动态测试与分析技术 dynamic measurement and analysis technology

EMEC @ Shanghai Jiaotong UniversityEmail: [email protected] Tel: 547430531

动态测试与分析技术动态测试与分析技术Dynamic Measurement and Dynamic Measurement and

Analysis TechnologyAnalysis Technology

动态测试与分析技术动态测试与分析技术Dynamic Measurement and Dynamic Measurement and

Analysis TechnologyAnalysis Technology

余征跃[email protected]

上海交通大学工程力学实验中心

http://cc.sjtu.edu.cn/vibt.html


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。


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。


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


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


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


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）


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


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。


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


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



例 3 ，汽车的监测与控制



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。


0

seconds

am

pli

tud

e

Harmonic Function


1.1 动态测试的定义动态测试： ★


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

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



动态测试：实例 1 ：汽车内饰件模态试验，汽车 NVH 等



动态测试：实例 1 ：汽车整车模态试验，汽车 NVH 等



动态测试：实例 2 ：机翼复合材料模型试验



动态测试：实例 3 ：振动环境试验、冲击试验



动态测试：实例 4 ：大桥现场监测



动态测试：实例 4 ：大桥现场监测（美国 Tacoma 大桥）



1.2 动态测试的应用动态测试：

实例 5 ：建筑结构


1.2 动态测试的应用动态测试：

实例 5 ：建筑结构的控制


动态测试：实例 5 ：旋转机械的阶次分析



1.3 动态测试的构成

被测对象

激振系统

测量系统分析系统

反馈系统

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


0 ，测试系统的输出－输入模型的数学表达式

1.4 动态测试系统的性能指标★

nn xaxaxaay 2

210

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：

yx

x

yk

k

非线性系统的灵敏度用下式表示：

dx

dyk

x

y

a

O


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。

1.4 动态测试系统的性能指标

20lg 5Signal

Noise

VSNR dB

V

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%


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。

x

y

Δ


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

1.4 动态测试系统的性能指标

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。


200 300 400 500 6000.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05V

eloc

ity /

For

ce (

m/s

/N)

Frequency (Hz)

线性坐标

1.5 分贝的由来与表示


对数坐标

200 300 400 500 6001E-4

1E-3

0.01

0.1V

eloc

ity /

For

ce (

m/s

/N)

Frequency (Hz)



分贝坐标

200 300 400 500 600

-70

-60

-50

-40

-30

-20V

eloc

ity /

For

ce (

dB m

/s/N

)

Frequency (Hz)



作业 1

200 300 400 500 6000.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

Vel

ocity

/ F

orce

(m

/s/N

)

Frequency (Hz)

200 300 400 500 6001E-4

1E-3

0.01

0.1

Vel

ocity

/ F

orce

(m

/s/N

)

Frequency (Hz)

200 300 400 500 600

-70

-60

-50

-40

-30

-20

Vel

ocity

/ F

orce

(dB

m/s

/N)

Frequency (Hz)


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：

0

lgP

PL

式中，是参考或基准功率，是欲比较的功率，的单位为 Bel。

0p p L


(Bel)

0

lg10P

PL (dB)


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

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，

0

2

00

lg2lglgA

A

A

A

P

PL (Bel)

（分贝，记作 dB）

0

lg20A

AL



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 。


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）

1

lg20A

AL

Pap 60 1020 p

0p

在半功率点处，位移响应的振幅与峰值之比为

32

1lg20lg20

1

2

A

AL （ dB）


L(dB) A2/A1 L(dB) A2/A1 L(dB) A2/A1

0 0 -1

10 -10 -2

20 -20 -3

30 -30 -4

40 -40 -5

20n -20n -6

1.5 分贝的由来与表示，作业 2


1.5 分贝的由来与表示应用举例 1 ：声学测量仪器

K1 K2 K3

X10 X3.16 X100

+20 +10 +40

x0 x

（增幅）

（衰减）

X0.1 X0.316 X0.01

-20 -10 -40


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 。

声学校准器

声级计


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°


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


误差分类

(1) 随机误差 ( random error )

正态分布性质：

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

对称性有界性抵偿性单峰性

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

当测量次数足够多时，偶

然误差算术平均值趋于0

1.6 测量误差


(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

误差分类

1.6 测量误差


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