CN111089695B

CN111089695B - 一种自动化模态测试方法

Info

Publication number: CN111089695B
Application number: CN201911372873.4A
Authority: CN
Inventors: 沈高飞; 潘栋材; 潘东君
Original assignee: Shanghai Wenbei Measurement And Control Technology Co ltd
Current assignee: Shanghai Wenbei Measurement And Control Technology Co ltd
Priority date: 2019-12-27
Filing date: 2019-12-27
Publication date: 2022-10-25
Anticipated expiration: 2039-12-27
Also published as: CN111089695A

Abstract

本发明公开了一种自动化模态测试方法，包含以下步骤：A、确定各测点位置，并建立模态测试模型；B、测量响应信号和输入力，估计得到频响函数；C、完成参考点位置的确定；D、力锤的自动敲击；E、每个点敲击多次，系统函数计算，当时数据符合要求时，保存数据，并敲击下一点；F、敲击完成所有测点，系统自动汇总所有测点的频响函数等信息，进行模态参数估计，得到固有频率、阻尼比和振型参数，本发明具有传感器位置的自动和精确安装优点；科学确定最优化的模态参考点；实现力锤的自动敲击，大大提高实验效率和精度，避免力锤敲击位置偏差、力大小变化、连击和过载等一系列问题，提高模态测试的精度。

Description

一种自动化模态测试方法

技术领域

本发明涉及振动力学领域，具体是一种自动化模态测试方法。

背景技术

实验模态技术是振动领域的重要研究内容，通过模态测试及分析，可以得到结构各动态特性，包括固有频率、阻尼比和振型等参数，为后续的结构优化设计和减振降噪提供关键性数据和依据。

模态测试按照是否施加外部载荷，可以分为测力法和不测力法两大类，前者是目前模态测试的主流方法，后者应用于一些特殊场合，此处暂时只讨论测力法模态测试方法。

测力法模态测试流程如下：被测对象上安装加速度传感器，通过激振器或者力锤激励被测对象，数据采集得到加速度响应信号和输入的力信号，软件计算频响函数和相干函数，最终提取被测对象各模态参数(固有频率、阻尼比和振型等)。

其中，力锤或者激振器的激励是实验的关键点，只有输入力的能量足够，才能激发结构的模态。而相对于激振器，力锤具有移动便捷、不增加任何附加质量和刚度以及宽频带的能量激励等优势，所以，力锤激励是目前模态测试的主要外载荷施加手段。

力锤激励的模态测试方法又可以分为两类：单点拾振和单点激励，前者充分发挥力锤的优势，只需要在某个或多个测点位置固定放置传感器，然后移动力锤，敲击每个测点，即可得到所有测点的频响函数信息，方便、快捷、准确获取被测对象各阶模态参数，包括固有频率、阻尼比和振型等。因此，此类实验方法是目前模态测试的主要实验手段。

目前，移动力锤模态测试的流程如下：首先，通过人为手动测量，确定被测对象几何尺寸和坐标，建模态几何模型，其次，手动安装传感器，人为的在每个测点上进行力锤激励，再次，人工判断时域曲线、频响函数和相干函数是否合理，如合理，保存数据，不合理，重新试验，最后，人为进行参数识别，得到各模态参数。

几乎在实验每个步骤中，都需要人为的操作，给实验结果带来了很多的不确定性。比如，对于同一被测对象，不同的实验人员，得到的模态结果很有比较大的差异，这样就很难确定被测对象的真正模态特性。尤其是传感器安装和力锤激励，由于经验的不同，会对实验结果带来比较大的影响。

现有技术存在的缺点如下：

1、测点和激励点的选择，基本是凭借经验来确定，存在很多未知的风险；

2、传感器的安装通过人工的方式，位置会存在一些偏差；

3、采用用手握住力锤的手柄方式，然后对每个测点进行人工敲击：(1)同一测点，多次敲击，每次敲击的位置会存在偏差；(2)每次敲击的力度难以保持一致；这些都会对实验结果造成比较大的影响，尤其是对于非线性结构，如果每次的敲击的力度不同，得到的实验结果会截然不同。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自动化模态测试方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种自动化模态测试方法，包含以下步骤：

A、确定各测点位置，并建立模态测试模型；

B、测量响应信号和输入力，估计得到频响函数；

C、完成参考点位置的确定；

D、力锤的自动敲击；

E、每个点敲击三次，系统函数计算，当时数据符合要求时，保存数据，并敲击下一点；

F、敲击完成所有测点，系统自动汇总所有测点的频响函数等信息，进行模态参数估计，得到固有频率、阻尼比和振型参数。

作为本发明的进一步方案：所述步骤B具体是：自动控制机械手，放置传感器至测点位置，然后，控制机械手臂敲击一个测点，敲击点保持不变，传感器通过机械手臂放置至3～5个测点位置，测量响应信号和输入力，估计得到3～5条频响函数，自动控制机械手高效和精确放置传感器，同时带有反馈控制，防止传感器安装过程中力过大，损坏传感器。

作为本发明的进一步方案：所述步骤B中，如果需要选取多个参考点，传感器放置的位置需要增加至6～8个。

作为本发明的进一步方案：所述步骤C具体是：对得到的频响函数矩阵进行奇异值分解、模态指示函数和模态统计法计算，取奇异值个数及模态统计能量MSE最大的频响函数对应的测点为传感器最终放置位置，也可以选取两个或多个传感器放置位置作为参考点。

作为本发明的进一步方案：所述步骤E中的函数计算包括自动进行频响函数、相干函数、相关函数和自互功率谱、模态指示函数、模态统计能量MSE计算。

作为本发明的进一步方案：所述步骤A具体是：结合有限元仿真计算，软件自动提取模态振型中的关键测点，确定各测点位置，并建立模态测试模型。

作为本发明的进一步方案：所述步骤D具体是：自动控制机械手，按照既定的实验方案，依次敲击各测点，同时，带有反馈控制和结合视频技术，保证敲击力信号的质量和敲击点位置的准确性，大大提升实验的效率和精度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、通过科学的方法确定最优的传感器放置位置(参考点)，尽可能避开各阶模态振型的节点，有效得到所关心的各阶模态，同时，提升激励点和响应点的信噪比，得到的频响函数能更清晰的反映各阶模态，在提升模态实验的效率的同时提高各阶模态参数的精度；2、传感器位置的自动和精确安装，避免传感器安装位置偏差带来的测量误差；3、实现力锤的自动敲击，大大提高实验效率和精度，避免力锤敲击位置偏差、力大小变化、连击和过载等一系列问题，提高模态测试的精度。4、同时带有反馈控制，防止传感器安装过程中力过大，损坏传感器；5、带有反馈控制和结合视频技术，保证敲击力信号的质量和敲击点位置的准确性，大大提升实验的效率和精度。

附图说明

图1是现有技术测力法模态测试流程图，

图2是现有技术移动力锤模态测试的流程图。

图3为本发明的流程图。

具体实施方式

下面将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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：如图3所示，本发明实施例中，一种自动化模态测试方法，包含以下步骤：

A、结合有限元仿真计算，软件自动提取模态振型中的关键测点，确定各测点位置，并建立模态测试模型；

B、自动控制机械手，放置传感器至关键测点位置，然后，控制机械手臂敲击某一测点，敲击点保持不变，传感器通过机械手臂放置至3～5个关键测点位置，测量响应信号和输入力，估计得到3～5条频响函数；如果需要选取多个参考点，传感器放置的位置需要增加至6～8个；

C、对得到的频响函数矩阵进行奇异值分解、模态指示函数和模态统计法等计算，取奇异值个数及模态统计能量MSE最大的频响函数对应的测点为传感器最终放置位置，完成参考点位置的确定；A＝UΛU^-1＝UΛU^T

D、力锤的自动敲击(包含力信号质量检查及信号反馈机制)：采用移动力锤的实验方法，加速度传感器通过机械手臂放置在之前优化的固定位置，力锤按照建立模型的顺序进行有规律的敲击(软件控制机械手臂按照实验方案设定的敲击顺序进行依次移动和敲击)，同时建立力锤信号反馈机制，当反馈信号和设置的力信号产生一定的偏差时(力的大小以及连击、过载等，结合视频测量)，软件提示重新敲击；

E、每个点敲击三次，系统自动进行频响函数、相干函数、相关函数和自互功率谱、模态指示函数、模态统计能量MSE计算等计算，当时数据符合要求时，保存数据，并敲击下一点；

F、敲击完成所有测点，系统自动汇总所有测点的频响函数等信息，进行模态参数估计，得到固有频率、阻尼比和振型等参数。

本发明利用自动控制机械手，高效和精确放置传感器，同时带有反馈控制，放置传感器安装过程中力过大，损坏传感器；运用矩阵奇异值分解、模态指示函数和模态统计法等，确定最优化的参考点位置(传感器放置位置，可以为多个)；自动控制机械手，按照既定的实验方案，依次敲击各测点，同时，带有反馈控制和结合视频技术，保证敲击力信号的质量和敲击点位置的准确性，大大提升实验的效率和精度。

实施例2：在实施例1的基础上，步骤C也可以选取两个或多个关键测点进行参考点的最终确定。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims

1.一种自动化模态测试方法，其特征在于，包含以下步骤

A、确定各测点位置，并建立模态测试模型，结合有限元仿真计算，软件自动提取模态振型中的关键测点，确定各测点位置，并建立模态测试模型；

B、测量响应信号和输入力，估计得到频响函数，自动控制机械手，放置传感器至测点位置，然后，控制机械手臂敲击一个测点，敲击点保持不变，传感器通过机械手臂放置至3～5个测点位置，测量响应信号和输入力，估计得到3～5条频响函数，自动控制机械手高效和精确放置传感器，同时带有反馈控制，防止传感器安装过程中力过大，损坏传感器；

C、完成参考点位置的确定：对得到的频响函数矩阵进行奇异值分解、模态指示函数和模态统计法计算，取奇异值个数及模态统计能量MSE最大的频响函数对应的测点为传感器最终放置位置；

D、力锤的自动敲击：自动控制机械手，按照既定的实验方案，依次敲击各测点，同时，带有反馈控制和结合视频技术，保证敲击力信号的质量和敲击点位置的准确性，大大提升实验的效率和精度；

E、每个点敲击三次，系统函数计算：当数据符合要求时，保存数据，并敲击下一点，函数计算包括自动进行频响函数、相干函数、相关函数和自互功率谱、模态指示函数、模态统计能量MSE计算；

F、敲击完成所有测点，系统自动汇总所有测点的频响函数信息，进行模态参数估计，得到固有频率、阻尼比和振型参数。

2.根据权利要求1所述的一种自动化模态测试方法，其特征在于，步骤B中，如果需要选取多个参考点，传感器放置的位置需要增加至6～8个。