CN117470484A - 刹车片模态频率测量方法及测量系统 - Google Patents

刹车片模态频率测量方法及测量系统 Download PDF

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CN117470484A CN202311451052.6A CN202311451052A CN117470484A CN 117470484 A CN117470484 A CN 117470484A CN 202311451052 A CN202311451052 A CN 202311451052A CN 117470484 A CN117470484 A CN 117470484A
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余建洋
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Feitelmogu Chongqing Friction Materials Co ltd
SAIC Volkswagen Automotive Co Ltd
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Abstract

本发明提供一种刹车片模态频率测量方法，包括：获取若干次力锤锤击刹车片产生的锤击时域信号，对有效的锤击时域信号进行频域转换，得到对应的频率响应函数曲线；根据所述频率响应函数曲线，采用模态圆拟合方法得到模态参数；根据所述模态参数，重新拟合一条新频率响应函数曲线，并在更新后的频率响应函数曲线上识别最终模态频率。该方法可有效消除测量过程中引入的噪声信号，获得更加清晰的模态信息，提高最终模态频率测量的准确率和可靠性；此外，融合信号采集、参数拟合和频率响应函数曲线优化为一整体，自动化程度高、不需依赖人工经验判断，降低对测试人员的技术要求。

Description

刹车片模态频率测量方法及测量系统
技术领域
本发明涉及刹车片测量技术领域，具体地涉及一种刹车片模态频率测量方法及测量系统。
背景技术
随着现代科技的快速发展，人们不断追求更快的运输速度、更高的能耗经济性、更轻巧的结构。而这些需求往往需要通过降低结构的质量来满足，降低结构质量会引起结构本身变弱，共振频率降低等后果，轻则产生异响，重则可能导致结构(比如刹车片)因动态载荷而失效。如果可以获得结构的固有模态频率就可避免共振现象的发生，而模态分析方法就是解决获取固有模态频率的有效途径之一。
目前市场上比较流行一种测量方法为采用西门子的LMS Test.Lab试验平台，它是一种模态测试系统，通过该测试系统可以测量得到刹车片的模态频率，该测试系统和其配备的软件具有很强大的数据处理能力和扩展功能，但是价格昂贵，且对测试人员有一定的技术要求，需要测试人员具有声学方面的专业知识和丰富的操作经验，但是这对于批量的刹车片的模态测量显得有点大材小用了，因此性价比较低。另一种测量方法是通过绘制频响函数曲线以识别模态频率，但是该方法并未考虑到噪声信号的干扰，导致测试结果准确性低、误差大。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种刹车片模态频率测量方法，以解决现有技术中在进行模态频率测试时对测试人员的测试能力和测试成本都要求较高，且未考虑时域信号中的噪声信号，导致最终识别的模态频率准确率低、可靠性差的技术问题。
本发明的目的之一在于提供一种刹车片模态频率测量系统。
为了实现上述发明目的之一，本发明提供一种刹车片模态频率测量方法，包括：获取若干次力锤锤击刹车片产生的锤击时域信号，对有效的锤击时域信号进行频域转换，得到对应的频率响应函数曲线；根据所述频率响应函数曲线，采用模态圆拟合方法得到模态参数；其中，所述模态参数表征刹车片的振动特性；根据所述模态参数，重新拟合一条新频率响应函数曲线，并在更新后的频率响应函数曲线上识别最终模态频率。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述锤击时域信号包括力锤锤击刹车片产生的脉冲激励信号，以及与所述脉冲激励信号对应的激励响应信号。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述模态参数包括预估模态频率、预估模态幅值常数和预估阻尼比至少其中之一。
作为本发明一实施方式的进一步改进，在所述“获取若干次力锤锤击刹车片产生的锤击时域信号”之前，所述方法还包括：获取力锤锤击刹车片的控制参数；其中，所述控制参数包括锤击次数、相邻两次锤击的时间间隔、力锤的转动角度至少其中之一；根据所述控制参数，操作力锤锤击刹车片产生若干次所述锤击时域信号。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述力锤的转动角度用于设置力锤在锤击刹车片时的力度；所述力锤的转动角度包括力锤抬起的角度和力锤放下的角度至少其中之一；所述“根据所述控制参数，操作力锤锤击刹车片产生若干次所述锤击时域信号”具体包括：根据所述控制参数，控制舵机操作力锤锤击刹车片产生若干次所述锤击时域信号。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述锤击时域信号包括脉冲激励信号；在所述“对有效的锤击时域信号进行频域转换，得到对应的频率响应函数曲线”之前，所述方法还包括：根据所述脉冲激励信号，判断对应于每次锤击时域信号的所述脉冲激励信号是否大于预设电压阈值；若是，则判定本次锤击产生的信号为有效的锤击时域信号。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述“对有效的锤击时域信号进行频域转换，得到对应的频率响应函数曲线”具体包括：采用快速傅里叶变换算法对所述有效的锤击时域信号执行时域频域转换操作，得到若干频域信号；采用曲线拟合方法，分别对所述若干频域信号进行拟合，得到对应的若干拟合曲线；计算所述若干拟合曲线上每个对应点的平均值，拟合得到所述频率响应函数曲线。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述模态参数包括第一模态参数；所述“根据所述频率响应函数曲线，采用模态圆拟合方法得到模态参数”具体包括：提取对应于所述频率响应函数曲线中峰值点的位置信息，得到若干峰值点位置坐标；其中，所述若干峰值点包括第一峰值点；所述第一峰值点的位置信息为第一峰值点位置坐标；根据所述第一峰值点位置坐标，选择并确定其附近的若干第一待拟合点的若干第一待拟合位置坐标；在所述频率响应函数曲线的频域信号映射到复平面时，采用最小二乘法拟合圆方法，对所述若干第一待拟合位置坐标进行拟合计算，得到第一拟合模态圆；根据所述第一拟合模态圆，计算得到所述第一模态参数；迭代并计算对应于所有峰值点的所有模态参数；其中，所述待拟合位置坐标为：所述待拟合点在所述频率响应函数曲线中对应频域信号的实部和虚部；所述若干待拟合点的位置坐标至少满足近似对称分布。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述第一模态参数包括第一预估模态幅值常数；所述“根据所述第一拟合模态圆，计算得到所述第一模态参数”具体包括：根据所述第一拟合模态圆，计算其对应的圆心位置坐标和半径，得到所述第一预估模态幅值常数。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述第一模态参数包括第一预估模态频率；所述“根据所述第一拟合模态圆，计算得到所述第一模态参数”具体包括：根据第一预估模态幅值常数和对应的若干第一待拟合位置坐标，计算得到第一理论转角点的位置坐标；其中，所述第一理论转角点为所述若干第一待拟合点中相位角与圆心的相位角最接近的待拟合点，或者是所述若干第一待拟合点中角度变化率最大的待拟合点；根据所述第一理论转角点的位置坐标，计算得到该位置坐标对应的第一理论转角度值；根据所述第一理论转角度值，计算得到所述第一预估模态频率。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述“根据第一预估模态幅值常数和对应的若干第一待拟合位置坐标，计算得到第一理论转角点的位置坐标”具体包括：根据所述第一预估模态幅值常数和所述对应的若干第一待拟合位置坐标，计算并确定第一最大转角点的位置坐标；其中，所述若干第一待拟合点包括相邻的第一样本点、第二样本点和第三样本点；当所述第二样本点满足条件：所述第一样本点与所述第二样本点的圆心角，以及所述第二样本点与所述第三样本点的圆心角之和是任意相邻三个样本点的圆心角之和的最大值时，确定所述第二样本点为所述第一最大转角点；根据所述第一最大转角点的位置坐标，计算得到所述第一理论转角点的位置坐标；其中，所述第一理论转角点的位置坐标等于所述第一样本点的位置坐标和第三样本点的位置坐标的平均值。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述“根据所述第一理论转角度值，计算得到所述第一预估模态频率”具体包括：获取所述第一峰值点在所述频率响应函数曲线中的第一实际频域信号值；根据所述第一理论转角度值，计算其对应的第一理论频域信号值；其中，所述第一理论频域信号值为所述第一理论转角度值与2π的比值；根据所述第一实际频域信号值和所述第一理论频域信号值，计算得到所第一述预估模态频率；其中，所述第一预估模态频率等于所述第一实际频域信号值与所述第一理论频域信号值之和。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述第一模态参数包括第一预估阻尼比；所述“根据所述第一拟合模态圆，计算得到所述第一模态参数”具体包括：获取所述第一拟合模态圆中若干组第一对称待拟合点；其中，所述第一对称待拟合点包括复平面上横轴对称的上对称点和下对称点；分别根据每组第一对称待拟合点中的上对称点的位置坐标和下对称点的位置坐标，计算得到若干组圆心角；其中，每组圆心角包括对应于所述上对称点的上圆心角θ1和对应于所述下对称点的下圆心角θ2；分别根据所述第一预估模态频率ω0、所述上圆心角θ1、所述下圆心角θ2，以及对应于每组第一对称待拟合点的上对称点模态频率ω1和下对称点模态频率ω2，计算得到若干组阻尼比；其中，所述上对称点模态频率ω1为所述上对称点在所述频率响应函数曲线上频域信号值；所述下对称点模态频率为所述下对称点在所述频率响应函数曲线上频域信号值；计算所述若干组阻尼比的平均值，得到所述第一预估阻尼比。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述“分别根据所述第一预估模态频率ω0、所述上圆心角θ1、所述下圆心角θ2，以及对应于每组第一对称待拟合点的上对称点模态频率ω1和下对称点模态频率ω2，计算得到若干组阻尼比”具体包括：分别根据所述第一预估模态频率ω0，所述上圆心角θ1和所述下圆心角θ2，计算得到若干组母式；其中，所述母式等于ω0 2(tan(θ1/2)+tan(θ2/2))；分别根据所述上对称点模态频率ω1和所述下对称点模态频率ω2，计算得到若干组子式；其中，所述子式等于(ω1 2-ω2 2)；分别根据每组子式和母式，计算得到对应的若干组阻尼比；其中，所述阻尼比等于所述子式和所述母式的比值。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述“根据所述模态参数，重新拟合一条新频率响应函数曲线”具体包括根据所有的预估模态频率、预估模态幅值常数和预估阻尼比，采用模态重构法重新拟合产生所述新频率响应函数曲线。
为实现上述发明目的之一，本发明还提供一种刹车片模态频率测量系统，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器通过调用所述存储器中存储的所述计算机程序，实现上述任意一项所述刹车片模态频率测量方法的步骤。
与现有技术相比，本发明实施例具有如下至少一种有益效果：
本发明采用刹车片模态频率测量方法，通过获取多次锤击时域信号，可以收集更加充分的模态数据，提高后续频域信号的完整性；再对有效的时域信号进行频域转换，可提取有用的信息，过滤噪声信号，减少后续拟合过程的计算量，提高频率响应函数的准确性；采用模态圆拟合方法提取模态参数，可以有效分离出各个模态，获得更准确的模态频率；根据模态参数重新拟合频率响应函数，可有效消除或过滤测量过程中引入的噪声信号，获得更加清晰的模态信息，提高最终模态频率测量的准确率和可靠性。此外，通过融合时域信号采集、模态参数拟合和频率响应函数曲线优化为一整体，以完成数据的自动分析与处理，不需依赖人工经验判断，降低对测试人员的技术要求，也降低了测试和处理时间，减少了人力成本。
附图说明
图1是本发明一实施方式中刹车片模态频率测量方法的步骤示意图。
图2是本发明一实施方式中刹车片模态频率测量方法的步骤S1之前的部分步骤示意图。
图3是本发明一实施方式中刹车片模态频率测量方法的步骤S1的部分步骤示意图。
图4是本发明一实施方式中刹车片模态频率测量方法的步骤S2的部分步骤示意图。
图5是本发明第二实施方式中刹车片模态频率测量方法的部分步骤示意图。
图6是本发明第二实施方式中第一具体实施例的部分步骤示意图。
图7是本发明第二实施方式中的第二具体实施例的部分步骤示意图。
图8是本发明第三实施方式中刹车片模态频率测量方法的部分步骤示意图。
图9是本发明一较优实施方式中刹车片模态频率测量方法的步骤原理示意图。
图10(a)是本发明一较优实施方式中的频率响应函数曲线示意图。
图10(b)是本发明一较优实施方式中的采用模态圆拟合方法得到的多个模态拟合圆示意图。
图10(c)是本发明一较优实施方式中的重新拟合产生的频率响应函数曲线和执行频域转换操作后产生的频率响应函数曲线对比示意图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
需要说明的是，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
随着现代科技的快速发展，用户对运输过程中车辆的制动系统提出了更高的要求，通过测量刹车片的模态频率，可分析刹车片在不同模态下的动态响应和振动特性，可便于在实际工作中优化刹车片的结构提供依据。故而，测试刹车片的模态频率具有较为重要的现实意义。
基于此，本发明提供一种刹车片模态频率测量方法，如图1所示，具体包括下述步骤：
步骤S1，获取若干次力锤锤击刹车片产生的锤击时域信号，对有效的锤击时域信号进行频域转换，得到对应的频率响应函数曲线；
步骤S2，根据所述频率响应函数曲线，采用模态圆拟合方法得到模态参数；
步骤S3，根据所述模态参数，重新拟合一条新频率响应函数曲线，并在更新后的频率响应函数曲线上识别最终模态频率。
如此，通过获取多次锤击时域信号，可以收集更加充分的模态数据，提高后续频域信号的完整性；再对有效的时域信号进行频域转换，可清晰地获得刹车片的频率响应函数；采用模态圆拟合方法提取模态参数，可以有效分离出各个模态，获得更准确的模态频率；根据模态参数重新拟合频率响应函数，可过滤噪声对识别结果的影响，提高测量结果的准确性和可靠性。
其中，所述模态参数表征刹车片的振动特性。所述模态是机械结构系统的固有振动特性，线性系统的自由振动被分解耦合为N个正交的单自由度振动系统，对应系统的N个模态。每一个模态具有特定的模态频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，计算或试验分析的过程称为模态分析。
在一种实施方式中，所述模态参数包括预估模态频率；在另一种实施方式中，所述模态参数包括预估模态幅值常数；在第三种实施方式中，所述模态参数包括预估阻尼比；在一种优选的实施方式中，可组合使用上述任意两种实施方式，或者是组合使用上述三种实施方式，可根据实际应用场景动态调整。
此外，所述锤击时域信号是使用力锤锤击刹车片时，所获得的时域波形信号。具体地，所述锤击时域信号包括力锤锤击刹车片产生的脉冲激励信号，以及与所述脉冲激励信号对应的激励响应信号。如此，通过采集激励信号和响应信号，可丰富时域信号信息，便于清楚地比较两者的对应关系，有利于分析刹车片的振动特性。
具体而言，时域表示信号波形按时间顺序采样获得，显示振动响应随时间变化的全过程。锤击是一种模态测试激励方式，通过力锤锤击刹车片激发其自由振动，可以通过使用力锤的压电传感器电压信号来表示力锤锤击刹车片时的脉冲激励信号；然后使用安装在刹车片上的减速度传感器的电压信号来量化刹车片对该激励的响应信号。优选地，选择带IEPE(Integral Electronic Piezoelectri，压电集成电路)的传感器，数据采集板也支持IEPE传感器的，所以在数据采集和处理过程中给，可以不需要专门的放大电路，使得产品携带方便、便捷性较好。
如图2所示，在一种实施方式中，在步骤S1获取锤击时域信号之前，需要先产生锤击时域信号，基于此，在步骤S1之前，所述刹车片模态频率测量方法可以包括如下步骤：
步骤S01，获取力锤锤击刹车片的控制参数；
步骤S02，根据所述控制参数，操作力锤锤击刹车片产生若干次所述锤击时域信号。
如此，通过参数化控制可按需选择不同部位、不同方向的锤击点，激发刹车片的各种振动模式，提高测试效率，获取更充分的时域信号，为后续的频域转换操作奠定基础。
其中，所述控制参数包括锤击次数、相邻两次锤击的时间间隔、力锤的转动角度至少其中之一。所述锤击次数是单位时间内力锤对刹车片的锤击的总次数，比如，每分钟锤击N次，锤击的次数越多，刹车片的形变就越充分。所述相邻两次锤击的时间间隔为力锤连续锤击刹车片的时间间隔，可以以秒表示，在本发明中，该时间间隔可以包括短间隔(比如0.1秒)和长间隔(比如1秒至3秒可设置)，当然，所述短间隔和所述长间隔可根据实际应用场景可动态调整大小。如此，可保证锤击刹车片后响应干脆且没有黏连，便于获取锤击时域信号。
此外，所述力锤的转动角度用于设置力锤在锤击刹车片时的力度。在一种实施方式中，所述力锤的转动角度包括力锤抬起的角度；在另一种实施方式中，所述力锤的转动角度包括力锤放下的角度；在一种优选的实施方式中，可组合使用上述两种实施方式，如此可精准地控制力锤锤击刹车片的力度。
基于此，在一种实施方式中，步骤S02可进一步的包括：
步骤S02’，根据所述控制参数，控制舵机操作力锤锤击刹车片产生若干次所述锤击时域信号。如此，通过使用舵机可按照设定的角度和速度操作力锤的转动，实现均匀锤击；此外，通过舵机可实现自动化锤击操作，可连续高效完成锤击过程，效率高、稳定性和可控性好。
具体地，在一种示例中，刹车片模态频率测量系统根据控制参数，生成舵机需要的串口信号，舵机接收并根据所述串口信号操作力锤按照需求锤击刹车片，其中，串口信号可以以报文的形式发送，在本发明中，所述串口信号可以包括力锤抬起的角度信号(比如，对应报文A)和力锤放下的角度信号(比如报文B)，两种报文之间按照所述相邻两次锤击的时间间隔进行发送，比如，A和B以0.1秒(即，短间隔)间隔时间发送一组交替报文后，又以1秒至3秒(即，长间隔)间隔时间后重新以0.1秒(即，短间隔)间隔时间发送一组交替报文，即“A-短间隔-B-短间隔-A-长间隔-A-短间隔-B-短间隔-A”。为了降低噪声信号的干扰，提高数据信号处理的效率，在执行时域频域转换操作之前，本发明提供了对每次锤击产生的时域信号进行筛选，以获得有效的锤击时域信号。
基于此，继续参照图2所示，在一种有效的实施方式中，本发明在步骤S1中所述“对有效的锤击时域信号进行频域转换，得到对应的频率响应函数曲线”部分之前，还可以包括如下步骤：
步骤S03，根据所述脉冲激励信号，判断对应于每次锤击时域信号的所述脉冲激励信号是否大于预设电压阈值；
若是，则跳转步骤S04，判定本次锤击产生的信号为有效的锤击时域信号。
如此，通过判断每次锤击时域信号是否有效，可提取有效的特征信号，去除无用的信息，减少后续的计算量，降低计算成本。
可选地，在一种实施方式中，可以统计有效的锤击时域信号总次数是否达到预设的阈值，若是，则存储所述有效的锤击时域信号，以便于获得足够多的数据信息，确保后续频域转换的准确性，同时，通过设定阈值可将长时间的时域信号分段存储，便于后续对历史数据的查询和处理。
如图3所示，在一种实施方式中，步骤S1中的所述“对有效的锤击时域信号进行频域转换，得到对应的频率响应函数曲线”部分可具体包括如下步骤：
步骤S11，采用快速傅里叶变换算法对所述有效的锤击时域信号执行时域频域转换操作，得到若干频域信号；
步骤S12，采用曲线拟合方法，分别对所述若干频域信号进行拟合，得到对应的若干拟合曲线；
步骤S13，计算所述若干拟合曲线上每个对应点的平均值，拟合得到所述频率响应函数曲线。
如此，通过快速傅里叶变换和曲线拟合可消除随机噪声的影响，使得频率响应函数更加平滑准确；最后再对多个频域信号曲线拟合取平均值，可提高频率响应函数的信噪比。因此，将信号处理和曲线拟合组合使用，可有效地获得频率响应特性，便于后续模态参数的计算和识别。
其中，所述快速傅里叶算法(Fast Fourier Transform，FFT)是一种利用计算机计算离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform，DFT)的高效、快速计算方法的统称。FFT通过将DFT矩阵分解为稀疏(大部分为零)因子的乘积来快速计算这种转换。所述离散傅里叶变换DFT是指傅里叶变换在时域和频域上都呈离散的形式，将信号的时域采样变换为其离散时间傅里叶变换的频域采样，如此可直观地获知频率信息。当然，本发明并不排斥其他的时域频域转换方法。
所述频率响应函数曲线可以用于描述机械结构(比如，刹车片)在不同频率的脉冲激励力下产生的响应幅值，亦即，它可以反映刹车片在不同频率的激励下产生的响应程度，是一种通过实际测量产生的频域信号数据。通过该曲线可以判断结构的共振频率、以及低频和高频处的响应情况，因此，在本发明中可用于评估刹车片在不同频率载荷下的动态特性，为后续计算模态参数奠定基础。
此外，当激励频率接近某个模态的模态频率时，刹车片的响应就会出现峰值，这表示该频率附近存在一个模态。所以频率响应函数曲线中的每个峰值都是某个模态出现的信号，通过分析峰值参数可确定对应的模态参数。
基于此，如图4所示，在一种实施方式中，当所述模态参数包括第一模态参数时，步骤S2可具体包括如下步骤：
步骤S21，提取对应于所述频率响应函数曲线中峰值点的位置信息，得到若干峰值点位置坐标；其中，所述若干峰值点包括第一峰值点；所述第一峰值点的位置信息为第一峰值点位置坐标；
步骤S22，根据所述第一峰值点位置坐标，选择并确定其附近的若干第一待拟合点的若干第一待拟合位置坐标；
步骤S23，在所述频率响应函数曲线的频域信号映射到复平面时，采用最小二乘法拟合圆方法，对所述若干第一待拟合位置坐标进行拟合计算，得到第一拟合模态圆；
步骤S24，根据所述第一拟合模态圆，计算得到所述第一模态参数；
步骤S25，迭代并计算对应于所有峰值点的所有模态参数。
如此，通过提取峰值点位置坐标以及附近的若干待拟合点，对每个模态进行单独拟合的，避免了整体拟合所带来的计算复杂性，整个计算方法自动化程度高、准确性好。
其中，所述待拟合位置坐标可以为所述待拟合点在所述频率响应函数曲线中对应频域信号的实部和虚部；所述若干待拟合点的位置坐标至少满足近似对称分布，换言之，选取的待拟合点在频域信号上大致对称分布，不能只在某一侧选择待拟合点；所述待拟合点可以理解为是峰值点附近的一组频率响应点。
此外，所述频率响应函数曲线包含多个峰值点，每个峰值点及其附近若干待拟合点都采用最小二乘法模态拟合圆方法进行模态圆拟合，可以得到多个模态圆和对应的多个模态参数。
所述最小二乘法圆拟合是一种数据拟合方法，它可以用来拟合一组数据点，使得这些数据点在圆上的误差最小，即找到一个圆使得找个圆与数据点的距离之和最小。当然，本发明并不排斥其他的拟合方法，本领域技术人员所做出的不脱离本发明构思的适应性修改，均包含于本发明的包含范围内。
可选地，为了进一步提高峰值提取的效率，可根据实际需求设定预设频率范围，只提取位于该预设频率范围内的峰值点，如此，可以简化后续计算量，消除无关的干扰，提高实用价值。
进一步地，在第一种实施方式中，当所述第一模态参数包括第一预估模态幅值常数时，对于步骤S24可具体包括：
步骤S2411，根据所述第一拟合模态圆，计算其对应的圆心位置坐标和半径，得到所述第一预估模态幅值常数。
如此，可直接从模态拟合圆的参数中提取预估模态幅值常数，计算方法简单直接、易实现，计算成本低。其中，步骤S2411可理解为是步骤S24的衍生步骤。
如图5所示，在第二种实施方式中，当所述第一模态参数包括第一预估模态频率时，本发明对于步骤S24提供了细化步骤，具体可以包括：
步骤S2421，根据第一预估模态幅值常数和对应的若干第一待拟合位置坐标，计算得到第一理论转角点的位置坐标；
步骤S2422，根据所述第一理论转角点的位置坐标，计算得到该位置坐标对应的第一理论转角度值；
步骤S2423，根据所述第一理论转角度值，计算得到所述第一预估模态频率。
如此，通过计算理论转角度可实现从位置坐标到模态频率的转换，降低计算难度；此外，整个过程实现了从模态拟合圆到模态频率的自动计算，自动化程度高、计算效率高、准确性好。
其中，在一种实施方式中，所述第一理论转角点为所述若干第一待拟合点中相位角与圆心的相位角最接近的待拟合点；在另一种实施方式中，所述第一理论转角点为所述若干第一待拟合点中角度变化率最大的待拟合点；在一种优选的实施方式中，可组合使用上述两种实施方式，具体根据实际需求自由选择。
此外，模态幅值常数是一个可以用于描述每个模态的幅值信息的参数，它可以表示在该模态下，结构的振动模式所对应的振幅大小，每个模态都有一个与之对应的模态幅值常数。模态幅值常数约到，表示该模态占主导地位的可能性就越大，对应的振动模式对总体振动有较大的贡献。
进一步地，如图6所示，在第一种具体实施例中，对于步骤S2421可具体包括如下步骤：
步骤S24211，根据所述第一预估模态幅值常数和所述对应的若干第一待拟合位置坐标，计算并确定第一最大转角点的位置坐标；
步骤S24212，根据所述第一最大转角点的位置坐标，计算得到所述第一理论转角点的位置坐标。
如此，通过预估模态幅值常数和若干待拟合点，计算得到理论转角点的位置坐标，为后续的预估模态频率提供依据，该计算方法简单、易实现。
其中，所述若干第一待拟合点包括相邻的第一样本点、第二样本点和第三样本点；当所述第二样本点满足条件：所述第一样本点与所述第二样本点的圆心角，以及所述第二样本点与所述第三样本点的圆心角之和是任意相邻三个样本点的圆心角之和的最大值时，确定所述第二样本点为所述第一最大转角点。
此外，所述第一理论转角点的位置坐标等于所述第一样本点的位置坐标和第三样本点的位置坐标的平均值。
如图7所示，在第二种具体实施例中，对于步骤S2422可具体包括如下步骤：
步骤S24221，获取所述第一峰值点在所述频率响应函数曲线中的第一实际频域信号值；
步骤S24222，根据所述第一理论转角度值，计算其对应的第一理论频域信号值；
步骤S24223，根据所述第一实际频域信号值和所述第一理论频域信号值，计算得到所第一述预估模态频率。
如此，通过实际的频率响应函数曲线获取实际的频域信号峰值点，为后续计算预估模态频率提供重要的参考依据。
其中，所述第一理论频域信号值为所述第一理论转角度值与2π的比值，该理论频域信号值可以通过模态拟合圆拟合计算得到的一种理论值；实际频域信号值是根据力锤锤击刹车片实际产生的时域信号，转换计算得到的实测值；所述第一预估模态频率等于所述第一实际频域信号值与所述第一理论频域信号值之和，可降低预估模态频率的误差。
此外，步骤S24211至步骤S24212，以及步骤S24221至步骤S24223可理解为是步骤S242或步骤S24的衍生步骤。
如图8所示，在第三种实施方式中，当所述第一模态参数包括第一预估阻尼比时，本发明对于步骤S24提供了细化步骤，具体可以包括：
步骤S2431，获取所述第一拟合模态圆中若干组第一对称待拟合点；
步骤S2432，分别根据每组第一对称待拟合点中的上对称点的位置坐标和下对称点的位置坐标，计算得到若干组圆心角；
步骤S2433，分别根据所述第一预估模态频率ω0、所述上圆心角θ1、所述下圆心角θ2，以及对应于每组第一对称待拟合点的上对称点模态频率ω1和下对称点模态频率ω2，计算得到若干组阻尼比；
步骤S2434，计算所述若干组阻尼比的平均值，得到所述第一预估阻尼比。
如此，通过使用对称点可消除和减少拟合误差，提高拟合精度；同时，通过计算每个对称点的圆心角，可准确地表征每个待拟合点的位置关系，提高阻尼性能评估的准确性。
其中，所述对称待拟合点包括复平面上横轴对称的上对称点和下对称点；所述上对称点模态频率ω1为所述上对称点在所述频率响应函数曲线上频域信号值；所述下对称点模态频率ω2为所述下对称点在所述频率响应函数曲线上频域信号值；每组圆心角包括对应于所述上对称点的上圆心角θ1和对应于所述下对称点的下圆心角θ2。
此外，阻尼比是一个物理量，可用来表示结构(比如刹车片)在受激振动的衰减形式，可用于描述振动系统的阻尼程度；所述阻尼是指在振动过程中，外部环境或材料内部摩擦及结构各部分之间机械咬合等引起的阻碍结构振动的力，随着阻尼力的增大，结构振动衰减速度越来越快。
进一步地，在一种实施例中，对于步骤S2433本发明提供了细化步骤，具体可以包括：
步骤S24331，分别根据所述第一预估模态频率ω0，所述上圆心角θ1和所述下圆心角θ2，计算得到若干组母式；其中，所述母式等于ω0 2(tan(θ1/2)+tan(θ2/2))；
步骤S24332，分别根据所述上对称点模态频率ω1和所述下对称点模态频率ω2，计算得到若干组子式；其中，所述子式等于(ω1 2-ω2 2)；
步骤S24333，分别根据每组子式和母式，计算得到对应的若干组阻尼比；其中，所述阻尼比等于所述子式和所述母式的比值。
如此，通过圆形拟合可消除工作频率附近的测量噪声的影响，避免了直接读取频率响应函数曲线中的峰值以确定模态频率时引入的误差，计算过程简单直观，计算量小，速度快。
其中，步骤S2411、步骤S2421至步骤S2423以及步骤S2431至步骤S2434可理解为是步骤S24的衍生步骤；步骤S2411可穿插执行在步骤S2421至步骤S2423之间，也可穿插执行在步骤S2431至步骤S2434之间；步骤S2421至步骤S2423整体与步骤S2431至步骤S2434整体并不存在先后执行顺序，可穿插执行。
需说明地，根据所述频率响应函数曲线，采用模态圆拟合方法可以得到多组模态参数，每组模态参数对应于该曲线上的一个峰值，换言之，每组模态参数都有一个与之对应的预估模态频率、预估模态幅值常数和预估阻尼比。因此，可综合考虑不同情况下的多组模态参数，重新拟合得到一个新的频率响应函数曲线，准确性更高、更可靠。
因此，在一种优选的实施方式中，对于步骤S3可具体包括：步骤S3’，根据所有的预估模态频率、预估模态幅值常数和预估阻尼比，采用模态重构法重新拟合产生所述新频率响应函数曲线。
如此，通过结合所有的模态参数重新拟合产生新的频率响应函数曲线，可充分考虑不同模态情况下刹车片的动态特性，再结合模态重构方法，减少计算量，降低计算成本，还可以提高精度。其中，步骤S3’可理解为是步骤S3的衍生步骤。
本发明还提供一种刹车片模态频率测量系统，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器通过调用所述存储器中存储的所述计算机程序，实现上述任意所述刹车片模态频率测量方法的步骤。
本发明提供的上述多种实施方式、实施例或具体示例之间可以相互进行组合，从而最终形成多个更优的实施方式。
举例而言，如图9、图10(a)、图10(b)和图10(c)示出了一种较优实施例下，刹车片模态频率方法的原理框图和频域转换操作产生的频率响应函数曲线、多个模态拟合圆、以及重新拟合产生的新频率响应函数曲线与频域转换操作产生的频率响应函数曲线的对比。其中，图10(c)中的虚线曲线对应于重新拟合产生的新频率响应函数曲线，实线曲线对应于执行频域转换操作后产生的频率响应函数曲线。下面将结合图9、图10(a)、图10(b)以及图10(c)，概括该较优实施例的处理过程。
首先，获取控制参数，根据控制参数控制舵机操作力锤按照控制参数设定的内容，多次锤击刹车片得到多个锤击时域信号，并从数据采集板卡里读取时域信号；同时判断每次产生的锤击时域信号是否有效，筛选得到有效的锤击时域信号；再对有效的锤击时域信号进行时域频域转换操作(比如，通过快速傅里叶变换方法)，得到多个频域信号，再对若干频域信号进行平均得到频率响应函数曲线。
其次，根据所述频率响应函数曲线，在预先设定的频率范围内提取多个峰值点，并针对每个峰值点提取其附近的若干待拟合点，通过采用最小二乘法拟合圆方法，拟合生成单个模态拟合圆，如此，可得到多个模态拟合圆，进而得到多组对应的模态参数。
最后，根据所述多组模态参数，重新拟合产生一条新的频率响应函数曲线，并在更新后的频率响应函数曲线上识别得到最终的模态频率。
综上所述，本发明通过获取多次锤击时域信号，可以收集更加充分的模态数据，提高后续频域信号的完整性；再对每次锤击时域信号进行判断筛选，得到有效的时域信号，同时对有效的时域信号进行频域转换，可提取有用的信息，过滤噪声信号，减少后续拟合过程的计算量，可清晰地获得刹车片的频率响应函数。此外，通过采用模态圆拟合方法分别提取多组模态参数，可以有效分离出各个模态，获得更准确的模态频率；根据多组模态参数重新拟合频率响应函数，可有效消除或过滤测试过程中引入的噪声信号，获得更加清晰的模态信息，提高最终模态频率测量的准确率和可靠性。再者，通过融合时域信号采集、模态参数预估和频率响应函数优化为一整体，以完成数据的自动分析与处理，不需依赖人工经验判断，降低对测试人员的技术要求，也降低了测试和处理时间，减少了人力成本。
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，各实施方式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。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种刹车片模态频率测量方法，其特征在于，包括：
获取若干次力锤锤击刹车片产生的锤击时域信号，对有效的锤击时域信号进行频域转换，得到对应的频率响应函数曲线；
根据所述频率响应函数曲线，采用模态圆拟合方法得到模态参数；其中，所述模态参数表征刹车片的振动特性；
根据所述模态参数，重新拟合一条新频率响应函数曲线，并在更新后的频率响应函数曲线上识别最终模态频率。
2.根据权利要求1所述刹车片模态频率测量方法，其特征在于，所述锤击时域信号包括力锤锤击刹车片产生的脉冲激励信号，以及与所述脉冲激励信号对应的激励响应信号。
3.根据权利要求1所述刹车片模态频率测量方法，其特征在于，所述模态参数包括预估模态频率、预估模态幅值常数和预估阻尼比至少其中之一。
4.根据权利要求1所述刹车片模态频率测量方法，其特征在于，在所述“获取若干次力锤锤击刹车片产生的锤击时域信号”之前，所述方法还包括：
获取力锤锤击刹车片的控制参数；其中，所述控制参数包括锤击次数、相邻两次锤击的时间间隔、力锤的转动角度至少其中之一；
根据所述控制参数，操作力锤锤击刹车片产生若干次所述锤击时域信号。
5.根据权利要求4所述刹车片模态频率测量方法，其特征在于，所述力锤的转动角度用于设置力锤在锤击刹车片时的力度；所述力锤的转动角度包括力锤抬起的角度和力锤放下的角度至少其中之一；所述“根据所述控制参数，操作力锤锤击刹车片产生若干次所述锤击时域信号”具体包括：
根据所述控制参数，控制舵机操作力锤锤击刹车片产生若干次所述锤击时域信号。
6.根据权利要求1所述刹车片模态频率测量方法，其特征在于，所述锤击时域信号包括脉冲激励信号；在所述“对有效的锤击时域信号进行频域转换，得到对应的频率响应函数曲线”之前，所述方法还包括：
根据所述脉冲激励信号，判断对应于每次锤击时域信号的所述脉冲激励信号是否大于预设电压阈值；
若是，则判定本次锤击产生的信号为有效的锤击时域信号。
7.根据权利要求1所述刹车片模态频率测量方法，其特征在于，所述“对有效的锤击时域信号进行频域转换，得到对应的频率响应函数曲线”具体包括：
采用快速傅里叶变换算法对所述有效的锤击时域信号执行时域频域转换操作，得到若干频域信号；
采用曲线拟合方法，分别对所述若干频域信号进行拟合，得到对应的若干拟合曲线；
计算所述若干拟合曲线上每个对应点的平均值，拟合得到所述频率响应函数曲线。
8.根据权利要求1所述的刹车片模态频率测量方法，其特征在于，所述模态参数包括第一模态参数；所述“根据所述频率响应函数曲线，采用模态圆拟合方法得到模态参数”具体包括：
提取对应于所述频率响应函数曲线中峰值点的位置信息，得到若干峰值点位置坐标；其中，所述若干峰值点包括第一峰值点；所述第一峰值点的位置信息为第一峰值点位置坐标；
根据所述第一峰值点位置坐标，选择并确定其附近的若干第一待拟合点的若干第一待拟合位置坐标；
在所述频率响应函数曲线的频域信号映射到复平面时，采用最小二乘法拟合圆方法，对所述若干第一待拟合位置坐标进行拟合计算，得到第一拟合模态圆；
根据所述第一拟合模态圆，计算得到所述第一模态参数；
迭代并计算对应于所有峰值点的所有模态参数；
其中，所述待拟合位置坐标为：所述待拟合点在所述频率响应函数曲线中对应频域信号的实部和虚部；所述若干待拟合点的位置坐标至少满足近似对称分布。
9.根据权利要求8所述的刹车片模态频率测量方法，其特征在于，所述第一模态参数包括第一预估模态幅值常数；所述“根据所述第一拟合模态圆，计算得到所述第一模态参数”具体包括：
根据所述第一拟合模态圆，计算其对应的圆心位置坐标和半径，得到所述第一预估模态幅值常数。
10.根据权利要求8所述的刹车片模态频率测量方法，其特征在于，所述第一模态参数包括第一预估模态频率；所述“根据所述第一拟合模态圆，计算得到所述第一模态参数”具体包括：
根据第一预估模态幅值常数和对应的若干第一待拟合位置坐标，计算得到第一理论转角点的位置坐标；其中，所述第一理论转角点为所述若干第一待拟合点中相位角与圆心的相位角最接近的待拟合点，或者是所述若干第一待拟合点中角度变化率最大的待拟合点；
根据所述第一理论转角点的位置坐标，计算得到该位置坐标对应的第一理论转角度值；
根据所述第一理论转角度值，计算得到所述第一预估模态频率。
11.根据权利要求10所述的刹车片模态频率测量方法，其特征在于，所述“根据第一预估模态幅值常数和对应的若干第一待拟合位置坐标，计算得到第一理论转角点的位置坐标”具体包括：
根据所述第一预估模态幅值常数和所述对应的若干第一待拟合位置坐标，计算并确定第一最大转角点的位置坐标；其中，所述若干第一待拟合点包括相邻的第一样本点、第二样本点和第三样本点；当所述第二样本点满足条件：所述第一样本点与所述第二样本点的圆心角，以及所述第二样本点与所述第三样本点的圆心角之和是任意相邻三个样本点的圆心角之和的最大值时，确定所述第二样本点为所述第一最大转角点；
根据所述第一最大转角点的位置坐标，计算得到所述第一理论转角点的位置坐标；其中，所述第一理论转角点的位置坐标等于所述第一样本点的位置坐标和第三样本点的位置坐标的平均值。
12.根据权利要求10所述的刹车片模态频率测量方法，其特征在于，所述“根据所述第一理论转角度值，计算得到所述第一预估模态频率”具体包括：
获取所述第一峰值点在所述频率响应函数曲线中的第一实际频域信号值；
根据所述第一理论转角度值，计算其对应的第一理论频域信号值；其中，所述第一理论频域信号值为所述第一理论转角度值与2π的比值；
根据所述第一实际频域信号值和所述第一理论频域信号值，计算得到所第一述预估模态频率；其中，所述第一预估模态频率等于所述第一实际频域信号值与所述第一理论频域信号值之和。
13.根据权利要求8所述的刹车片模态频率测量方法，其特征在于，所述第一模态参数包括第一预估阻尼比；所述“根据所述第一拟合模态圆，计算得到所述第一模态参数”具体包括：
获取所述第一拟合模态圆中若干组第一对称待拟合点；其中，所述第一对称待拟合点包括复平面上横轴对称的上对称点和下对称点；
分别根据每组第一对称待拟合点中的上对称点的位置坐标和下对称点的位置坐标，计算得到若干组圆心角；其中，每组圆心角包括对应于所述上对称点的上圆心角θ1和对应于所述下对称点的下圆心角θ2；
分别根据所述第一预估模态频率ω0、所述上圆心角θ1、所述下圆心角θ2，以及对应于每组第一对称待拟合点的上对称点模态频率ω1和下对称点模态频率ω2，计算得到若干组阻尼比；其中，所述上对称点模态频率ω1为所述上对称点在所述频率响应函数曲线上频域信号值；所述下对称点模态频率为所述下对称点在所述频率响应函数曲线上频域信号值；
计算所述若干组阻尼比的平均值，得到所述第一预估阻尼比。
14.根据权利要求13所述的刹车片模态频率测量方法，其特征在于，所述“分别根据所述第一预估模态频率ω0、所述上圆心角θ1、所述下圆心角θ2，以及对应于每组第一对称待拟合点的上对称点模态频率ω1和下对称点模态频率ω2，计算得到若干组阻尼比”具体包括：
分别根据所述第一预估模态频率ω0，所述上圆心角θ1和所述下圆心角θ2，计算得到若干组母式；其中，所述母式等于ω0 2(tan(θ1/2)+tan(θ2/2))；
分别根据所述上对称点模态频率ω1和所述下对称点模态频率ω2，计算得到若干组子式；其中，所述子式等于(ω1 2-ω2 2)；
分别根据每组子式和母式，计算得到对应的若干组阻尼比；其中，所述阻尼比等于所述子式和所述母式的比值。
15.根据权利要求1所述的刹车片模态频率测量方法，其特征在于，所述“根据所述模态参数，重新拟合一条新频率响应函数曲线”具体包括
根据所有的预估模态频率、预估模态幅值常数和预估阻尼比，采用模态重构法重新拟合产生所述新频率响应函数曲线。
16.一种刹车片模态频率测量系统，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器通过调用所述存储器中存储的所述计算机程序，执行如权利要求1-15任意一项所述刹车片模态频率测量方法的步骤。
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