CN116296178A - 一种振动模态测试系统整体校准装置及校准修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种振动模态测试系统整体校准装置及校准修正方法，属于振动计量测试设备技术领域。本发明包括固定夹持机构、标准模态件、标准力传感器安装结构、顶杆、激振器、激振器控制系统、激光扫描测量系统、信号采集系统、模态特性分析系统。本发明对标准模态件的多阶模态特性进行精确测量；通过分析校准过程中的标准模态件安装引入的质量、激振器的附加质量、力传感器安装结构的附加质量、力传感器安装结构的附加刚度等因素，确立模态结果与附加质量之间的关系，通过所述关系进一步确定附加质量为M_x时的不同阶数的修正参数K_i，解决振动模态测量系统中一直存在力传感器安装结构附加质量的问题，使模态校准结果更准确。

Description

一种振动模态测试系统整体校准装置及校准修正方法

技术领域

本发明涉及一种振动模态测试系统整体校准装置及校准修正方法，属于振动计量测试设备技术领域。

背景技术

振动模态是结构系统的固有振动特性，每一个模态特性具有特定的固有频率、模态振型和阻尼比。振动模态是弹性结构的固有的、整体的特性，如果通过模态分析方法搞清楚了结构在某一易受影响的频率范围内各阶主要模态的特性，就可以预言结构在此频段内在外部或内部各种振源激励下实际的振动响应，因此，对结构开展模态分析是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法。

对于振动模态测量，常采用激振器或者力锤作为激励设备提供正弦振动激励或者脉冲激励，模态测量方式从最早的加速度传感器测量到现在广泛使用激光测振仪或激光位移传感器等多种测量方式。振动模态测量及分析在航空航天、汽车制造、土木桥梁等领域有着越来越广泛的应用，尽管振动模态测试在实际工程应用中作用如此重要，但其计量校准问题却一直没能彻底解决，仍以实验室校准为主要方法。目前对振动模态测试系统(激振器激励)主要采用仪器单元分别校准，测量通道上各仪器单元分别按各自的计量规程校准，综合得到测量通道上的系统性能参数的准确度。此种校准方法无法计入由于各仪器单元之间安装结构造成的系统误差，主要包括附加质量和附加刚度的影响。

发明内容

为了解决模态校准中未能精确评估力传感器安装结构附加质量对校准结果的问题，本发明的主要目的之一是提供一种振动模态测试系统整体校准装置及校准修正方法，采用标准模态件进行校准，对标准模态件的多阶模态特性进行精确测量。通过分析校准过程中的标准模态件安装引入的质量、激振器的附加质量、力传感器安装结构的附加质量、力传感器安装结构的附加刚度等因素，确立模态结果与附加质量之间的关系，通过所述关系构建动模态测试系统整体校准修正方法，进一步确定附加质量为M_x时的不同阶数的修正参数K_i，解决振动模态测量系统中一直存在力传感器安装结构附加质量的问题，使模态校准结果更准确。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明公开的一种振动模态测试系统整体校准装置，包括固定夹持机构、标准模态件、标准力传感器安装结构、顶杆、激振器、激振器控制系统、激光扫描测量系统、信号采集系统、模态特性分析系统。

其中，固定夹持机构和标准模态件构成标准模态件结构。

固定夹持机构用于固定标准模态件。

标准力传感器安装结构、顶杆、激振器、激振器控制系统构成正弦振动激励结构。

扫描激光测量系统对标准模态件在受到正弦振动激励条件下的各阶模态频率、振型等模态特性参数进行非接触测量。

信号采集系统和模态特性分析系统构成数据采集及分析系统，对标准模态件受到的激励信号和扫描激光测量系统测得的模态特性参数进行采集和分析，得到标准模态件参数。所述标准模态件参数包括各阶固有频率、模态振型、模态阻尼比。

标准模态件采用夹持机构固定后，分别用激振器对标准模态件施加正弦振动激励，改变力传感器的外侧安装板的质量，通过激光扫描测量系统测得标准模态件的各阶模态特性参数，所述各阶模态特性参数包括固有频率、模态振型、阻尼比。

改变传感器安装结构部分的附加质量，测定不同附加质量的标准模态件的模态结果，拟合得到传感器附加质量和模态分析结果的关系，准确评估力传感器安装结构的附加质量对测试结果的影响，通过所述关系进一步确定附加质量为M_x时的不同阶数的修正参数K_i，结合修正参数K_i修正振动模态测量系统中存在的力传感器安装结构附加质量的影响，实现对标准模态系统测试结果的修正补偿，使模态校准结果更准确。

本发明公开的一种对振动模态测试系统校准修正的方法，基于所述一种振动模态测试系统整体校准装置实现。所述一种对振动模态测试系统进行校准的方法，包括如下步骤：

步骤一、通过对激振器的控制器进行调节，确保激振频率f满足要求；调整激振器功率放大器的功率使幅值达到所需要求；在激振器激励作用下，标准模态件以正弦振动形式进行运动，且前n阶的模态频率正常发生，对采集的标准模态件的各阶模态数据在频域内进行参数辨识，进行模态参数进行计算，得到标准模态件在固定约束下的各阶模态参数和振型；分析产生满足校准要求的标准件，记录标准件的主体几何参数，再根据安装要求确定安装端的几何尺寸，形成标准件。

标准模态件在固定后，当模态件转动θ时，动力学学方程为：

其中I₀为系统的转动惯量，K_t1为标准模态件安装的引入的系统刚度，θ为标准模态件的偏转角度，

为标准模态件的角加速度。

真实的固有频率：

其中f_真实为理论计算的模态结果。

步骤二、对模态标准件进行测量点和激励作用点的布置，测量点的布置避开振型的中性节点，选择易于激起多阶模态的响应点，且不同点之间具备互异性，以保证采集的测点信号有较高的信噪比，避免模态遗漏；同时，激励点选择在便于标准模态件激励能量传递的位置，选择的激励位置的刚度应尽量大。利用扫描方法测量各个测量点的响应情况，包括位移，速度和加速度。

实际测量时整个系统的转动惯量为：

I＝I₀+ML²+M₁L² ⑶

其中M为激振器安装的引入质量，L为激振器安装的引入质量的作用力臂，M₁为传感器安装部位的附加质量。

整个系统的刚度K为：

K＝K_t1+K_t2+K_t3 ⑷

其中K_t2为力传感器安装引入的附加刚度，K_t3为激振器引入的附加刚度。

则模态测试系统的固有频率为：

其中f_系统标准模态校准系统的真实值。

步骤三、改变传感器安装结构，以安装底座的质量为变量，设置M个质量点，完成步骤一和步骤二的测量过程，在力传感器的安装结构不同附加质量的工况下测量标准模态件的模态特性参数；所述模态特性参数包括模态固有频率、模态振型、阻尼比。所述力传感器的安装结构不同附加质量的工况包括标准模态件安装引入的质量、激振器的附加质量、力传感器安装结构的附加质量、力传感器安装结构的附加刚度。

步骤四：通过分析校准过程中的标准模态件安装引入的质量、激振器的附加质量、力传感器安装结构的附加质量、力传感器安装结构的附加刚度，确立模态结果与附加质量之间的关系，通过所述关系进一步确定附加质量为M_x时的不同阶数的修正参数K_i，结合修正参数K_i修正振动模态测量系统中存在的力传感器安装结构附加质量的影响，使模态校准结果更准确。

在满足载荷正常施加的强度要求内，改变力传感器安装结构附加质量的大小，得到附加质量与标准模态件模态结果的关系式，模态结果与附加质量之间的应满足：

其中p_i为曲线拟合系数，K_t1为标准模态件安装的引入的系统刚度，K_t2为力传感器安装引入的附加刚度，K_t3为激振器引入的附加刚度，M_x为力传感器安装结构的附加质量，M为激振器安装的引入质量，f_i为第i阶的标准模态测试系统的模态测试结果。

通过MAC模态验证方法确定力传感器安装结构的不同附加质量对模态测试结果的影响，进一步确定附加质量为M_x时修正参数K_i，修正后第i阶的精确校准结果f_标准为：

f_标准＝K_if_i (7)

其中K_i为修正参数系数，f_i为第i阶标准模态校准系统的模态测量结果，f_标准为修正后的第i阶模态结果。

校准过程中，被校振动模态测试系统对标准模态件进行测量，比对振动模态测试系统整体校准装置的f_标准完成校准结果的评定。

有益效果：

1、本发明的一种振动模态测试系统整体校准装置及校准修正方法，对同一个标准模态件施加相同的固定和约束方式，在力传感器的安装结构不同附加质量的工况下测量标准模态件的模态固有频率、模态振型、阻尼比等模态特性参数，标准模态件可设计多种不同形状和尺寸的标准模态件，可适应不同振动模态测量系统的测试要求，以标准模态件进行模态量值传递的方法，可实现激振器激励方式模态测量系统的整体校准。

2、本发明的一种振动模态测试系统整体校准装置及校准修正方法，使用标准模态件结构，在实验室以激振器作为激励方式，使标准模态件激发出多阶固有振动模态特性，并以非接触的激光扫描测量方式对标准模态件的各阶固有频率、模态振型、模态阻尼比等模态特性参数进行精确测量，得到标准模态件的各阶模态特性。通过对一标准模态件以固定约束条件进行测试，确定力传感器的固定方式对模态测试结果影响。通过分析校准过程中的标准模态件安装引入的质量、激振器的附加质量、力传感器安装结构的附加质量、力传感器安装结构的附加刚度等因素，确立模态结果与附加质量之间的关系，通过所述关系构建动模态测试系统整体校准修正方法，进一步确定附加质量为M_x时的不同阶数的修正参数K_i，解决振动模态测量系统中一直存在力传感器安装结构附加质量的问题，使模态校准结果更准确。

3、本发明的一种振动模态测试系统整体校准装置及校准修正方法，通过MAC模态验证方法确定力传感器安装结构的不同附加质量对模态测试结果的影响，进一步确定附加质量为M_x时不同阶数的振动测试结果修正参数K_i。该方法解决了模态测试过程中未精确考虑力传感器安装结构的附加质量对于测试结果的影响。

4、本发明的一种振动模态测试系统整体校准装置及校准修正方法，测量点的布置避开振型的中性节点，选择易于激起多阶模态的响应点，且不同点之间具备互异性，以保证采集的测点信号有较高的信噪比，避免模态遗漏。

附图说明

图1为本发明公开的一种振动模态测量系统整体校准装置的原理图。

其中：1-固定夹持机构、2-标准模态件、3-标准力传感器、4-顶杆、5-激振器、6-激振器控制系统、7-激光扫描测量系统、8-信号采集系统、9-模态特性分析系统。

图2为本发明采用的力传感器安装结构。

其中：10-力传感器的安装板，11-力传感器的外侧安装板，12-连接螺栓，13-连杆，14-力传感器。

图3为本发明采用的标准模态件振动特性的原理图。

其中：K_t1为标准模态件安装刚度。

图4为本发明采用的模态测试系统测定标准模态件振动特性的原理图。

其中：K_t1为标准模态件安装刚度，K_t2为连接杆与标准模态件连接部分的附加刚度，K_t3为激振器内部的弹簧刚度，M为激振器的动圈质量与激振器连接杆的总附加质量，M_x为力传感器安装及结构附加质量。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例1：

如图1所示，本实例公开的一种振动模态测试系统整体校准装置，包括固定夹持机构1、标准模态件2、标准力传感器安装结构3、顶杆4、激振器5、激振器控制系统6、激光扫描测量系统7、信号采集系统8、模态特性分析系统9。固定夹持机构1用于固定标准模态件2；标准力传感器结构3安装在顶杆4的靠近标准模态件2的顶端；顶杆4和激振器5构成标准模态件2的正弦振动激励机构；激振器控制系统6用于驱动激振器5产生正弦振动激励；激光扫描测量系统7对标准模态件2受到正弦振动激励或者脉冲激励后的模态振型进行非接触测量；信号采集系统8用于采集标准力传感器3、激光扫描测量系统7的输出信号，模态特性分析系统9用于数据处理，将信号采集系统8采集到的多种信号进行分析，得到标准模态件2在正弦振动激励方式下的各阶模态振型、频率、激振力等各项模态参数。

正弦振动激励系统用于产生具有一定能量、频率可调的正弦激振力，正弦激振力的力幅和频率能任意连续调节，且调定后，力幅和频率能够保持稳定，经过信号采集系统传送给模态特性分析系统进行计算分析。

固定夹持机构用于固定标准模态件，信号采集系统用是对经前置放大器调理放大后的激励、响应信号进行模/数转换，再以数字形式存储，用以信号分析。模态特性分析系统由计算机和模态分析软件组成，作用是对测试信号的传递函数进行计算，完成数据分析与模态拟合等。

标准模态件通过夹具安装后，引入附加质量和附加刚度。标准模态件的动力学方程中刚度参数发生了改变，新增了力传感器安装部分的附加质量和附加刚度，激振器自身的附加质量和附加刚度。标准模态件的模态参数f_真实和f_系统之间满足式(2)和式(5)所示关系：

如图2所示，改变力传感器安装结构的内侧安装板的质量，采集不同力传感器安装结构的附加质量时标准模态件的模态结果，将不同工况的模态结果进行拟合得到模态结果与附加质量之间的关系。取试验模态的第i阶模态向量为{Φ_试验}，理论模态向量为{Φ_理论}，将理论模态按照MAC准则进行核验。MAC的表达式为：

其中{Φ_试验}为试验分析所得模态向量矩阵，{Φ_理论}为理论模态向量矩阵，

为{Φ_试验}的转置矩阵，/>

为{Φ_理论}的转置矩阵。

基于式(1)和(2)，可知标准模态件的理论值和试验值存在误差，MAC值不等于1，因此提出修正参数K_i，修正后应满足不确定度要求的前提下MAC接近于1：

其中{K_i}为修正系数矩阵，{K_iΦ_试验}即为修正后的模态向量矩阵，(K_iΦ_试验)^T为{K_iΦ_试验}的转置矩阵。

在满足误差要求前提下，可将标准系统的测试结果作为标准数据开展校准工作，指导标准模态件和待校模态系统进行安装。

由此，将振动模态测试系统的测得模态参数与实验室测得的标准模态参数进行比对，完成对振动模态测试系统的整体校准。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种振动模态测试系统整体校准装置，其特征在于：包括固定夹持机构、标准模态件、标准力传感器安装结构、顶杆、激振器、激振器控制系统、激光扫描测量系统、信号采集系统、模态特性分析系统；

其中，固定夹持机构和标准模态件构成标准模态件结构；

固定夹持机构用于固定标准模态件；

标准力传感器安装结构、顶杆、激振器、激振器控制系统构成正弦振动激励结构；

扫描激光测量系统对标准模态件在受到正弦振动激励条件下的各阶模态频率、振型等模态特性参数进行非接触测量；

信号采集系统和模态特性分析系统构成数据采集及分析系统，对标准模态件受到的激励信号和扫描激光测量系统测得的模态特性参数进行采集和分析，得到标准模态件参数；所述标准模态件参数包括各阶固有频率、模态振型、模态阻尼比。

2.如权利要求1所述的一种振动模态测试系统整体校准装置，其特征在于：标准模态件采用夹持机构固定后，分别用激振器对标准模态件施加正弦振动激励，改变力传感器的外侧安装板的质量，通过激光扫描测量系统测得标准模态件的各阶模态特性参数，所述各阶模态特性参数包括固有频率、模态振型、阻尼比；

改变传感器安装结构部分的附加质量，测定不同附加质量的标准模态件的模态结果，拟合得到传感器附加质量和模态分析结果的关系，准确评估力传感器安装结构的附加质量对测试结果的影响，通过所述关系进一步确定附加质量为M_x时的不同阶数的修正参数K_i，结合修正参数K_i修正振动模态测量系统中存在的力传感器安装结构附加质量的影响，实现对标准模态系统测试结果的修正补偿，使模态校准结果更准确。

3.一种对振动模态测试系统校准修正的方法，基于如权利要求1或2所述的一种振动模态测试系统整体校准装置实现，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一、通过对激振器的控制器进行调节，确保激振频率f满足要求；调整激振器功率放大器的功率使幅值达到所需要求；在激振器激励作用下，标准模态件以正弦振动形式进行运动，且前n阶的模态频率正常发生，对采集的标准模态件的各阶模态数据在频域内进行参数辨识，进行模态参数进行计算，得到标准模态件在固定约束下的各阶模态参数和振型；分析产生满足校准要求的标准件，记录标准件的主体几何参数，再根据安装要求确定安装端的几何尺寸，形成标准件；

标准模态件在固定后，当模态件转动θ时，动力学学方程为：

其中I₀为系统的转动惯量，K_t1为标准模态件安装的引入的系统刚度，θ为标准模态件的偏转角度，

为标准模态件的角加速度；

真实的固有频率：

其中f_真实为理论计算的模态结果；

步骤二、对模态标准件进行测量点和激励作用点的布置，测量点的布置避开振型的中性节点，选择易于激起多阶模态的响应点，且不同点之间具备互异性，以保证采集的测点信号有较高的信噪比，避免模态遗漏；同时，激励点选择在便于标准模态件激励能量传递的位置，选择的激励位置的刚度应尽量大；利用扫描方法测量各个测量点的响应情况，包括位移，速度和加速度；

实际测量时整个系统的转动惯量为：

I＝I₀+ML²+M₁L² ⑶

其中M为激振器安装的引入质量，L为激振器安装的引入质量的作用力臂，M₁为传感器安装部位的附加质量；

整个系统的刚度K为：

K＝K_t1+K_t2+K_t3 ⑷

其中K_t2为力传感器安装引入的附加刚度，K_t3为激振器引入的附加刚度；

则模态测试系统的固有频率为：

其中f_系统标准模态校准系统的真实值；

步骤三、改变传感器安装结构，以安装底座的质量为变量，设置M个质量点，完成步骤一和步骤二的测量过程，在力传感器的安装结构不同附加质量的工况下测量标准模态件的模态特性参数；所述模态特性参数包括模态固有频率、模态振型、阻尼比；所述力传感器的安装结构不同附加质量的工况包括标准模态件安装引入的质量、激振器的附加质量、力传感器安装结构的附加质量、力传感器安装结构的附加刚度；

步骤四：通过分析校准过程中的标准模态件安装引入的质量、激振器的附加质量、力传感器安装结构的附加质量、力传感器安装结构的附加刚度，确立模态结果与附加质量之间的关系，通过所述关系进一步确定附加质量为M_x时的不同阶数的修正参数K_i，结合修正参数K_i修正振动模态测量系统中存在的力传感器安装结构附加质量的影响，使模态校准结果更准确；

在满足载荷正常施加的强度要求内，改变力传感器安装结构附加质量的大小，得到附加质量与标准模态件模态结果的关系式，模态结果与附加质量之间的应满足：

其中p_i为曲线拟合系数，K_t1为标准模态件安装的引入的系统刚度，K_t2为力传感器安装引入的附加刚度，K_t3为激振器引入的附加刚度，M_x为力传感器安装结构的附加质量，M为激振器安装的引入质量，f_i为第i阶的标准模态测试系统的模态测试结果；

通过MAC模态验证方法确定力传感器安装结构的不同附加质量对模态测试结果的影响，进一步确定附加质量为M_x时修正参数K_i,修正后第i阶的精确校准结果f_标准为:

f_标准＝K_if_i ⑺

其中K_i为修正参数系数，f_i为第i阶标准模态校准系统的模态测量结果，f_标准为修正后的第i阶模态结果；

校准过程中，被校振动模态测试系统对标准模态件进行测量，比对振动模态测试系统整体校准装置的f_标准完成校准结果的评定。

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