动态测试与分析技术 Dynamic Measurement and Analysis Technology

1. 动态测试与分析技术Dynamic Measurement and Analysis Technology 余征跃 13341763417 yuzy@sjtu.edu.cn 上海交通大学工程力学实验中心 http://cc.sjtu.edu.cn/vibt.html

2. 课程介绍 • 《动态测试技术》又名《振动测试技术》，是上海交通大学国家精品课程《振动力学》的重要组成部分，是继《振动理论》（课程代号：EM302）课程后一门实践性很强的课程，是理论联系实际的实践平台。 • 希望大家掌握原理、大胆实践、不断创新，理论联系实践，充分运用动态测试技术解决工程中的实际问题。

3. 课程目标 • 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。 使用Labview图形化软件应用日常教学中，学会Labview的基本编程技术和数据处理方法。 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。 基本实验贯穿学习全过程，边教学边实验，理性认识和感性认识相互统一。 采用创新实验开放式考核方法。创新实验选题是学生和老师一起制定。

4. 课程内容 • 动态测试概论(2)动态信号特征分析(2)信号数字化，信号分析仪(2), Lab1(3)传感器与放大器(2), Lab2(3)激振系统(2)简单振动系统动态特性及系统参数测量(2)，Lab3(3)机械阻抗的测量(2)，Lab4(3)模态分析与参数识别(6)，Lab5(3)其他相关专题（噪声、转子测量）(2)，Lab6(3) 创新实验：振动测试应用专题(2) • 学时分配：课堂12×2＝24，实验6×3＝18，总计42学时

5. 课内实验（基本实验） • Lab1. 信号的合成与labview使用Lab2. 动态信号分析（含概率分析） Lab3. 传感器标定（加速度、力、位移传感器）Lab4. 频响函数（传递函数）测量（3）Lab5. 结构模态参数测试（3）Lab8. 转子基本参数测量

6. 期末创新实验 • 提出实验问题，第1-4周 • 制定实验方案，第5-6周 • 完成实验内容，第7-12周 • 实验结果分析，第7-12周 • 撰写实验论文，第13、14周 • 制作汇报文档，第13、14周 • 参与答辩讨论，第15周

7. 相关信息 • 上课时间和地点： • 周四6-8节，东中院2-303 • 周数：1-14周，答辩：15-16周 • 实验地点：电工力学楼205A、207A室 • 答疑地点：电工力学楼101A室 • 教材：提供电子讲义和教案 • 考试方式及总评成绩构成 ： • 平时：10％ • 基本实验：40％ • 创新实验：50％（期末）

8. 参考文献 • 动态测试与分析技术，方之楚 杨长俊 余征跃，上海交通大学 • 振动力学，刘延柱 陈文良 陈立群，高等教育出版社 • 传感与测试技术，王昌明 等，北京航空航天大学出版社 • 工程振动试验分析，李德堡 陆秋海，清华大学出版社 • 模态分析理论与应用，傅志方 华宏星，上海交通大学出版社 • 噪声与振动控制技术基础，盛美萍 王敏庆 孙进才，科学出版社 • Vibration testing: theory and practice，Kenneth G. etc. John -2nd ed. Wiley & Sons,Inc • Vibration and shock handbook, Clarence W. de Silva. CSC Press

9. 第1章 动态测试概论 • 1.1 动态测试的定义 • 测试的定义 • 测试是测量与试验（实验）的简称。 • 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（或称被测参数）进行定性和定量的过程。 • 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数值测定工作。 • 信息论认为：“此点复现彼点的信息”为测量。 • 测试的基本任务是，获取信息。

10. 信息、信号、测试之间的关系：★ • 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术手段。 • 测试的三个功能: • 过程中参数测量功能 • 过程中参数监控功能 • 科学试验中测量分析功能 • 例1，飞行中的飞机 • 飞行参数：高度，速度，航向 • 发动机参数：温度，压力，转速，流量 • 1.1 动态测试的定义

11. 1.1 动态测试的定义 • 例2，航天飞机 • 完成飞行任务时，需监测信号约3250个 • 试飞研究时约需监测2570个缓变信号，几百速变信号 • 监测参数大致有7大类： • 飞行参数 • 导航参数 • 运载火箭和飞机的发动机参数 • 座舱环境参数 • 航行员生理参数 • 航行员生活用品供应系统参数 • 飞行器结构参数 • 对上述参数监测同时，还需要加以控制

12. 1.1 动态测试的定义 • 例3，汽车的监测与控制

13. 1.1 动态测试的定义 • 动态测试： ★ • 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，动态测试泛指各类动态信号的测量。

14. 1.1 动态测试的定义 • 动态测试： ★

15. 1.2 动态测试的应用 • 动态测试： • 任务：现场监测，现场监控，科学试验★ • 1. 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和优化设计 • 3. 诊断及预报结构系统的故障 • 4. 控制结构的辐射噪声 • 5. 识别结构系统的载荷 • 6. 验证有限元模型的可靠性，可信度 • 应用：机械、船舶、动力与能源、航天与航空、建筑、医学工程等

16. 1.2 动态测试的应用 • 动态测试： • 动态测试的研究方向： ★ • 现场信号监测与故障分析，如大桥监测，地震监测 • 转子系统（旋转系统）测量与阶次分析，如大型电站 • 环境噪声测量和评价，汽车NVH（Noise噪声、Vibration振动和Harshness舒适度） • 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，FE验证 • 振动环境模拟试验（振动台试验），如建筑、汽车 • 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、新兴的高科技学科，有着不可估量的发展前景。 • 就我国传感器产值，2012年达到千亿元，年增长35%以上

17. 1.2 动态测试的应用 • 动态测试： • 实例1：汽车内饰件模态试验，汽车NVH等

18. 1.2 动态测试的应用 • 动态测试： • 实例1：汽车整车模态试验，汽车NVH等

19. 1.2 动态测试的应用 • 动态测试： • 实例2：机翼复合材料模型试验

20. 1.2 动态测试的应用 • 动态测试： • 实例3：振动环境试验、冲击试验

21. 1.2 动态测试的应用 • 动态测试： • 实例4：大桥现场监测

22. 1.2 动态测试的应用 • 动态测试： • 实例4：大桥现场监测（美国Tacoma大桥）

23. 1.2 动态测试的应用 • 动态测试： • 实例5：建筑结构

24. 1.2 动态测试的应用 • 动态测试： • 实例5：建筑结构的控制

25. 1.2 动态测试的应用 • 动态测试： • 实例5：旋转机械的阶次分析

26. 分析系统 测量系统 被测对象 激振系统 反馈系统 • 1.3 动态测试的构成 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，计算机采集系统 分析系统：分析或控制软件 反馈系统：实现闭环控制

27. y a x O • 1.4 动态测试系统的性能指标★ • 0，测试系统的输出－输入模型的数学表达式 • 1，灵敏度 • 灵敏度是指测试系统在稳态下的输出量 与引起变化的输入量 之比，用 表示： • 非线性系统的灵敏度用下式表示：

28. 1.4 动态测试系统的性能指标 • 2，分辨率( resolution ) • 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。 • 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，才不致被噪声所湮没。 • 说明： 1、分辨力 --- 是绝对数值，如 0.01mm，0.1g，10ms， 2、分辨率 --- 是相对数值：能检测的最小被测量的变换量相对于 满量程的百分数，如： 0.1%, 0.02%

29. y Δ x • 1.4 动态测试系统的性能指标 • 3，线性度 • 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度，线性度实际上是灵敏度在正常情况下的误差范围。

30. 1.4 动态测试系统的性能指标 • 4，频率范围 • 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。这是一个动态指标，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围 • 5，工作范围 • 频率范围加上线性度范围确定仪器的工作范围。

31. 1.5 分贝的由来与表示 线性坐标

32. 1.5 分贝的由来与表示 对数坐标

33. 1.5 分贝的由来与表示 分贝坐标

34. 作业1

35. 1.5 分贝的由来与表示

36. 1.5 分贝的由来与表示

37. 1.5 分贝的由来与表示 • 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，增益的定义为： (Bel) • 式中， 是参考或基准功率， 是欲比较的功率， 的单位为Bel。 (dB)

38. 1.5 分贝的由来与表示 • 在振动工程中，通常以响应量Ａ作比较值，它们与功率成平方关系，故有 (Bel) • 但Bel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， （分贝，记作dB）

39. 在声工程中，Ａ可为 声压。参考声压 ，这是在1000Hz时，人的耳朵刚能听到的声音之声压。以 为参考基准，ISO1967标准规定人的8小时工作环境的最高噪声不超过85dB。 • 1.5 分贝的由来与表示 • 在振动工程中，很难定出基准响应，故通常求两个响应量的增益 （分贝，记作dB） • 在半功率点处，位移响应的振幅与峰值之比为 （dB）

40. 1.5 分贝的由来与表示，作业2

41. x0 x K1 K2 K3 • 1.5 分贝的由来与表示 • 应用举例1：声学测量仪器 （增幅） X10 X3.16 X100 +40 +10 +20 （衰减） X0.1 X0.316 X0.01 -40 -10 -20

43. 1.5 分贝的由来与表示 • 应用举例2：声学校准器的输出为94dB和114dB (1000Hz)，请推算一下此时的声压大小分别为多少Pa?其中基准声压为20×10-6Pa。 声级计 声学校准器

44. 测量误差定义 • 测量结果与被测量真值之差称为测量误差，即： 测量误差 ＝ 测量结果 － 真值 • 真值：被测量的客观真实值，有理论真值、约定真值和相对真值 真值是一个理想的概念，一般是不可知的，但在某些特定情况下，真值又是可知的，如？ • 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为真值（标准值），所以称为实际值 • 标称值，测量器具上所标出来的数值 • 示值，由测量器具读数装置所指示出来的被测量的数值 • 1.6 测量误差 整圆圆周角360°

45. 误差来源 • 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：误差因素互不相关 • 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 • 装置误差：测量仪器、设备、装置导致的测量误差 • 机械：零件材料性能变化、配合间隙变化、传动比变化、蠕变、空程 • 电路：电源波动、元件老化、漂移、电气噪声 • 环境误差：测量环境、条件引起的测量误差 • 空气温度、湿度，大气压力，振动，电磁场干扰，气流扰动 • 使用误差：读数误差、违规操作、 • 1.6 测量误差

46. 当测量次数足够多时，偶然误差算术平均值趋于0当测量次数足够多时，偶然误差算术平均值趋于0 绝对值相等的正负误差出现的次数相等 绝对值小的误差比绝对值大的误差出现的次数多 偶然误差绝对值不会超过一定程度 • 1.6 测量误差 误差分类 (1) 随机误差( random error ) 性质： 正态分布 对称性 单峰性 有界性 抵偿性 原因：装置误差、环境误差、使用误差 处理：统计分析、计算处理→ 减小

47. 1.6 测量误差 误差分类 (2) 系统误差( system error )： 性质：有规律，可再现，可以预测 原因：原理误差、方法误差、环境误差、使用误差 处理：理论分析、实验验证→ 修正 (3) 粗大误差( abnormal error )： 性质：偶然出现，误差很大，异常数据，与有用数据混在一起 原因：装置误差、使用误差 处理：判断、剔除

48. Next Chapter