專利名稱：分時(shí)快速穩(wěn)態(tài)正弦掃頻激振頻響函數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種分時(shí)快速穩(wěn)態(tài)正弦掃頻激振頻響函數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，屬 于振動(dòng)測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，可以用頻響函數(shù)來(lái)描述。設(shè)作用于振動(dòng)系統(tǒng)
的激勵(lì)信號(hào)為輸入函數(shù)x(f)，輸出函數(shù)少(O是振動(dòng)系統(tǒng)對(duì)激勵(lì)的響應(yīng)信號(hào)，則 頻響函數(shù)是
= il/l (1)
式中——輸入函數(shù)x(/)的傅立葉變換；
r(/)——輸出函數(shù):K0的傅立葉變換； 振動(dòng)系統(tǒng)的頻響函數(shù)W(/)由該系統(tǒng)的本身特性所決定。因此只要測(cè)量 得到系統(tǒng)的激勵(lì)和響應(yīng)，就可以得到系統(tǒng)的頻響函數(shù)，通過(guò)頻響函數(shù)i/(/)得 到振動(dòng)系統(tǒng)的特性。所以關(guān)鍵問(wèn)題之一就是獲得準(zhǔn)確的頻率響應(yīng)函數(shù)數(shù)據(jù)， 只有在此基礎(chǔ)上，才能準(zhǔn)確的研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，因此可靠高效的頻域振 動(dòng)測(cè)試技術(shù)成為重中之重。
一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)具有三要素系統(tǒng)特性(包括描述其特性的各種參數(shù))、 激勵(lì)與響應(yīng)。如果已知激勵(lì)與響應(yīng)，而欲求系統(tǒng)的特性與參數(shù)，這類問(wèn)題稱 為振動(dòng)系統(tǒng)的測(cè)試、辨識(shí)與建模。振動(dòng)測(cè)試一般有三個(gè)基本環(huán)節(jié)激勵(lì)、測(cè) 量和分析。即以某種激振力作用在被測(cè)振動(dòng)系統(tǒng)上，使其產(chǎn)生響應(yīng)；測(cè)量激 振力和響應(yīng)，得到頻響函數(shù)//(/)進(jìn)而確定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，如自然頻率、 模態(tài)向量、阻尼、剛度和質(zhì)量等參數(shù)。激振方式有多種如正弦激勵(lì)、隨機(jī)激 勵(lì)、瞬態(tài)激勵(lì)等，相應(yīng)的有不同的測(cè)試系統(tǒng)及分析方法。
目前頻響函數(shù)測(cè)試技術(shù)正沿著兩種技術(shù)路線發(fā)展， 一是單點(diǎn)激勵(lì)多點(diǎn)測(cè)量或一點(diǎn)測(cè)量技術(shù)，另一條路線是多點(diǎn)激勵(lì)多點(diǎn)測(cè)量技術(shù)。后者要求配備復(fù) 雜昂貴的儀器設(shè)備，測(cè)試周期也比較長(zhǎng)，目前尚未得到廣泛應(yīng)用。而單點(diǎn)激 勵(lì)頻響函數(shù)測(cè)試技術(shù)幾乎適用于一切振動(dòng)領(lǐng)域，成為目前世界上廣泛應(yīng)用的 技術(shù)。按激勵(lì)力性質(zhì)的不同，頻響函數(shù)測(cè)試分為穩(wěn)態(tài)正弦激勵(lì)、隨機(jī)激勵(lì)及 瞬態(tài)激勵(lì)三類。
穩(wěn)態(tài)正弦激振測(cè)試技術(shù)是最基本的也是傳統(tǒng)的測(cè)試方法，它是在選定的 振動(dòng)坐標(biāo)和所需要的頻段范圍內(nèi)，首先對(duì)測(cè)試的結(jié)構(gòu)施加一定量的簡(jiǎn)諧激振 力測(cè)出激振力和響應(yīng)信號(hào)以及兩者的相位差，然后緩慢的改變激振頻率，將 力信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)做數(shù)據(jù)處理后，求得對(duì)應(yīng)于各激振頻率下的頻響函數(shù)的數(shù)據(jù)。
穩(wěn)態(tài)正弦激振有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，例如能在特定頻率上輸入比較大的振動(dòng)能 量。由于正弦激振時(shí)，在某一瞬間僅以單一頻率的力激勵(lì)試件，所以激勵(lì)能量
比較集中。此外激勵(lì)力容易控制，根據(jù)選擇的激振器不同，可得到小于10N以 下,大至數(shù)萬(wàn)N的激振力，并且便于控制，信噪比比較高。
但是，穩(wěn)態(tài)正弦掃描激振一個(gè)比較大的缺點(diǎn)是試驗(yàn)需要很長(zhǎng)的時(shí)間，這 對(duì)于不穩(wěn)定系統(tǒng)，更會(huì)給試驗(yàn)帶來(lái)困難并使精度降低。
隨機(jī)激振測(cè)試技術(shù)是廣泛采用的一種寬帶激振方法，其效果相當(dāng)于將頻 帶內(nèi)具有各種頻率成分的激振力同時(shí)作用在結(jié)構(gòu)上，結(jié)構(gòu)的響應(yīng)是各頻率分 量同時(shí)作用的結(jié)果。隨機(jī)信號(hào)有純隨機(jī)、偽隨機(jī)及周期隨機(jī)信號(hào)三種。
純隨機(jī)信號(hào)無(wú)周期性，每個(gè)樣本彼此不同，故用純隨機(jī)信號(hào)激勵(lì)試件進(jìn) 行振動(dòng)測(cè)試時(shí)，可通過(guò)總體平均消除實(shí)驗(yàn)中的非線性畸變和噪聲隨機(jī)誤差影 響，提高測(cè)試精度。缺點(diǎn)是由于信號(hào)的非周期性，在處理時(shí)會(huì)產(chǎn)生大的泄漏誤 差。
偽隨機(jī)激勵(lì)信號(hào)是周期性的隨機(jī)信號(hào)，由計(jì)算機(jī)或偽隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn) 生，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器,每經(jīng)過(guò)一個(gè)周期輸出同樣的信號(hào)。由于偽隨機(jī)信號(hào)的周 期性，當(dāng)截?cái)嚅L(zhǎng)度正好等于偽隨機(jī)信號(hào)的周期時(shí)，在測(cè)量窗中所取得的信號(hào) 正好是一個(gè)完整周期，因而在隨后的傅立葉變換中則可避免功率泄漏。但是 這種信號(hào)與正弦掃描法一樣，由于信號(hào)是周期性的，因此不能用總體平均來(lái) 消除非線性及畸變的影響。
周期隨機(jī)信號(hào)激勵(lì)，綜合了純隨機(jī)和偽隨機(jī)信號(hào)激勵(lì)的優(yōu)點(diǎn)，而避免了
4它們的缺點(diǎn)。它也是一種偽隨機(jī)信號(hào)，但第一個(gè)偽隨機(jī)信號(hào)在持續(xù)幾個(gè)周期 后即被第二個(gè)不相關(guān)的偽隨機(jī)信號(hào)所代替，再經(jīng)過(guò)幾個(gè)周期后又被另一個(gè)不 相關(guān)的偽隨機(jī)信號(hào)所代替。振動(dòng)測(cè)試時(shí)，在一個(gè)偽隨機(jī)信號(hào)內(nèi)完成一次測(cè)量。 周期隨機(jī)信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)是消除了功率泄漏，可用總體平均來(lái)消除非線性等影響， 缺點(diǎn)是測(cè)試時(shí)間稍長(zhǎng)于上述兩種隨機(jī)測(cè)試法。
總的來(lái)說(shuō)，隨機(jī)激振技術(shù)抗噪聲能力比較強(qiáng)，信噪比優(yōu)于瞬態(tài)激振但不 如正弦激振技術(shù)，其測(cè)試時(shí)間介于兩者之間。
瞬態(tài)激振測(cè)試技術(shù)目前常用的有脈沖激振，快速正弦掃頻激振和階躍松
脈沖激振是一種寬頻帶激振技術(shù)，力的頻譜較寬， 一次激振可以同時(shí)激 出多階模態(tài)，因此脈沖激振是一種快速測(cè)試技術(shù)，其所需測(cè)試時(shí)間是正弦激 振測(cè)試的百分之一。它的測(cè)試設(shè)備簡(jiǎn)單，靈活性大，特別適用于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。其 缺點(diǎn)是測(cè)試精度不及正弦激振法和隨機(jī)激振法高，著力點(diǎn)位置、力的大小、 力的方向的控制需要熟練的操作技巧和經(jīng)驗(yàn)，否則會(huì)產(chǎn)生很大的隨機(jī)誤差。
快速正弦掃頻激振也是目前流行的一種瞬態(tài)激振方法，這種測(cè)試方法是 使正弦激勵(lì)信號(hào)在所需的頻率范圍內(nèi)作快速掃描(在數(shù)秒鐘內(nèi)完成)，激振信 號(hào)頻率在掃描周期T內(nèi)成線性增加，而幅值保持恒定，從而能達(dá)到寬頻帶激 勵(lì)的目的。
階躍松馳激勵(lì)技術(shù)的激振力滿足階躍松弛函數(shù)，其導(dǎo)數(shù)是脈沖函數(shù)，引 起的響應(yīng)的導(dǎo)數(shù)是脈沖響應(yīng)函數(shù)，所以這種方法也是一種寬頻帶激勵(lì)方法。 在實(shí)際應(yīng)用中，常常是用一根剛度很大質(zhì)量很輕的張力弦通過(guò)力傳感器對(duì)系 統(tǒng)預(yù)加載，然后突然切斷張力弦。
瞬態(tài)激振方法的優(yōu)點(diǎn)是迅速省時(shí)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備比較簡(jiǎn)單，但其激振能量分 散在較寬的頻率范圍內(nèi)，因而對(duì)于有的模態(tài)可能存在激勵(lì)能量不足，信噪比 低而測(cè)試精度不高的問(wèn)題。
綜上所述，穩(wěn)態(tài)正弦激振精度最高，但所用時(shí)間最長(zhǎng)；瞬態(tài)激振用時(shí)最 短，但精度不足；隨機(jī)激振這兩個(gè)指標(biāo)則介于兩者之間。因此研制精度高， 用時(shí)短，設(shè)備簡(jiǎn)單的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)于解決結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的第一類逆問(wèn)題一 一振動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)識(shí)別具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)精度、效率、設(shè)備三者不能 兼具的缺點(diǎn)，提出了一種新的振動(dòng)測(cè)試方法——分時(shí)快速穩(wěn)態(tài)正弦掃頻激振 頻響函數(shù)測(cè)量技術(shù)，并研制了分時(shí)快速穩(wěn)態(tài)正弦掃頻激振頻響函數(shù)測(cè)量測(cè)試 系統(tǒng)。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了快速穩(wěn)態(tài)正弦掃頻激振，激勵(lì)響應(yīng)信號(hào)整周期采樣，得 出的頻響函數(shù)曲線精確可靠。該系統(tǒng)采用通用設(shè)備，儀器簡(jiǎn)單，安裝方便， 大大提高了振動(dòng)測(cè)試效率。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取了如下技術(shù)方案本系統(tǒng)包括PC 機(jī)、安裝在PC機(jī)上的數(shù)據(jù)采集卡、以及功率放大器、電荷放大器、激振器、 用于測(cè)量激勵(lì)力信號(hào)的力傳感器和用于測(cè)量振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的振動(dòng)傳感器。激 振器、力傳感器和振動(dòng)傳感器均安裝在被測(cè)結(jié)構(gòu)件上。數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)接線 端子與功率放大器的輸入端相連，功率放大器的輸出端與激振器相連，PC 機(jī)發(fā)出的掃描信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大器調(diào)理后驅(qū)動(dòng)激振器激振。力傳感器信號(hào)和 振動(dòng)傳感器信號(hào)的輸出端與電荷放大器的輸入端相連，電荷放大器的輸出端 通過(guò)接線端子與數(shù)據(jù)采集卡相連，從相應(yīng)傳感器拾取的激振力信號(hào)和響應(yīng)信 號(hào)通過(guò)電荷放大器調(diào)理、濾波后通過(guò)接線端子傳送到PC機(jī)中進(jìn)行處理。
本實(shí)用新型中的激振系統(tǒng)采用激振器、功率放大器。采用力傳感器和振 動(dòng)傳感器同時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的激勵(lì)力信號(hào)和振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)。采用電荷放大器對(duì)信 號(hào)進(jìn)行調(diào)理濾波。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)高性能屏蔽電纜將數(shù)據(jù)采集卡和接線端 子相連，連接通用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、發(fā)送。掃頻信號(hào)的發(fā)生、激勵(lì)響應(yīng) 信號(hào)的數(shù)據(jù)處理分析保存顯示采用基于通用計(jì)算機(jī)的軟件程序?qū)崿F(xiàn)。
一種分時(shí)快速穩(wěn)態(tài)正弦掃頻激振頻響函數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，該測(cè)試系統(tǒng)安裝按
如下操作
1) 選定被測(cè)結(jié)構(gòu)件的激振位置，原則是按相應(yīng)的方式將激振器和力傳 感器，安裝到盡可能是各階振型都非節(jié)點(diǎn)或非節(jié)線的地方；選定拾振點(diǎn)和待 測(cè)振動(dòng)參數(shù)(位移、速度、加速度)和傳感器，并用相應(yīng)的方法將傳感器安 裝到被測(cè)件表面拾振點(diǎn)位置。
2) 通用計(jì)算機(jī)安裝數(shù)據(jù)采集卡(下文稱DAQ)，接線端子通過(guò)高性能屏 蔽電纜和數(shù)據(jù)采集卡相連。3)接線端子的信號(hào)輸出端口通過(guò)信號(hào)線連接功率放大器的輸入端口， 掃頻信號(hào)經(jīng)功率放大器調(diào)理后驅(qū)動(dòng)激振器激振。從相應(yīng)傳感器拾取的激振力 信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)通過(guò)信號(hào)線接入電荷放大器的信號(hào)輸入端口，經(jīng)過(guò)調(diào)理、濾 波后通過(guò)信號(hào)線接入接線端子。
測(cè)試系統(tǒng)硬件安裝完畢，分時(shí)快速穩(wěn)態(tài)正弦掃頻激振頻響函數(shù)測(cè)量方法 按如下步驟完成振動(dòng)測(cè)試
1) 打開(kāi)功率放大器、電荷放大器預(yù)熱十五分鐘。啟動(dòng)計(jì)算機(jī)程序，初 始化數(shù)據(jù)采集卡DAQ，設(shè)定激振力信號(hào)通道，選擇響應(yīng)信號(hào)通道，并設(shè)定傳 感器靈敏度、增益。
2) 使用計(jì)算機(jī)程序發(fā)出正弦掃頻信號(hào)，同時(shí)采集振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，并完
成數(shù)據(jù)處理顯示存儲(chǔ)。具體實(shí)現(xiàn)如下所述
i )設(shè)定掃頻上下限/,、 /MX，計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)生單一頻率為f的正弦掃
頻信號(hào)，初始/ = /目。具體為如下X序列所示
外.]=F x sin(2;r/丄) (,=0,1,2，…,"-1) (2)
其中，F(xiàn)——幅值；
Fs——采樣頻率(Hz) , Fs要符合采樣定理，通常取Fs二10f; n——采樣數(shù)，由每一次單一頻率激振時(shí)間Af決定， 通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡的輸出端口以某個(gè)固定采樣頻率Fs輸出給功率放大器， 信號(hào)經(jīng)功率放大器調(diào)理后驅(qū)動(dòng)激振器以當(dāng)前頻率正弦信號(hào)激振被測(cè)件。
ii)激振開(kāi)始的同時(shí)，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集卡輸入通道以同樣的采樣頻率Fs 采集激振力信號(hào)/(0和響應(yīng)信號(hào):KO。持續(xù)激振、同時(shí)采集信號(hào)&秒，保證 A^為當(dāng)前正弦掃描信號(hào)的IO倍以上整周期，即A^-k (1/f)， k為大于等于10 的自然數(shù)。做到激振力，響應(yīng)信號(hào)相同頻率整周期采樣。
Af反映了掃頻速率的大小，包括瞬態(tài)響應(yīng)衰減時(shí)間6和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時(shí)間一 "值影響響應(yīng)的大小。掃描速率太快，則被測(cè)件的幅值達(dá)不到穩(wěn)態(tài)諧振響應(yīng) 的幅值。為保證系統(tǒng)的最大響應(yīng)能近似達(dá)到穩(wěn)態(tài)諧振響應(yīng)值，在掃頻范圍內(nèi) 應(yīng)使任意頻率的響應(yīng)的信噪比高于75dB，則其最小振動(dòng)時(shí)間，也即瞬態(tài)響 應(yīng)衰減時(shí)間A為201og丄，上75必 且f嚴(yán)m(xù) (1/f) (3)
其中/ ——被測(cè)結(jié)構(gòu)件的固有頻率(Hz); 《——對(duì)應(yīng)于/ 的阻尼比。
冉——最小瞬態(tài)響應(yīng)衰減時(shí)間，保證f,為當(dāng)前正弦掃頻信號(hào)周期
的整倍數(shù)。
m取滿足(3)式的最小自然數(shù)。 設(shè)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時(shí)間為/2， ^也為當(dāng)前正弦掃頻信號(hào)周期的整倍數(shù)，則有-
A/ = ^ + ^ (4)
iii)對(duì)激振力信號(hào)/(f)和響應(yīng)信號(hào);^)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)部分，即^時(shí)間段數(shù) 據(jù)做數(shù)據(jù)處理，得到當(dāng)前激振頻率的頻率響應(yīng)函數(shù)。
首先對(duì)激振力信號(hào)/(0和響應(yīng)信號(hào)少(0的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)部分做FFT。分別得 到頻域內(nèi)尸(/)， F(/)，并計(jì)算F(/)、 r(/)的共軛復(fù)函數(shù)F、/)、 y'(/)。
分別計(jì)算力信號(hào)/(/)和響應(yīng)信號(hào)KO在&時(shí)間內(nèi)的自功率譜
(5)
(6)
計(jì)算力信號(hào)/(0和響應(yīng)信號(hào)乂0在Af時(shí)間內(nèi)的互功率譜:
(7)
得激振力信號(hào)/(0和響應(yīng)信號(hào):KO的頻率響應(yīng)函數(shù)
辟)=&
(8)
得力信號(hào)/(0和響應(yīng)信號(hào):KO的相干函數(shù)，它描述了激勵(lì)和響應(yīng)的相關(guān)
程度記錄并存儲(chǔ)顯示當(dāng)前頻率頻響函數(shù)的/Z(力的幅值、相位，及其相關(guān)性。
iv) 用計(jì)算機(jī)程序改變激振頻率，使/ = / + 4/\使激振頻率從一個(gè)離 散值跳到另一個(gè)離散值。A/決定了激振掃頻正弦信號(hào)的頻率分辨率，由于 計(jì)算機(jī)的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于通用數(shù)據(jù)采集卡，則A/最小值由數(shù)據(jù)采集卡精度決 定。在數(shù)據(jù)采集卡精度范圍內(nèi)激振頻率分辨率可以任意選取。根據(jù)不同被測(cè) 件選用線性掃頻方式或?qū)?shù)掃頻方式。A/由這兩種掃頻方式?jīng)Q定。
對(duì)于線性掃頻，單位時(shí)間頻率的變化是一個(gè)常數(shù)，試驗(yàn)中并不隨試驗(yàn)頻 率的變化而變化。
-=!(Hz/s) (10)
其中/——正弦掃頻信號(hào)頻率(HZ)
對(duì)于對(duì)數(shù)掃頻，單位時(shí)間頻率對(duì)數(shù)的變化為一常數(shù)，理論上任何一種掃 描速度都不能保證得到穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，但實(shí)際上采樣對(duì)數(shù)掃頻可以十分接近所希 望的穩(wěn)態(tài)條件。
dt (11)
v) 重復(fù)(i-iv)步操作，直到掃頻到頻率上限/_。逐漸將每一個(gè)激 振頻率下的頻響函數(shù)幅值、相位一個(gè)個(gè)依次連接起來(lái)，并實(shí)時(shí)顯示。
3)至此得到了被測(cè)件準(zhǔn)確的頻率響應(yīng)函數(shù)數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析，計(jì)算其動(dòng)
態(tài)性能參數(shù)，如利用半功率帶寬法求阻尼率
《2厶 (0
其中《——阻尼比；
A/一半功率帶寬;
/ ——共振頻率。
可見(jiàn)，分時(shí)快速穩(wěn)態(tài)正弦掃頻激振頻響函數(shù)測(cè)量技術(shù)是自動(dòng)實(shí)現(xiàn)一個(gè)頻 率接一個(gè)頻率逐步地對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行激振,得到各個(gè)頻率下的導(dǎo)納值逐點(diǎn)連接， 最終獲得完整的頻率響應(yīng)曲線。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)(1) 與現(xiàn)有振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)相比，該分時(shí)快速穩(wěn)態(tài)正弦掃頻激振頻響函 數(shù)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)振儀器通用，簡(jiǎn)單可靠，便于安裝操作。
(2) 與現(xiàn)有振動(dòng)測(cè)試技術(shù)相比，該分時(shí)快速穩(wěn)態(tài)正弦掃頻激振頻響函 數(shù)測(cè)量技術(shù)綜合了以下優(yōu)點(diǎn)
*穩(wěn)態(tài)正弦激振，激振功率大能量集中，高階模態(tài)容易被擊出來(lái)； 參激勵(lì)響應(yīng)選用穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，具有較高信噪比(高于75dB); *具有較高頻率分辨率(由數(shù)據(jù)采集卡精度決定)，且整周期采樣，測(cè) 量結(jié)果精度高，可靠；
*采用對(duì)數(shù)掃頻亦可大大縮短測(cè)振時(shí)間。
(3) 經(jīng)大量重復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該分時(shí)快速穩(wěn)態(tài)正弦掃頻激振頻響函數(shù)測(cè) 量系統(tǒng)測(cè)試方便可靠，尤其對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試效果甚佳。
(4) 該分時(shí)快速穩(wěn)態(tài)正弦掃頻激振頻響函數(shù)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單， 便于安裝操作，具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)。


圖1分時(shí)快速穩(wěn)態(tài)正弦掃頻激振頻響函數(shù)測(cè)量系統(tǒng)總體安裝圖2測(cè)試程序總體流程圖3頻響函數(shù)數(shù)據(jù)處理流程圖4實(shí)際測(cè)試頻響函數(shù)幅值譜圖5實(shí)際測(cè)試頻響函數(shù)相位譜圖。
具體實(shí)施方式
結(jié)合附圖1 4詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施例。
本實(shí)施例主要包括分時(shí)快速穩(wěn)態(tài)正弦掃頻激振頻響函數(shù)測(cè)量系統(tǒng)儀器 構(gòu)成和測(cè)試程序兩部分。
(一)分時(shí)快速穩(wěn)態(tài)正弦掃頻激振頻響函數(shù)測(cè)量系統(tǒng)儀器構(gòu)成 如圖1分時(shí)快速穩(wěn)態(tài)正弦掃頻激振頻響函數(shù)測(cè)量系統(tǒng)總體安裝圖所示。
激振系統(tǒng)采用IO公斤激振器JZK-IO，功率放大器YE5872A (200W);采用阻 抗頭CL-YD-331同時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的激勵(lì)力信號(hào)和振動(dòng)響應(yīng)加速度信號(hào)，其力信 號(hào)電荷靈敏度為3.09 (PC/N)，加速度信號(hào)電荷靈敏度為4.49 (PC/mss); 采用電荷放大器YE5852B (六通道)對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理濾波；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括NIDAQPCI6221 (16位精度)、68針高性能屏蔽電纜、接線端子BNC2110。 通過(guò)高性能屏蔽電纜將數(shù)據(jù)采集卡和接線端子相連，連接通用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù) 據(jù)采集、發(fā)送；掃頻信號(hào)的發(fā)生、激勵(lì)響應(yīng)信號(hào)的數(shù)據(jù)處理分析保存顯示采 用基于通用計(jì)算機(jī)的軟件程序?qū)崿F(xiàn)。
該分時(shí)快速穩(wěn)態(tài)正弦掃頻激振頻響函數(shù)測(cè)量測(cè)試系統(tǒng)安裝按如下操作
1) 選定被測(cè)結(jié)構(gòu)件的激振位置，原則是按相應(yīng)的方式將激振器和力傳 感器，安裝到盡可能是各階振型都非節(jié)點(diǎn)或非節(jié)線的地方；選定拾振點(diǎn)和待 測(cè)振動(dòng)參數(shù)(位移、速度、加速度)和傳感器，并用相應(yīng)的方法將傳感器安 裝到被測(cè)件表面拾振點(diǎn)位置。
2) 通用計(jì)算機(jī)安裝數(shù)據(jù)采集卡(下文稱DAQ)，接線端子通過(guò)高性能屏 蔽電纜和數(shù)據(jù)采集卡相連。
3) 接線端子的信號(hào)輸出端口通過(guò)信號(hào)線連接功率放大器的輸入端口， 掃頻信號(hào)經(jīng)功率放大器調(diào)理后驅(qū)動(dòng)激振器激振。從相應(yīng)傳感器拾取的激振力 信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)通過(guò)信號(hào)線接入電荷放大器的信號(hào)輸入端口，經(jīng)過(guò)調(diào)理、濾 波后通過(guò)信號(hào)線接入接線端子。
(二)測(cè)試程序流程
圖2為測(cè)試程序總體流程圖，包括數(shù)據(jù)采集卡初始化部分、數(shù)據(jù)同步采 集控制部分、數(shù)據(jù)處理分析部分、結(jié)果保存顯示部分；其工作原理和過(guò)程如 下所述。
1) 打開(kāi)功率放大器、電荷放大器預(yù)熱十五分鐘。啟動(dòng)計(jì)算機(jī)程序，初 始化數(shù)據(jù)采集卡DAQ，設(shè)定激振力信號(hào)通道，選擇響應(yīng)信號(hào)通道，并設(shè)定傳 感器靈敏度、增益。
2) 使用計(jì)算機(jī)程序發(fā)出正弦掃頻信號(hào)，同時(shí)采集振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，并完 成數(shù)據(jù)處理顯示存儲(chǔ)。具體實(shí)現(xiàn)如下所述
i )設(shè)定掃頻上限L和下限/^，計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)生單一頻率為f的正弦 掃頻信號(hào)，初始/ = /自。具體為如下X序列所示
外.]=F x sin(27r/會(huì)) (/ = O，l, 2，…，"-1) (2)
其中，F(xiàn)——幅值；
Fs——采樣頻率(Hz) ， Fs要符合采樣定理，通常取Fs:10f;n——采樣數(shù)，由每一次單一頻率激振時(shí)間Af決定， 這里取n為IOK， A^l秒。
通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡的輸出端口以某個(gè)固定采樣頻率Fs輸出給功率放大器， 信號(hào)經(jīng)功率放大器調(diào)理后驅(qū)動(dòng)激振器以當(dāng)前頻率正弦信號(hào)激振被測(cè)件。
ii)激振開(kāi)始的同時(shí)，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集卡輸入通道以同樣的采樣頻率Fs 采集激振力信號(hào)/(0和響應(yīng)信號(hào)KO。持續(xù)激振、同時(shí)采集信號(hào)Af秒，保證 A/為當(dāng)前正弦掃描信號(hào)的IO倍以上整周期。做到激振力，響應(yīng)信號(hào)相同頻 率整周期采樣。A/=k(l/f)， k為大于等于IO的自然數(shù)。
A/反映了掃頻速率的大小，其值影響響應(yīng)的大小。掃描速率太快，則被 測(cè)件的幅值達(dá)不到穩(wěn)態(tài)諧振響應(yīng)的幅值。為保證系統(tǒng)的最大響應(yīng)能近似達(dá)到 穩(wěn)態(tài)諧振響應(yīng)值，在掃頻范圍內(nèi)應(yīng)使任意頻率的響應(yīng)的信噪比高于75dB， 則其最小振動(dòng)時(shí)間，也即瞬態(tài)響應(yīng)衰減時(shí)間^為
201og丄，上75必 且f「m (1/f) (3)
其中/ ——被測(cè)結(jié)構(gòu)件的固有頻率(HZ); 《——對(duì)應(yīng)于厶的阻尼比。
乓——最小瞬態(tài)響應(yīng)衰減時(shí)間，保證^為當(dāng)前正弦掃頻信號(hào)周期
的整倍數(shù)。
m取滿足(3)式的最小自然數(shù)。
設(shè)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時(shí)間為G， G也為當(dāng)前正弦掃頻信號(hào)周期的整倍數(shù)也為，則
有
Af = ^ + f2 (4)
m)對(duì)激振力信號(hào)/(0和響應(yīng)信號(hào):KO的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)部分，即^時(shí)間段數(shù) 據(jù)做數(shù)據(jù)處理，得到當(dāng)前激振頻率的頻率響應(yīng)函數(shù)。
首先對(duì)激振力信號(hào)/(0和響應(yīng)信號(hào)XO的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)部分做FFT。分別得
到頻域內(nèi)F(/)， r(/)，并計(jì)算y(/)、 r(/)的共軛復(fù)函數(shù)y(y)、戶(/)。
分別計(jì)算力信號(hào)/(0和響應(yīng)信號(hào)3^)在A/時(shí)間內(nèi)的自功率譜(6)
計(jì)算力信號(hào)/0)和響應(yīng)信號(hào)在A/時(shí)間內(nèi)的互功率譜
Af (7)
得激振力信號(hào)/0)和響應(yīng)信號(hào);<0的頻率響應(yīng)函數(shù)
(8)
得力信號(hào)/(0和響應(yīng)信號(hào)yO)的相干函數(shù)，它描述了激勵(lì)和響應(yīng)的相關(guān)
程度
2
2 ^ 4 ='
(9)
記錄并存儲(chǔ)顯示當(dāng)前頻率頻響函數(shù)的//(》的幅值、相位，及其相關(guān)性。
iv) 用計(jì)算機(jī)程序改變激振頻率，使/ = / +厶/，這里取A/4，使激振 頻率從一個(gè)離散值跳到另一個(gè)離散值。A/最小值由數(shù)據(jù)采集卡精度決定， 這里數(shù)據(jù)采集卡精度為16位。這里選用線性掃頻方式。
對(duì)于線性掃頻，單位時(shí)間頻率的變化是一個(gè)常數(shù)，試驗(yàn)中并不隨試驗(yàn) 頻率的變化而變化。
(Hz/s) (10)
其中/——正弦掃頻信號(hào)頻率(HZ) 這里/ = 1。
v) 重復(fù)(i-iv)步操作，直到掃頻到頻率上限/_。逐漸將每一個(gè)激 振頻率下的頻響函數(shù)幅值、相位一個(gè)個(gè)依次連接起來(lái)，并實(shí)時(shí)顯示。
3)至此得到了被測(cè)件準(zhǔn)確的頻率響應(yīng)函數(shù)數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析，計(jì)算其動(dòng) 態(tài)性能參數(shù)，如利用半功率帶寬法求阻尼率
《=
2/" 似其中《——阻尼比；A/——半功率帶寬； / ——共振頻率。可見(jiàn)，該分時(shí)快速穩(wěn)態(tài)正弦掃頻激振頻響函數(shù)測(cè)量技術(shù)是自動(dòng)實(shí)現(xiàn)一個(gè)頻率一個(gè)頻率緩慢地對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行激振，得到各個(gè)頻率下的導(dǎo)納值逐點(diǎn)連接，最終獲得完整的頻率響應(yīng)曲線。本測(cè)量系統(tǒng)一次實(shí)際測(cè)試頻響函數(shù)幅值譜、相位譜曲線如圖4所示。峰值相位吻合較好，精度較高。以上所述為本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)例，我們還可對(duì)將程序升級(jí)為對(duì)數(shù)掃頻 模式，以縮短測(cè)試時(shí)間。只要其測(cè)振系統(tǒng)儀器構(gòu)成和測(cè)試思想同本實(shí)用新型 所敘述的一致，均應(yīng)視為本實(shí)用新型所包括的范圍。
權(quán)利要求1、一種分時(shí)快速穩(wěn)態(tài)正弦掃頻激振頻響函數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于包括PC機(jī)、安裝在PC機(jī)上的數(shù)據(jù)采集卡、以及功率放大器、電荷放大器、激振器、用于測(cè)量激勵(lì)力信號(hào)的力傳感器和用于測(cè)量振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的振動(dòng)傳感器；激振器、力傳感器和振動(dòng)傳感器均安裝在被測(cè)結(jié)構(gòu)件上；數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)接線端子與功率放大器的輸入端相連，功率放大器的輸出端與激振器相連，PC機(jī)發(fā)出的掃描信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大器調(diào)理后驅(qū)動(dòng)激振器激振；力傳感器信號(hào)和振動(dòng)傳感器信號(hào)的輸出端與電荷放大器的輸入端相連，電荷放大器的輸出端通過(guò)接線端子與數(shù)據(jù)采集卡相連，從相應(yīng)傳感器拾取的激振力信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)通過(guò)電荷放大器調(diào)理、濾波后通過(guò)接線端子傳送到PC機(jī)中進(jìn)行處理。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種分時(shí)快速穩(wěn)態(tài)正弦掃頻激振頻響函數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述的振動(dòng)傳感器為位移傳感器、速度傳感器或加速度傳感器。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種分時(shí)快速穩(wěn)態(tài)正弦掃頻激振頻響函數(shù)測(cè)量系統(tǒng)及方法，屬于振動(dòng)測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域。本實(shí)用新型中的激振系統(tǒng)采用激振器、功率放大器。采用力傳感器和振動(dòng)傳感器同時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的激勵(lì)力信號(hào)和振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)。采用電荷放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理濾波。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)高性能屏蔽電纜將數(shù)據(jù)采集卡和接線端子相連，連接通用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、發(fā)送。掃頻信號(hào)的發(fā)生、激勵(lì)響應(yīng)信號(hào)的數(shù)據(jù)處理分析保存顯示采用基于通用計(jì)算機(jī)的軟件程序?qū)崿F(xiàn)。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了快速穩(wěn)態(tài)正弦掃頻激振，激勵(lì)響應(yīng)信號(hào)整周期采樣，得出的頻響函數(shù)曲線精確可靠。該測(cè)試系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)程序引導(dǎo)自動(dòng)完成，測(cè)試方法嚴(yán)謹(jǐn)可靠，對(duì)于結(jié)構(gòu)部件的動(dòng)態(tài)性能測(cè)試具有重要的意義。
文檔編號(hào)G01M7/02GK201408105SQ20092010702
公開(kāi)日2010年2月17日 申請(qǐng)日期2009年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月15日
發(fā)明者伍良生, 周大帥, 王永賓 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)