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动态测试与分析技术

动态测试与分析技术. 余征跃 13341763417 yuzy@sjtu.edu.cn 上海交通大学工程力学实验中心. 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,充分运用动态测试技术和手段解决工程中的实际问题。. 课程目标.

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动态测试与分析技术

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  1. 动态测试与分析技术 余征跃 13341763417 yuzy@sjtu.edu.cn 上海交通大学工程力学实验中心

  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,充分运用动态测试技术和手段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,边教学边实践,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(1)动态信号特征分析(2)信号数字化,信号分析仪(1), Lab1(1)传感器与放大器(1), Lab2,Lab3(1)激振系统(1)简单振动系统动态特性及系统参数测量(1),Lab4(1)机械阻抗的测量(1),Lab5(1)模态分析与参数识别(2),Lab6(1)转子系统测量(1),Lab7(1)创新实验:振动测试应用专题(1) • 学时分配:课堂12×2=22,实验6×2=12,总计45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Lab3. 信号概率分析Lab4. 压电传感器标定Lab5. 力传感器标定Lab6. 频响函数(传递函数)测量Lab7. 结构模态参数测试Lab8. 转子基本参数测量

  6. 期末创新实验 • 提出实验问题 • 制定实验方案 • 完成实验内容 • 实验结果分析 • 撰写实验论文 • 制作汇报文档 • 参与答辩讨论

  7. 相关信息 • 上课时间和地点: • 双周三3、4节,东上院506 • 周五1、2节,东上院506 • 周数:1-14周,期末创新实验:14周后,答辩:19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:《动态测试与分析技术》,编写中,提供电子讲义 • 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. 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。

  9. 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

  10. 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

  11. 1.1 动态测试的定义 • 例3,汽车的监测与控制

  12. 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。

  13. 1.1 动态测试的定义 • 动态测试: ★

  14. 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

  15. 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。

  16. 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

  17. 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

  18. 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

  19. 1.2 动态测试的应用 • 动态测试: • 实例3:振动环境试验

  20. 1.2 动态测试的应用 • 动态测试: • 实例4:大桥现场监测

  21. 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)

  22. 1.2 动态测试的应用 • 动态测试: • 实例5:建筑结构

  23. 1.2 动态测试的应用 • 动态测试: • 实例5:建筑结构的控制

  24. 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

  25. 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

  26. 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:

  27. 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%

  28. 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。

  29. 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。

  30. 1.5 分贝的由来与表示 线性坐标

  31. 1.5 分贝的由来与表示 对数坐标

  32. 1.5 分贝的由来与表示 分贝坐标

  33. 1.5 分贝的由来与表示

  34. 1.5 分贝的由来与表示

  35. 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)

  36. 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)

  37. 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)

  38. 1.5 分贝的由来与表示

  39. 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

  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。 声级计 声学校准器

  41. 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°

  42. 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

  43. 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

  44. 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

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