CN110006612A - 一种非接触式热模态试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种非接触式热模态试验系统及方法，涉及热模态试验领域。为了解决现有的热模态试验技术中，无法做到在不对试验件施加附加影响(附加质量、附加刚度)的情况下，获得频率响应函数或模态振型的问题。本发明包括激振器、力传感器、两个平板型的红外加热阵列、温度传感器、夹具、激光测振仪和数据分析装置；试件平行设置在两个相对设置平板型的红外加热阵列之间，激振器，用于对试件进行激振；力传感器设置在激振杆与激振器本体的连接处，并用于采集激振杆的激振力，并上传至数据分析装置；激光测振仪用于对试件上测量点的振动速度进行采集，并上传至数据分析装置。本发明主要为了获取模态参数。

Description

一种非接触式热模态试验系统及方法

技术领域

本发明涉及热模态试验领域。

背景技术

在现有的热模态试验技术中，一般采用加长激振杆的激振器虽然能实现将激振器应用到热模态试验中，但也存在缺陷。对于碳纤维复合材料等比较脆的材料，由于不易加工打孔，激振杆与试验件连接存在困难。试验时将试验件进行打孔，然后将激振杆放置在孔里，该方法会破坏试验件的独立完整性，增添附加影响(附加质量、附加刚度)。

因此，振动台成为较多热模态试验的选择，振动台不会对试验件施加附加影响(附加质量、附加刚度)，但也只能作为驱动部件，对试验件进行激振。然而采用振动台激励的方式只能利用振动响应信号进行模态参数辨识，无法得到频率响应函数和模态振型。

在现有的热模态试验方法中，无法做到在不对试验件施加附加影响(附加质量、附加刚度)的情况下，获得频率响应函数或模态振型，因此，该问题亟需解决。

发明内容

本发明是为了解决现有的热模态试验技术中，无法做到在不对试验件施加附加影响(附加质量、附加刚度)的情况下，获得频率响应函数或模态振型的问题，本发明提供了一种非接触式热模态试验系统及方法。

一种非接触式热模态试验系统，包括激振器、力传感器、两个平板型的红外加热阵列、温度传感器、夹具、激光测振仪和数据分析装置；

两个平板型的红外加热阵列相对设置，试件平行设置在二者之间，并与二者存在间隔，试件与其下方的水平操作台面保持垂直，通过夹具对试件的位置进行固定；温度传感器设置在试件一个受热面的中间位置；

每个平板型的红外加热阵列的加热范围为常温至1500℃；

激振器和激光测振仪设置在两个相对设置的平板型的红外加热阵列的左、右两侧，激振器的激振杆穿过邻近的平板型的红外加热阵列后，垂直指向试件，且激振杆与试件非接触，激振杆用于对试件进行激振；

力传感器设置在激振杆与激振器本体的连接处，并用于采集激振杆的激振力，并上传至数据分析装置

激光测振仪用于对试件上测量点的振动速度进行采集，并上传至数据分析装置；

当热模态试验系统对一个测量点进行测试时，数据分析装置根据接收的振动速度和激振力，获得频率响应函数，根据频率响应函数获得试件的模态频率，

当热模态试验系统对多个测量点进行测试时，数据分析装置用于根据接收的所有测量点的振动速度和激振力进行模态分析，获得试件的模态频率和模态振型。

优选的是，夹具包括两个夹片和一个螺栓，试件设置在两个夹片之间，且螺栓穿过两个夹片，对试件进行固定。

优选的是，夹具的个数为2，两个夹具分别固定试件的两端。

优选的是，还包括隔热毡，隔热毡设置激振器本体与其激振器所在侧的平板型的红外加热阵列之间，且激振器的激振杆穿过隔热毡。

优选的是，所述的隔热毡为陶瓷基针刺毡。

优选的是，激振杆为陶瓷杆。

优选的是，防隔热板采用陶瓷基莫来石材料制成。

优选的是，激振器采用序列脉冲法对试件进行激振。

优选的是，还包括防隔热板，防隔热板设置在夹具两侧，用于对夹具进行隔热。

优选的是，试件相对于两个平板型的红外加热阵列间的垂直距离相等。

采用所述的一种非接触式热模态试验系统实现的试验方法，该试验方法用于对试件上的一个测量点进行测试，试验方法包括如下步骤：

步骤一、通过两个平板型的红外加热阵列对试件进行加热至预设温度，同时，温度传感器实时采集试件的温度，并根据采集的温度对两个平板型的红外加热阵列进行控制，使试件的温度达到所需温度；

步骤二、激振器的激振杆对试件进行激振；

步骤三、通过力传感器检测激振杆输出的激振力、并将该激振力上传至数据分析装置，通过激光测振仪对试件上的一个测量点的振动速度进行采集，并上传至数据分析装置，数据分析装置根据接收的激振力和振动速度，获得试件在该测量点下的频率响应函数，根据频率响应函数获得试件的模态频率，完成对试件上的一个测量点的试验。

采用所述的一种非接触式热模态试验系统实现的试验方法，该试验方法用于对试件上的N个测量点进行测试，N为大于或等于2的整数，试验方法包括如下步骤：

步骤一、通过两个平板型的红外加热阵列对试件进行加热至预设温度，同时，温度传感器实时采集试件的温度，并根据采集的温度对两个平板型的红外加热阵列进行控制，使试件的温度达到所需温度；

步骤二、激振器的激振杆对试件进行激振；

步骤三、通过力传感器检测激振杆输出的激振力、并将该激振力上传至数据分析装置，通过激光测振仪对试件上的一个测量点的振动速度进行采集，并上传至数据分析装置，完成对试件上的一个测量点的数据采集；

步骤四、等待试件自然冷却到室温，在保持激光测振仪与试件间垂直距离不变的条件下，移动激光测振仪至下一测量位置，重复步骤一至步骤三，完成对试件上的下一测量点的数据采集，直至完成对试件上的所有测量点的数据采集，数据分析装置根据所有测量点的振动速度和激振力进行模态分析，获得试件的模态频率和模态振型，从而完成对试件的试验。

本发明带来的有益效果是，响应信号的测量采用激光测振仪，测量力信号的力传感器安装在激振杆与激振器本体之间，同时实现了测量和激励的非接触(即；通过激光测振仪实现测量，通过激振器实现对试件的激励)，最大程度地降低了试验过程中可能带来的附加刚度和附加质量影响，保证了试验件在试验过程中的独立完整性。在此基础上，还能够完成频率响应函数和所有模态参数的获取，模态参数包括模态频率和模态振型。

附图说明

图1为本发明所述的一种非接触式热模态试验系统的结构示意图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

参见图1说明本实施例，本实施例所述的一种非接触式热模态试验系统，包括激振器1、力传感器2、两个平板型的红外加热阵列4、温度传感器5、夹具6、激光测振仪8和数据分析装置9；

两个平板型的红外加热阵列4相对设置，试件10平行设置在二者之间，并与二者存在间隔，试件10与其下方的水平操作台面保持垂直，通过夹具6对试件10的位置进行固定；温度传感器5设置在试件10一个受热面的中间位置；

每个平板型的红外加热阵列4的加热范围为常温至1500℃；

激振器1和激光测振仪8设置在两个相对设置的平板型的红外加热阵列4的左、右两侧，激振器1的激振杆1-1穿过邻近的平板型的红外加热阵列4后，垂直指向试件10，且激振杆1-1与试件10非接触，激振杆1-1用于对试件10进行激振；

力传感器2设置在激振杆1-1与激振器1本体的连接处，并用于采集激振杆1-1的激振力，并上传至数据分析装置9

激光测振仪8用于对试件10上测量点的振动速度进行采集，并上传至数据分析装置9；

当热模态试验系统对一个测量点进行测试时，数据分析装置9根据接收的振动速度和激振力，获得频率响应函数，根据频率响应函数获得试件10的模态频率，

当热模态试验系统对多个测量点进行测试时，数据分析装置9用于根据接收的所有测量点的振动速度和激振力进行模态分析，获得试件10的模态频率和模态振型。

优选的是，试件10相对于两个平板型的红外加热阵列4间的垂直距离相等。

本实施例中，响应信号的测量采用激光测振仪8，测量力信号的力传感器2安装在激振杆1-1与激振器1本体之间，同时实现了测量和激励的非接触(即；通过激光测振仪8实现测量，通过激振器1实现对试件10的激励)，最大程度地降低了试验过程中可能带来的附加刚度和附加质量影响，保证了试验件在试验过程中的独立完整性。其中，试件10采用C/SiC材料制成。

在响应信号测量方面，将激光测振仪8放在与激振器1不同的一侧，调整激光测振仪8的位置，调整激光测振仪8输出激光其穿过平板型的红外加热阵列4之间的缝隙，并与测量点重合。因为激光测振仪8本身存在最小工作距离，例如：Polytec(商家名称)的激光测振仪的最小工作距离是5米，因此，激光测振仪8距离平板型的红外加热阵列4足够远，不需要对其进行防隔热保护。

平板型的红外加热阵列4可为石英灯红外加热阵列，将两个平板型的红外加热阵列4分别放置在试件10的前面和后面，并令两个阵列与试件10之间距离保持一致(保证试件10前面与后面的温度一致)。为了保证试件10被充分加热，平板型的红外加热阵列4的工作区是比平板型的红外加热阵列4的研究区域要更大的，导致夹具6会直接暴露在红外加热范围内。

力传感器2设置在激振杆1-1与激振器1本体的连接处，避免了力传感器2会暴露在平板型的红外加热阵列4中，直接辐射加热会令其无法正常工作，甚至损坏的影响。

在使用的过程中，当进行一次测量时，可实现了高温环境中对试验件模态频率和频率响应函数的获取，当通过调整激光测振仪8测量位置可进多次测量时，可实现高温环境中对试验件模态振型和模态频率的获取。相比于现有技术中同时测量多个测量点的方法，本发明只需要一台激光测振仪，考虑到激光测振仪几十万甚至上百万元一台的价格，本方法大大降低了试验成本，降低了试验限制。

本发明所述的一种非接触式热模态试验系统适用于高温环境下(1500℃以下)进行测试。

参见图1说明本优选实施例，本优选实施例中，夹具6包括两个夹片和一个螺栓，试件10设置在两个夹片之间，且螺栓穿过两个夹片，对试件10进行固定。

本优选实施例中，夹具6的结构简单，操作简单，便于实现。

参见图1说明本优选实施例，本优选实施例中，夹具6的个数为2，两个夹具6分别固定试件10的两端。

本优选实施例中，两个夹具6的排布方式，保证了对试件10夹固的稳定性。

参见图1说明本优选实施例，本优选实施例中，所述的一种非接触式热模态试验系统还包括隔热毡3，隔热毡3设置激振器1本体与其激振器1所在侧的平板型的红外加热阵列4之间，且激振器1的激振杆1-1穿过隔热毡3。

优选的是，所述的隔热毡3为陶瓷基针刺毡。

本优选实施例中，由于对试件10进行双面加热，在热模态试验过程中，加热阵列后面的温度也会非常高，所以将一块防隔热性能良好的隔热毡3放在激振器1与平板型的红外加热阵列4之间，确保力传感器2和激振器1在高温试验中能够正常工作。

参见图1说明本优选实施例，本优选实施例中，激振杆1-1为陶瓷杆。

本优选实施例中，激振杆1-1为陶瓷杆，避免了激振杆1-1在进行热模态试验的时，出现刚度退化的现象。

参见图1说明本优选实施例，本优选实施例中，防隔热板7采用陶瓷基莫来石材料制成。

参见图1说明本优选实施例，本优选实施例中，激振器1采用序列脉冲法对试件10进行激振。

本实施例中，序列脉冲法对试件10进行激振，操作简单，又使激振杆1-1与试验件之间保持一个适合激励的距离，在未进行激励时二者不接触通过常温的模态试验调整，在进行激励的过程中，通过激振杆1-1对试件10进行激振，激振过程中激振杆1-1与试件10接触，保证热模态试验的顺利进行。

参见图1说明本优选实施例，本优选实施例中，一种非接触式热模态试验系统还包括防隔热板7，防隔热板7设置在夹具6两侧，用于对夹具6进行隔热。

为了防止夹具6被加热而发生刚度退化，对固支边界条件产生影响，将防隔热板7设置在夹具6两侧，隔绝平板型的红外加热阵列4直接红外辐射对夹具6加热。

参见图1说明本优选实施例，本优选实施例为采用所述的一种非接触式热模态试验系统实现的试验方法，该试验方法用于对试件10上的一个测量点进行测试，试验方法包括如下步骤：

步骤一、通过两个平板型的红外加热阵列4对试件10进行加热至预设温度，同时，温度传感器5实时采集试件10的温度，并根据采集的温度对两个平板型的红外加热阵列4进行控制，使试件10的温度达到所需温度；

步骤二、激振器1的激振杆1-1对试件10进行激振；

步骤三、通过力传感器2检测激振杆1-1输出的激振力、并将该激振力上传至数据分析装置9，通过激光测振仪8对试件10上的一个测量点的振动速度进行采集，并上传至数据分析装置9，数据分析装置9根据接收的激振力和振动速度，获得试件10在该测量点下的频率响应函数，根据频率响应函数获得试件10的模态频率，完成对试件10上的一个测量点的试验。

本试验方法，可对试件10上的一个测量点进行测试，并获得试件10的模态频率和频率响应函数。

参见图1说明本优选实施例，本优选实施例为采用所述的一种非接触式热模态试验系统实现的试验方法，该试验方法用于对试件10上的N个测量点进行测试，N为大于或等于2的整数，试验方法包括如下步骤：

步骤一、通过两个平板型的红外加热阵列4对试件10进行加热至预设温度，同时，温度传感器5实时采集试件10的温度，并根据采集的温度对两个平板型的红外加热阵列4进行控制，使试件10的温度达到所需温度；

步骤二、激振器1的激振杆1-1对试件10进行激振；

步骤三、通过力传感器2检测激振杆1-1输出的激振力、并将该激振力上传至数据分析装置9，通过激光测振仪8对试件10上的一个测量点的振动速度进行采集，并上传至数据分析装置9，完成对试件10上的一个测量点的数据采集；

步骤四、等待试件10自然冷却到室温，在保持激光测振仪8与试件10间垂直距离不变的条件下，移动激光测振仪8至下一测量位置，重复步骤一至步骤三，完成对试件10上的下一测量点的数据采集，直至完成对试件10上的所有测量点的数据采集，数据分析装置9根据所有测量点的振动速度和激振力进行模态分析，获得试件10的模态频率和模态振型，从而完成对试件10的试验。

本试验方法，可对试件10上的N个测量点进行测试，通过激振杆1-1与试件10非接触的测试方式，可获得试件10的模态频率和模态振型。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其它的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例。

Claims (12)

1.一种非接触式热模态试验系统，其特征在于，包括激振器(1)、力传感器(2)、两个平板型的红外加热阵列(4)、温度传感器(5)、夹具(6)、激光测振仪(8)和数据分析装置(9)；

两个平板型的红外加热阵列(4)相对设置，试件(10)平行设置在二者之间，并与二者存在间隔，试件(10)与其下方的水平操作台面保持垂直，通过夹具(6)对试件(10)的位置进行固定；温度传感器(5)设置在试件(10)一个受热面的中间位置；

每个平板型的红外加热阵列(4)的加热范围为常温至1500℃；

激振器(1)和激光测振仪(8)设置在两个相对设置的平板型的红外加热阵列(4)的左、右两侧，激振器(1)的激振杆(1-1)穿过邻近的平板型的红外加热阵列(4)后，垂直指向试件(10)，且激振杆(1-1)与试件(10)非接触，激振杆(1-1)用于对试件(10)进行激振；

力传感器(2)设置在激振杆(1-1)与激振器(1)本体的连接处，并用于采集激振杆(1-1)的激振力，并上传至数据分析装置(9)

激光测振仪(8)用于对试件(10)上测量点的振动速度进行采集，并上传至数据分析装置(9)；

当热模态试验系统对一个测量点进行测试时，数据分析装置(9)根据接收的振动速度和激振力，获得频率响应函数，根据频率响应函数获得试件(10)的模态频率，

当热模态试验系统对多个测量点进行测试时，数据分析装置(9)用于根据接收的所有测量点的振动速度和激振力进行模态分析，获得试件(10)的模态频率和模态振型。

2.根据权利要求1所述的一种非接触式热模态试验系统，其特征在于，夹具(6)包括两个夹片和一个螺栓，试件(10)设置在两个夹片之间，且螺栓穿过两个夹片，对试件(10)进行固定。

3.根据权利要求1所述的一种非接触式热模态试验系统，其特征在于，夹具(6)的个数为2，两个夹具(6)分别固定试件(10)的两端。

4.根据权利要求1所述的一种非接触式热模态试验系统，其特征在于，还包括隔热毡(3)，隔热毡(3)设置激振器(1)本体与其激振器(1)所在侧的平板型的红外加热阵列(4)之间，且激振器(1)的激振杆(1-1)穿过隔热毡(3)。

5.根据权利要求4所述的一种非接触式热模态试验系统，其特征在于，所述的隔热毡(3)为陶瓷基针刺毡。

6.根据权利要求1所述的一种非接触式热模态试验系统，其特征在于，激振杆(1-1)为陶瓷杆。

7.根据权利要求1所述的一种非接触式热模态试验系统，其特征在于，防隔热板(7)采用陶瓷基莫来石材料制成。

8.根据权利要求1所述的一种非接触式热模态试验系统，其特征在于，激振器(1)采用序列脉冲法对试件(10)进行激振。

9.根据权利要求1所述的一种非接触式热模态试验系统，其特征在于，还包括防隔热板(7)，防隔热板(7)设置在夹具(6)两侧，用于对夹具(6)进行隔热。

10.根据权利要求1所述的一种非接触式热模态试验系统，其特征在于，试件(10)相对于两个平板型的红外加热阵列(4)间的垂直距离相等。

11.采用权利要求1至10之一所述的一种非接触式热模态试验系统实现的试验方法，其特征在于，该试验方法用于对试件(10)上的一个测量点进行测试，试验方法包括如下步骤：

步骤一、通过两个平板型的红外加热阵列(4)对试件(10)进行加热至预设温度，同时，温度传感器(5)实时采集试件(10)的温度，并根据采集的温度对两个平板型的红外加热阵列(4)进行控制，使试件(10)的温度达到所需温度；

步骤二、激振器(1)的激振杆(1-1)对试件(10)进行激振；

步骤三、通过力传感器(2)检测激振杆(1-1)输出的激振力、并将该激振力上传至数据分析装置(9)，通过激光测振仪(8)对试件(10)上的一个测量点的振动速度进行采集，并上传至数据分析装置(9)，数据分析装置(9)根据接收的激振力和振动速度，获得试件(10)在该测量点下的频率响应函数，根据频率响应函数获得试件(10)的模态频率，完成对试件(10)上的一个测量点的试验。

12.采用权利要求1至10之一所述的一种非接触式热模态试验系统实现的试验方法，其特征在于，该试验方法用于对试件(10)上的N个测量点进行测试，N为大于或等于2的整数，试验方法包括如下步骤：

步骤一、通过两个平板型的红外加热阵列(4)对试件(10)进行加热至预设温度，同时，温度传感器(5)实时采集试件(10)的温度，并根据采集的温度对两个平板型的红外加热阵列(4)进行控制，使试件(10)的温度达到所需温度；

步骤二、激振器(1)的激振杆(1-1)对试件(10)进行激振；

步骤三、通过力传感器(2)检测激振杆(1-1)输出的激振力、并将该激振力上传至数据分析装置(9)，通过激光测振仪(8)对试件(10)上的一个测量点的振动速度进行采集，并上传至数据分析装置(9)，完成对试件(10)上的一个测量点的数据采集；

步骤四、等待试件(10)自然冷却到室温，在保持激光测振仪(8)与试件(10)间垂直距离不变的条件下，移动激光测振仪(8)至下一测量位置，重复步骤一至步骤三，完成对试件(10)上的下一测量点的数据采集，直至完成对试件(10)上的所有测量点的数据采集，数据分析装置(9)根据所有测量点的振动速度和激振力进行模态分析，获得试件(10)的模态频率和模态振型，从而完成对试件(10)的试验。