半功率点处，位移响应的振幅与峰值之比在半功率点处，位移响应的振幅与峰值之比为

20、为321lg20lg2012AAL（dB）35 135L(dB)A2/A1L(dB) A2/A1L(dB) A2/A101 01 -10.8913 103.1623 -100.3162 -20.7943 2010 -200.1 -30.7079 3031.6228 -300.0316 -40.6310 40100 -400.01-50.5623 v1.5 分贝的由来与表示分贝的由来与表示36 136v1.5 分贝的由来与表示分贝的由来与表示应用举例应用举例1：声学测量仪器：声学测量仪器K1K2K3X10X3.16X100+20+10+40 x0 x（增幅）（增幅）（衰减）（衰减）X0.1X0.

21、316X0.01-20-10-4037 13738 138v1.5 分贝的由来与表示分贝的由来与表示应用举例应用举例2：声学校准器的输出为：声学校准器的输出为94dB和和114dB (1000Hz)，请推算一下，请推算一下此时的声压大小分别为多少此时的声压大小分别为多少Pa?其中其中基准声压为基准声压为2010-6Pa。声学校准器声学校准器声级计声级计39 139测量误差定义测量误差定义v测量结果与被测量真值之差称为测量误差，即：测量结果与被测量真值之差称为测量误差，即： 测量误差测量误差 测量结果测量结果 真值真值v真值：被测量的客观真实值，有理论真值、约定真值：被测量的客观真实值，有理论真

22、值、约定真值和相对真值真值和相对真值 真值是一个理想的概念，一般是不可知的，但真值是一个理想的概念，一般是不可知的，但在某些特定情况下，真值又是可知的，如在某些特定情况下，真值又是可知的，如？v实际值（真实值）实际值（真实值） 在排除误差的前提下，通过多次测量统计得到在排除误差的前提下，通过多次测量统计得到的值，可视为真值的值，可视为真值 一般用精度更高一级的标准器具所测得的值作一般用精度更高一级的标准器具所测得的值作为真值（标准值），所以称为实际值为真值（标准值），所以称为实际值v标称值，测量器具上所标出来的数值标称值，测量器具上所标出来的数值v示值，由测量器具读数装置所指示出来的被测量示值

23、，由测量器具读数装置所指示出来的被测量的数值的数值v1.6 测量误差测量误差整圆圆周角整圆圆周角36040 140误差来源误差来源v原理误差：测量原理和方法本身存在缺陷和偏差原理误差：测量原理和方法本身存在缺陷和偏差近似：理论分析与实际情况差异，如：非线性比较小近似：理论分析与实际情况差异，如：非线性比较小时可以近似为线性时可以近似为线性假设：理论上成立、实际中不成立，如：误差因素互假设：理论上成立、实际中不成立，如：误差因素互不相关不相关方法：测量方法存在错误或不足，如：采样频率低、方法：测量方法存在错误或不足，如：采样频率低、测量基准错误测量基准错误v装置误差：测量仪器、设备、装置导致的测量误装置误差：测量仪器、设备、装置导致的测量误差差机械：零件材料性能变化、配合间隙变化、传动比变机械：零件材料性能变化、配合间隙变化、传动比变化、蠕变、