CN104931218B - 一种非接触式测量柔性结构的模态振型的系统 - Google Patents

Abstract

一种非接触式测量柔性结构的模态振型的系统，包括夹持装置，激振器和测量机构及处理器；夹持装置夹持待测量件一端呈悬臂梁；激振器的输出端紧贴待测量件；测量机构主要由激光传感器组，驱动机构和导向机构；激光传感器组的多个激光传感器沿待测量件的高度方向从上到下沿直线排列；驱动机构每步进一次，激光传感器组从当前测量点到达下一测量点；每个激光传感器在各个测量点获取的振幅值输入处理器中，处理器按照各测量点的位置关系将激光传感器组中各个激光传感器所测得的振幅值成网状连接起来获得待测量件在激振频率下的固有振型。本发明具有无需在待测量件上粘贴传感器，也无需移动激振器，测量精度高，使用方便的优点。

Description

一种非接触式测量柔性结构的模态振型的系统

技术领域

本发明涉及一种非接触式测量柔性结构的模态振型的系统。

技术背景

模态分析是研究结构动态特性的重要研究方法。在机械，汽车，航天，土木等工程领域中，常常需要考虑到结构的模态参数。而结构的动态参数是通过模态测试和模态分析的方法来确定。一种操作简单精度高的模态测试装置就成为模态参数测试的关键。目前国内外对模态测试主要采用以下方法：

一，锤击法模态测试：锤击法能量较小，敲击力大小及方向不易控制，一般锤击法都需要采用多次平均以获得较稳定的测量数据。锤击法测试结构的的模态，存在以下难点：（1）难以保证每次敲击力相同和敲在同一位置。（2）锤击法无法直接测出柔性结构的振型。

二，激振法模态测试：主要是通过分析仪器输出信号源来控制激振器，激励被测试件。输出信号有先进扫频正弦，随机噪声，正弦，调频脉冲等信号。支持单点激励（SIMO）与多点同时激励法（MIMO）。而激振器对被测试件击振时，是通过控制激振器的位置来进行不同点的击振，这种击振方法操作繁琐，精度低，也有可能定位在节点处，这使得击振效果不明显。

以上方法都是一种接触式间接的测量方法，由于都是由人为的去敲击或者是移动激振器，操作过程中必然存在误差，使得测试精度低，以致达不到测试要求。

目前的模态测试方法中大都主要关注柔性结构的模态频率的测试，而对反应柔性结构振动特性的重要指标-振型的测试却非常少见。而即使在现有的测量方法中，主要是通过移动激振器对结构上的不同位置进行测试，然后通过分析所测数据得出结构的模态频率和振型，操作过程繁琐，测试精度低，并且是通过固定的传感器间接测量。这种测量方法存在以下显著缺点：

（1）通常在待测结构上粘贴传感器，这就给待测结构带来了附加质量，从而改变了结构的质量分布，影响结构的固有特性，导致测试结果与实际相差甚远；

（2）通过移动激振器，整个过程非常麻烦，而且只能测量有限的几个点的振幅值，测量结构比较粗糙，不能精确刻画柔性结构的固有振型；

（3）是一种间接测量方法，不能直观形象揭示结构的固有振型。

在击振测量的过程中，往往只关注对弯曲模态的测量，而对振动产生的扭转模态的测量却无法检测反映出来。这就对模态检测形成了局限性，无法客观直接的反映结构在振动过程中产生的动态效果，对结构的动态分析也受到限制。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种无需在待测量件上粘贴传感器，也无需移动激振器的非接触式直接测量待测量件的模态振型的系统。

一种非接触式测量柔性结构的模态振型的系统，包括固定待测量件的夹持装置，对待测量件进行激振的激振器和测量待测量件各测量点的振幅值的测量机构，以及将各测量点的振幅值转换为待测量件的模态振型的处理器；

待测量件为柔性结构；

夹持装置夹持待测量件一端、使待测量件呈一端固定的悬臂梁；

激振器的输出端紧贴待测量件；

测量机构主要由测量各测量点的振幅值的激光传感器组，驱动激光传感器组沿待测量件的长度方向步进式运动的驱动机构和导向机构；导向机构由直线导轨和滑块组成，激光传感器组通过安装支架固定于滑块上，直线导轨与待测量件平行；激光传感器组的多个激光传感器沿待测量件的高度方向从上到下沿直线排列；驱动机构每步进一次，激光传感器组从当前测量点到达下一测量点，激光传感器组在每一个测量点的测量时间大于待测量件的固有振动周期；

每个激光传感器在各个测量点获取的振幅值输入处理器中，处理器按照各测量点的位置关系将激光传感器组中各个激光传感器所测得的振幅值成网状连接起来获得待测量件在激振频率下的固有振型。

进一步，驱动机构由步进电机和带传动机构组成，激光传感器组的安装支架与传动带固定。

进一步，导轨的两端分别设置第一限位开关和第二限位开关，激光传感器组从第一限位开关运动到第二限位开关、或从第二限位开关运动到第一限位开关。

本发明的有益效果是：

1）、本发明所采用激光传感器直接测量待测量件在模态振动时各测量点的振动幅值；激光检测是一种非接触式的测量，不会给系统带来附加质量，即不会影响柔性结构的固有特性，提高了测试的准确性。

2）、在确定待测量件的振型精度后，通过控制步进电机输入的脉冲数和频率，步进电机运转带动同步带运动，激光传感器随滑块沿直线导轨可精确的依次通过设置的测量点，即可实现对柔性结构的高精度非接触测量，而无需移动激振器的位置。

3）、在直线导轨的两端设置限位开关，来控制激光传感器的行程。

4）、激光传感器组的各传感器沿待测量件的高度设置，可以测量待测量件不同高度的模态，不仅能检测待测量件的弯曲模态，而且还能检测其扭转模态，更直观更精确的反映柔性结构的动态特性。该测试系统降低了操作的难度，提高了测试的精度和准确性。

附图说明

图1是本发明的系统的示意图。

图2是图1的俯视图。

图3是系统的传动装置。

图4是待测量件的测量点分布。

图5是待测量件为柔性板时的一阶弯曲振型。

图6是待测量件为柔性板时的二阶弯曲振型。

图7是待测量件为柔性板时的三阶弯曲振型。

具体实施方式

如图1、图2所示，一种非接触式测量柔性结构的模态振型的系统，包括固定待测量件1的夹持装置4，对待测量件1进行激振的激振器3和测量待测量件1各测量点的振幅值的测量机构，以及将各测量点的振幅值转换为待测量件1的模态振型的处理器。

待测量件1为柔性结构。

夹持装置4夹持待测量件1一端、使待测量件1呈一端固定的悬臂梁或悬臂板。

激振器3的输出端紧贴待测量件1。

如图3所示，测量机构主要由测量各测量点的振幅值的激光传感器组2，驱动激光传感器组2沿待测量件1的长度方向步进式运动的驱动机构和导向机构；导向机构由直线导轨9和滑块8组成，滑块8与直线导轨9配套使用。

激光传感器组2通过安装支架固定于滑块8上，直线导轨9与待测量件1平行；激光传感器组2的多个激光传感器沿待测量件1的高度方向从上到下沿直线排列；驱动机构每步进一次，激光传感器组2从当前测量点到达下一测量点，激光传感器组2在每一个测量点的测量时间大于待测量件1的固有振动周期；

每个激光传感器在各个测量点获取的振幅值输入处理器中，处理器按照各测量点的位置关系将激光传感器组2中各个激光传感器所测得的振幅值成网状连接起来获得待测量件1在激振频率下的固有振型。

驱动机构由步进电机6和带传动机构组成，激光传感器组2的安装支架7与传动带5固定。带传动机构为同步带传动机构。在步进驱动器接收到脉冲信号时，步进电机6运转，根据接收到的脉冲个数，即可得到具体的角位移量，即转化为同步带的移动量，也即实现了激光传感器高精度的准确定位。

直线导轨9的两端分别设置第一限位开关11和第二限位开关12，激光传感器组2从第一限位开关11运动到第二限位开关12、或从第二限位开关12运动到第一限位开关11。

直线导轨9与待测量件1之间严格平行，提高了测试的准确性。直线导轨9一方面对激光传感器组2的安装支架7的运动方向作导向作用，另一方面可以增加激光传感器组2在运动过程中的平稳性。在步进电机6的带动下，激光传感器组2沿着导轨做直线运动；在直线导轨9的两端安装有限位开关11、12，两者之间的距离即为激光传感器组2的行程。

使用上述非接触式测量柔性结构的模态振型的系统的方法，包括以下步骤：

1）、将待测量件1一端装夹固定于夹持机构，待测量件1形成悬臂梁或悬臂板。

2）、确定待测量件1的振型测量精度，根据测量精度沿待测量件1的长度方向细分为一系列等距离设置的测量点，如图4所示。

测量点的具体数量根据所需要的振型精度而定，而间隔的长度跟待测构件的长度也有直接关系，一般建议划分的点数不得少于10个。所谓振型精度，指的是能获取到振幅坐标的点的数量，即激光传感器组在测量过程中，多个激光传感器沿高度方向分布，测量点沿长度方向设置，因而在测量过程中激光传感器在测量点停留的位置形成网格，每个传感器停留在每个测量点的位置，形成网格上的一个能够获取到振幅坐标的点。

步进电机的运动是一个间歇运动，由扫频实验得出待测量件1的各阶固有频率，激光传感器组2在每一个测量点的停留时间为固有振动周期的两倍，测试完后再移动至下一测试点，依次完成待测试件的测量。

3）、多个激光传感器（不小于3个）沿待测量件1的高度方向排列形成激光传感器组2；使激光传感器组2位于测量起始位置，测量起始位置为待测量件1的任意一端，测量结束位置为待测量件的另一端。

4）、激发待测量件1的在第n阶固有频率下的多模态振动，激光传感器组2步进式运动，依次通过每个测量点并获取该测量点的振幅，激光传感器组2在每一个测量点的测量时间大于待测量件1的固有振动周期；处理器获取所有振幅、并将振幅呈网状连接形成C2连续的连接面，该连接面为待测量件在第n阶固有频率下的固有振型。

（4. 1）以激光传感器组2的最下面的一个激光传感器在测量起始位置的点作为原点，以待测量件1的长度方向为X轴，从测量起始位置向测量结束位置的方向为X轴的正向；以待测量件1的高度方向为Y轴，从下向上为Y轴的正向；以待测量件1的振动方向为Z轴建立OXYZ坐标系。

（4. 2）根据各激光传感器与原点处的激光传感器之间的距离计算得到第i个激光传感器在测量起始位置的坐标；根据每个测量点与测量起始位置的距离，计算第i个激光传感器在第j个测量点的坐标。

（4. 3）确定需要测量的振型是待测量件1在第n阶固有频率下的振型，使激振器3的激振频率等于待测量件1的第n阶固有频率，激振器3将激励信号施加于待测量件1；激励信号施加在激振器3上激起待测量件1的多模态振动。

（4.4）激光传感器组2步进式运动、依次通过每个测量点，激光传感器组2在每一个测量点的测量时间大于待测量件1的固有振动周期；第i个激光传感器在第j个测量点测得振幅，该点的振幅坐标为；振幅的坐标输入处理器中。

（4.5）处理器连接所有振幅坐标形成C2连续的连接面；该连接面为待测量件在第n阶固有频率下的固有振型。

由于待测量件1的n阶固有频率是待测量件1的固有属性，因此其第n阶固有频率是可获知的。通过本发明的系统和方法，可以对待测量件1的任一阶固有频率进行模态振型的测量。

本发明的有益效果是：

1）、本发明所采用激光传感器直接测量待测量件在模态振动时各测量点的振动幅值；激光检测是一种非接触式的测量，不会给系统带来附加质量，即不会影响柔性结构的固有特性，提高了测试的准确性。

2）、在确定待测量件的振型精度后，通过控制步进电机输入的脉冲数和频率，步进电机运转带动同步带运动，激光传感器随滑块沿直线导轨可精确的依次通过设置的测量点，即可实现对柔性结构的高精度非接触测量，无需移动激振器的位置。

3）、在直线导轨的两端设置限位开关，来控制激光传感器的行程。

4）、激光传感器组的各传感器沿待测量件的高度设置，可以测量待测量件不同高度的模态，不仅能检测待测量件的弯曲模态，而且还能检测其扭转模态，更直观更精确的反映柔性结构的动态特性。该测试系统降低了操作的难度，提高了测试的精度和准确性。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (3)

1.一种非接触式测量柔性结构的模态振型的系统，其特征在于：包括固定待测量件的夹持装置，对待测量件进行激振的激振器和测量待测量件各测量点的振幅值的测量机构，以及将各测量点的振幅值转换为待测量件的模态振型的处理器；

待测量件为柔性结构；

夹持装置夹持待测量件一端、使待测量件呈一端固定的悬臂梁；

激振器的输出端紧贴待测量件；

测量机构主要由测量各测量点的振幅值的激光传感器组，驱动激光传感器组沿待测量件的长度方向步进式运动的驱动机构和导向机构；导向机构由直线导轨和滑块组成，激光传感器组通过安装支架固定于滑块上，直线导轨与待测量件平行；激光传感器组的多个激光传感器沿待测量件的高度方向从上到下沿直线排列；驱动机构每步进一次，激光传感器组从当前测量点到达下一测量点，激光传感器组在每一个测量点的测量时间大于待测量件的固有振动周期；

每个激光传感器在各个测量点获取的振幅值输入处理器中，处理器按照各测量点的位置关系将激光传感器组中各个激光传感器所测得的振幅值成网状连接起来获得待测量件在激振频率下的固有振型。

2.如权利要求1所述的非接触式测量柔性结构的模态振型的系统，其特征在于：驱动机构由步进电机和带传动机构组成，激光传感器组的安装支架与传动带固定。

3.如权利要求2所述的非接触式测量柔性结构的模态振型的系统，其特征在于：导轨的两端分别设置第一限位开关和第二限位开关，激光传感器组从第一限位开关运动到第二限位开关、或从第二限位开关运动到第一限位开关。