測(cè)試技術(shù)與信號(hào)分析緒論

測(cè)試技術(shù)與信號(hào)分析

宋春華QQ:78808474TELMAIL:sch217628@163.com11課程介紹課程融合了《動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)》和《傳統(tǒng)測(cè)試技術(shù)》;研究了信號(hào)的構(gòu)成和特征(及信號(hào)分析);對(duì)信號(hào)經(jīng)過(guò)必要的變換以獲得所需信息的過(guò)程(信號(hào)處理)進(jìn)行了研究.課程后一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，是理論聯(lián)系實(shí)際的實(shí)踐平臺(tái)。希望大家掌握原理、大膽實(shí)踐、不斷創(chuàng)新，充分運(yùn)用測(cè)試技術(shù)和手段解決工程中的實(shí)際問(wèn)題。21課程目標(biāo)注重動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)一般性問(wèn)題的掌握，突出動(dòng)態(tài)信號(hào)特征分析和應(yīng)用。

學(xué)會(huì)Labview和MATLAB的基本編程技術(shù)和數(shù)據(jù)處理方法。

加強(qiáng)振動(dòng)測(cè)試技術(shù)，特別振動(dòng)模態(tài)測(cè)試，在實(shí)踐中掌握其測(cè)試方法和理論。

基本實(shí)驗(yàn)貫穿學(xué)習(xí)全過(guò)程，邊教學(xué)邊實(shí)踐，理性認(rèn)識(shí)和感性認(rèn)識(shí)相互統(tǒng)一。

31第1章動(dòng)態(tài)測(cè)試概論1.1動(dòng)態(tài)測(cè)試的定義測(cè)試的定義測(cè)試是測(cè)量與試驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)）的簡(jiǎn)稱(chēng)。試驗(yàn)離不開(kāi)測(cè)量，測(cè)試中最基本的是測(cè)量。測(cè)量是利用各種裝置對(duì)可觀(guān)測(cè)量（或稱(chēng)被測(cè)參數(shù)）進(jìn)行定性和定量的過(guò)程。從計(jì)量學(xué)角度看，測(cè)量是指：對(duì)被測(cè)對(duì)象的物理、化學(xué)、工程技術(shù)等方面的參量數(shù)值測(cè)定工作。信息論認(rèn)為：“此點(diǎn)復(fù)現(xiàn)彼點(diǎn)的信息”為測(cè)量。測(cè)試的基本任務(wù)是，獲取信息。41信息、信號(hào)、測(cè)試之間的關(guān)系：★獲取信息是測(cè)試的目的，信號(hào)是傳遞信息的載體，測(cè)試是得到被測(cè)參數(shù)信息的技術(shù)手段。測(cè)試的三個(gè)功能:過(guò)程中參數(shù)測(cè)量功能過(guò)程中參數(shù)監(jiān)控功能科學(xué)試驗(yàn)中測(cè)量分析功能例1，飛行中的飛機(jī)飛行參數(shù)：高度，速度，航向發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)：溫度，壓力，轉(zhuǎn)速，流量1.1動(dòng)態(tài)測(cè)試的定義51例2，航天飛機(jī)完成飛行任務(wù)時(shí)，需監(jiān)測(cè)信號(hào)約3250個(gè)試飛研究時(shí)約需監(jiān)測(cè)2570個(gè)緩變信號(hào)，幾百速變信號(hào)監(jiān)測(cè)參數(shù)大致有7大類(lèi)：飛行參數(shù)導(dǎo)航參數(shù)運(yùn)載火箭和飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)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(yīng)系統(tǒng)參數(shù)飛行器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)上述參數(shù)監(jiān)測(cè)同時(shí)，還需要加以控制1.1動(dòng)態(tài)測(cè)試的定義61例3，汽車(chē)的監(jiān)測(cè)與控制1.1動(dòng)態(tài)測(cè)試的定義71動(dòng)態(tài)測(cè)試：★定義：在實(shí)際工程中，大量的被測(cè)量是隨時(shí)間變換的動(dòng)態(tài)信號(hào)，動(dòng)態(tài)測(cè)試泛指各類(lèi)動(dòng)態(tài)信號(hào)的測(cè)量。1.1動(dòng)態(tài)測(cè)試的定義811.1動(dòng)態(tài)測(cè)試的定義動(dòng)態(tài)測(cè)試：★91動(dòng)態(tài)測(cè)試：任務(wù)：現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，科學(xué)試驗(yàn)★1.評(píng)價(jià)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性2.在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的預(yù)估和優(yōu)化設(shè)計(jì)3.診斷及預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的故障4.控制結(jié)構(gòu)的輻射噪聲5.識(shí)別結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的載荷6.驗(yàn)證有限元模型的可靠性，可信度應(yīng)用：機(jī)械、船舶、動(dòng)力與能源、航天與航空、建筑、醫(yī)學(xué)工程等1.2動(dòng)態(tài)測(cè)試的應(yīng)用101動(dòng)態(tài)測(cè)試：動(dòng)態(tài)測(cè)試的研究方向：★現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)監(jiān)測(cè)與故障分析，如大橋監(jiān)測(cè)，地震監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)（旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)）測(cè)量與階次分析，如大型電站環(huán)境噪聲測(cè)量和評(píng)價(jià)，汽車(chē)NVH（Noise噪聲、Vibration振動(dòng)和Harshness舒適度）瞬態(tài)信號(hào)測(cè)量，如爆破、沖擊波、撞擊振動(dòng)模態(tài)分析與參數(shù)識(shí)別，如產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化，F(xiàn)E驗(yàn)證振動(dòng)環(huán)境模擬試驗(yàn)（振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)），如建筑、汽車(chē)動(dòng)態(tài)測(cè)試與分析技術(shù)綜合與交叉了傳感器技術(shù)、現(xiàn)代電子學(xué)、信號(hào)分析與處理、自控理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)科的知識(shí)與最新發(fā)展成果，已形成一門(mén)獨(dú)立、新興的高科技學(xué)科，有著不可估量的發(fā)展前景。1.2動(dòng)態(tài)測(cè)試的應(yīng)用111動(dòng)態(tài)測(cè)試：實(shí)例1：汽車(chē)內(nèi)飾件模態(tài)試驗(yàn)，汽車(chē)NVH等1.2動(dòng)態(tài)測(cè)試的應(yīng)用121動(dòng)態(tài)測(cè)試：實(shí)例1：汽車(chē)整車(chē)模態(tài)試驗(yàn)，汽車(chē)NVH等1.2動(dòng)態(tài)測(cè)試的應(yīng)用131動(dòng)態(tài)測(cè)試：實(shí)例2：機(jī)翼復(fù)合材料模型試驗(yàn)1.2動(dòng)態(tài)測(cè)試的應(yīng)用141動(dòng)態(tài)測(cè)試：實(shí)例3：振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)1.2動(dòng)態(tài)測(cè)試的應(yīng)用151動(dòng)態(tài)測(cè)試：實(shí)例4：大橋現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)1.2動(dòng)態(tài)測(cè)試的應(yīng)用161動(dòng)態(tài)測(cè)試：實(shí)例4：大橋現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)（美國(guó)Tacoma大橋）1.2動(dòng)態(tài)測(cè)試的應(yīng)用1711.2動(dòng)態(tài)測(cè)試的應(yīng)用動(dòng)態(tài)測(cè)試：實(shí)例5：建筑結(jié)構(gòu)1811.2動(dòng)態(tài)測(cè)試的應(yīng)用動(dòng)態(tài)測(cè)試：實(shí)例5：建筑結(jié)構(gòu)的控制191動(dòng)態(tài)測(cè)試：實(shí)例5：旋轉(zhuǎn)機(jī)械的階次分析1.2動(dòng)態(tài)測(cè)試的應(yīng)用2011.3動(dòng)態(tài)測(cè)試的構(gòu)成被測(cè)對(duì)象激振系統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)分析系統(tǒng)反饋系統(tǒng)激振系統(tǒng)：信號(hào)源，功率放大器，激振器（振動(dòng)臺(tái)）測(cè)量系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)物理量轉(zhuǎn)換電量，傳感器，放大器，計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)分析系統(tǒng)：分析或控制軟件反饋系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制2110，測(cè)試系統(tǒng)的輸出－輸入模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式1.4動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的性能指標(biāo)★1，靈敏度靈敏度是指測(cè)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(xiàn)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(dāng)信號(hào)電平高于噪聲電平一定的倍數(shù)，才不致被噪聲所湮沒(méi)。1.4動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的性能指標(biāo)說(shuō)明：1、分辨力---是絕對(duì)數(shù)值，如0.01mm，0.1g，10ms，2、分辨率---是相對(duì)數(shù)值：能檢測(cè)的最小被測(cè)量的變換量相對(duì)于滿(mǎn)量程的百分?jǐn)?shù)，如：0.1%,0.02%2311.4動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的性能指標(biāo)3，線(xiàn)性度當(dāng)一個(gè)儀器的靈敏度在一定限度內(nèi)波動(dòng)而不越出，那么這一限度稱(chēng)為儀器的線(xiàn)性度，線(xiàn)性度實(shí)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(guò)某一規(guī)定的百分比下，儀器的使用范圍。這是一個(gè)動(dòng)態(tài)指標(biāo)，保證能通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)再現(xiàn)測(cè)試過(guò)程。包括靈敏度和相移頻率范圍1.4動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的性能指標(biāo)5，工作范圍頻率范圍加上線(xiàn)性度范圍確定儀器的工作范圍。251線(xiàn)性坐標(biāo)1.5分貝的由來(lái)與表示261對(duì)數(shù)坐標(biāo)1.5分貝的由來(lái)與表示271分貝坐標(biāo)1.5分貝的由來(lái)與表示2812911.5分貝的由來(lái)與表示3011.5分貝的由來(lái)與表示311分貝標(biāo)尺起源于傳輸線(xiàn)和電話(huà)工程，它具有刻度均勻又有大范圍壓縮的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛用于電子工程，也廣泛用于振動(dòng)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(zhǔn)功率，是欲比較的功率，的單位為Bel。1.5分貝的由來(lái)與表示(Bel)(dB)321在振動(dòng)工程中，通常以響應(yīng)量Ａ作比較值，它們與功率成平方關(guān)系，故有但Bel作為單位，工程上嫌大些，故取其十分之一稱(chēng)為分貝，作為單位。因此，(Bel)（分貝，記作dB）1.5分貝的由來(lái)與表示331在聲工程中，Ａ可為聲壓。參考聲壓，這是在1000Hz時(shí)，人的耳朵剛能聽(tīng)到的聲音之聲壓。以為參考基準(zhǔn)，ISO1967標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定人的8小時(shí)工作環(huán)境的最高噪聲不超過(guò)85dB。1.5分貝的由來(lái)與表示在振動(dòng)工程中，很難定出基準(zhǔn)響應(yīng)，故通常求兩個(gè)響應(yīng)量的增益（分貝，記作dB）在半功率點(diǎn)處，位移響應(yīng)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(lái)與表示3511.5分貝的由來(lái)與表示應(yīng)用舉例1：聲學(xué)測(cè)量?jī)x器K1K2K3X10X3.16X100+20+10+40x0x（增幅）（衰減）X0.1X0.316X0.01-20-10-403613711.5分貝的由來(lái)與表示應(yīng)用舉例2：聲學(xué)校準(zhǔn)器的輸出為94dB和114dB(1000Hz)，請(qǐng)推算一下此時(shí)的聲壓大小分別為多少Pa?其中基準(zhǔn)聲壓為20×10-6Pa。聲學(xué)校準(zhǔn)器聲級(jí)計(jì)381測(cè)量誤差定義測(cè)量結(jié)果與被測(cè)量真值之差稱(chēng)為測(cè)量誤差，即：測(cè)量誤差＝測(cè)量結(jié)果－真值真值：被測(cè)量的客觀(guān)真實(shí)值，有理論真值、約定真值和相對(duì)真值真值是一個(gè)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(shí)際值（真實(shí)值）在排除誤差的前提下，通過(guò)多次測(cè)量統(tǒng)計(jì)得到的值，可視為真值一般用精度更高一級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)器具所測(cè)得的值作為真值（標(biāo)準(zhǔn)值），所以稱(chēng)為實(shí)際值標(biāo)稱(chēng)值，測(cè)量器具上所標(biāo)出來(lái)的數(shù)值示值，由測(cè)量器具讀數(shù)裝置所指示出來(lái)的被測(cè)量的數(shù)值 1.6測(cè)量誤差整圓圓周角360°391誤差來(lái)源原理誤差：測(cè)量原理和方法本身存在缺陷和偏差近似：理論分析與實(shí)際情況差異，如：非線(xiàn)性比較小時(shí)可以近似為線(xiàn)性假設(shè)：理論上成立、實(shí)際中不成立，如：誤差因素互不相關(guān)方法：測(cè)量方法存在錯(cuò)誤或不足，如：采樣頻率低、測(cè)量基準(zhǔn)錯(cuò)誤裝置誤差：測(cè)量?jī)x器、設(shè)備、裝置導(dǎo)致的測(cè)量誤差機(jī)械：零件材料性能變化、配合間隙變化、傳動(dòng)比變化、蠕變、空程電路：電源波動(dòng)、元件老化、漂移、電氣噪聲環(huán)境誤差：測(cè)量環(huán)境、條件引起的測(cè)量誤差空氣溫度、濕度，大氣壓力，振動(dòng)，電磁場(chǎng)干擾，氣流擾動(dòng)使用誤差：讀數(shù)誤差、違規(guī)操作、1.6測(cè)量誤差401誤差分類(lèi)(1)隨機(jī)誤差(randomerror)正態(tài)分布性質(zhì)：原因：裝置誤差、環(huán)境誤差、使用誤差處理：統(tǒng)計(jì)分析、計(jì)算處理→減小對(duì)稱(chēng)性有界性抵償性單峰性絕對(duì)值相等的正負(fù)誤差出現(xiàn)的次數(shù)相等絕對(duì)值小的誤差比絕對(duì)值大的誤差出現(xiàn)的次數(shù)多偶然誤差絕對(duì)值不會(huì)超過(guò)一定程度