CN1955750A - 真空电子器件的模态验证方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种真空电子器件的模态验证方法包括如下步骤：(1)将被测真空电子器件夹紧并固定；(2)对被测真空电子器件实施激励；(3)将被测真空电子器件因激励而产生的物理量转换成电信号；(4)将所述电信号放大或衰减后进行分析处理得到被测真空电子器件的模态参数；(5)将所述的被测真空电子器件的模态参数与通过计算机仿真方法得到的模态参数进行验证。本发明用于检测微型结构电子产品的模态参数，掌握其结构的动力特性，检验其抗振性能，解决了真空电子器件微型结构内部模态验证这一难题，实际模态试验得到了理想的数据结果，能使模拟计算结果得到较好的验证。

Description

真空电子器件的模态验证方法及系统

技术领域

本发明涉及产品的模态验证技术，尤其涉及一种真空电子器件的模态验证方法及系统。

背景技术

真空电子器件是当代国防科技、信息系统以及人民日常工作中广泛使用地一类最重要的电子器件之一。为了验证真空电子产品的抗振性能，需要对真空电子产品进行振动试验，而模态试验又是其他振动试验分析的基础，模态试验中检测到产品的模态参数(固有频率和振型)是承受动态载荷结构设计中的重要参数。

由于真空电子器件是一种国防装备用电子元器件，国外公开的相关研究报道很少。欧洲航天局于1997年发布的行波管设计导则中在力学设计的要求方面唯一明确指出的就是必须进行振动载荷下的机械/力学分析；美国国防部发起的MMACE计划(毫米波/微波真空电子器件的先进计算环境)中也将振动载荷下的动力学分析列为主要研究内容。遗憾的是，具体的动力学模态试验及其验证技术的研究内容无法获取。

目前国内的模态试验仅是针对一些大型机械结构，如飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑等，真空电子器件的结构一般是比较复杂的微型结构，并且其密封特性也使得内部的模态参数无法通过成品直接检测。目前国内一些单位也仅通过计算机模拟仿真的方法得到真空电子器件微型结构内部的模态参数，并没有一套完整的模态验证系统来验证其模拟结果的准确性，而且国内对于真空电子产品的振动特性的模拟仿真研究还不成熟，所以没有试验验证的模拟分析是难以令人信服的。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种真空电子器件的模态验证方法及系统，用于检测微型结构电子产品的模态参数，掌握其结构的动力特性，检验其抗振性能，解决了真空电子器件微型结构内部模态验证这一难题，实际模态试验得到了理想的数据结果，能使模拟计算结果得到较好的验证。

为了实现上述目的，本发明真空电子器件的模态验证方法的技术方案为：一种真空电子器件的模态验证方法，它包括如下步骤：

(1)将被测真空电子器件夹紧并固定；

(2)对被测真空电子器件实施激励；

(3)将被测真空电子器件因激励而产生的物理量转换成电信号；

(4)将所述电信号放大或衰减后进行分析处理得到被测真空电子器件的模态参数；

(5)将所述的被测真空电子器件的模态参数与通过计算机仿真方法得到的模态参数进行验证。

上述方法还进一步包括：

在步骤(2)中，将被测真空电子器件划分为两个或两个以上区域，分别单独对各个区域进行激励；因此还进一步包括步骤(6)，在步骤(6)中，再将各个区域组合成整体模型计算模态。

在步骤(1)中，被测真空电子器件的夹紧并与固定是由一半月形卡槽式防振夹具来实现，该半月形卡槽式防振夹具采用铝合金材料制成，其各个组成部件之间的联接为螺纹联接。

在步骤(2)中，采用锤击法来实现对被测真空电子器件的激励。

在被测真空电子器件的纵向和横向上分别用力锤进行多点激振。

在步骤(3)中，利用微型的压电式传感器将力和响应加速度变换成电信号，用蜡将该压电式传感器牢牢粘贴在被测真空电子器件的测点上。

在步骤(5)中，所述的分析处理过程是由计算机根据该电信号实时显示锤击频响曲线，并通过多次叠加平均计算出每个测振点的传递函数、自功率谱、互功率谱、相干函数和傅立叶谱。

同时，本发明真空电子器件的模态验证系统的技术方案为：一种真空电子器件的模态验证系统，它包括被测真空电子器件，它还包括激励部分、测量部分和信号处理部分；所述的激励部分包括振动台、夹具和激振器，夹具夹紧被测真空电子器件后放置在振动台上，由激振器完成对被测真空电子器件的激励；所述的测量部分包括传感器、加速度计、第一电荷放大器和第二电荷放大器，传感器为微型的压电式传感器并被用蜡牢牢粘贴在被测真空电子器件的测点上，第一电荷放大器与传感器连接，加速度计被放在振动台上与第二电荷放大器；所述的信号处理部分包括计算机系统，该计算机系统分别与第一、第二电荷放大器连接。

所述的夹具为半月形卡槽式防振夹具，它采用铝合金材料制成，其各个组成部件之间的联接为螺纹联接。

所述的激振器为力锤。

本发明的有益效果：采用了一套完整的真空电子器件的模态验证方法及系统，用于检测微型结构电子产品的模态参数，掌握其结构的动力特性，检验其抗振性能。

由于真空电子器件整体难以探测内部模态，所以采用分解部件方法，由部分到整体的验证思路，局部模态验证与整体模型验证相结合的方法，对真空电子器件微型内部结构进行模态试验，提取其模态参数。

采用了专门设计的半月形卡槽式试验夹具，与试品连接时能很好的锁住试品的约束位置，避免了夹具与试品间出现振动位移；采用具有较高刚性质量比和高阻尼铝合金材料；采用尽可能多的螺纹连接以保证夹具各部件刚性连接，消除试品的自激振荡；所有接触面达到所需的平整度以保证良好的机械接触。所设计的夹具能将振动台所产生的应力如实地传给试品，并且确保在样品的固定点上满足规范要求。

采用微小质量的压电式传感器进行检测，它具有工作频带宽体积小、重量轻、安装方便等优异的特点，解决了由于真空电子器件微型结构内部不易安装传感器的问题。压电式传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。

附图说明

图1是本发明的模态验证系统框图。

图2是本发明的电子枪锤击振动测试原理框图。

图3是本发明的电子枪振动试验横向测点布置图。

图4是本发明的电子枪振动试验轴向测点布置图。

图5是本发明的电子枪一阶振型(横向)图(f＝1188Hz)。

图6是本发明的电子枪二阶振型(横向)图(f＝1353Hz)。

图7是本发明的电子枪三阶振型(轴向)图(f＝1871Hz)。

具体实施方式

本实施方式的真空电子器件的模态验证方法包括如下步骤：

(1)将被测真空电子器件夹紧并固定。被测真空电子器件的夹紧并与固定是由一半月形卡槽式防振夹具来实现，该半月形卡槽式防振夹具采用铝合金材料制成，其各个组成部件之间的联接为螺纹联接。

(2)对被测真空电子器件实施激励。将被测真空电子器件划分为两个或两个以上区域，分别单独对各个区域采用锤击法来实现对被测真空电子器件的激励，并且是在纵向和横向上分别用力锤进行多点激振。

(3)将被测真空电子器件因激励而产生的物理量转换成电信号。利用微型的压电式传感器将力和响应加速度变换成电信号，用蜡将该压电式传感器牢牢粘贴在被测真空电子器件的测点上。

(4)将电信号放大或衰减后进行分析处理得到被测真空电子器件的模态参数；

(5)分别将被测真空电子器件的各个区域的模态参数与通过计算机仿真方法得到的模态参数进行验证。所述的分析处理过程是由计算机根据该电信号实时显示锤击频响曲线，并通过多次叠加平均计算出每个测振点的传递函数、自功率谱、互功率谱、相干函数和傅立叶谱。

(6)再将被测真空电子器件各个区域组合成整体模型计算模态。

本方法的原理如下：

通常用有限元的方法研究复杂系统的动态特性，由于采用了一系列人为的假设与边界条件，其结果往往与实际情况不相一致，真空电子器件的结构是一个极为复杂且密封的微型机械结构，试验模态法不能探测到所有的模态参数，特别是探测器无法接触的内部结构模态，因此对电真空器件内部结构而言，需要采用计算模拟与试验探测相结合的模态分析方法。

在模态试验中，由于真空电子器件整体难以探测内部模态，所以采用分解部件方法，由部分到整体的验证思路，局部模态验证与整体模型验证相结合的方法，对真空电子器件微型内部结构进行模态试验，提取其模态参数。

试验模态法是直接测量系统固有频率和振型的一种试验方法，它通过同时测量系统的输入信号和输出信号，根据试验测得的传递函数曲线，进行曲线拟合，从而计算固有频率、模态刚度、模态质量等。

在实际结构或模型振动试验中，得出结构的自振频率是许多试验的目的，用锤击法测出结构的自振频率是一种比较经济、理想的测振方法，这种方法可实现多点激振(用力锤对多点敲击)和单点响应(一只加速度计)，在计算机上实时显示锤击频响曲线，通过多次叠加平均计算出每个锤击测振点的传递函数、自功率谱、互功率谱、相干函数和傅立叶谱。

请参阅图1，实现上述方法的系统包括样品(被测真空电子器件)，它还包括激励部分、测量部分和信号处理部分。所述的激励部分包括振动台、测试夹具和力锤(激振器)，测试夹具夹紧被测真空电子器件后放置在振动台上，由激力锤完成对被测真空电子器件的激励；所述的测量部分包括传感器、加速度计(图中未示出)、第一电荷放大器和第二电荷放大器，其功能是把被测量(力和响应加速度)通过传感器变换成电信号，然后经电荷放大器或衰减后，进入FFT分析仪或模态分析专用处理系统进行处理，传感器为微型的压电式传感器并被用蜡牢牢粘贴在被测真空电子器件的测点上，第一电荷放大器与传感器连接，加速度计被放在振动台上与第二电荷放大器；所述的信号处理部分包括分析仪及微机(软件包)、打印机等外围设备，分析仪的作用是测量和分析由传感器所产生的信号，直至获取传递函数数据，它是以快速傅立叶变换(FFT)技术为核心的数字信号分析系统，分析仪与第一电荷放大器连接，微机与第二电荷放大器连接。所述的测试夹具是一种为电子枪这种微型电子产品振动试验专门设计的试验夹具。采用刚性好、重量低、具有较高的刚性质量比和高阻尼特性的铝合金材料；夹具中单个部件用整块材料加工而成，部件间用尽可能多的螺纹连接以保证夹具各部件刚性连接，消除夹具的自激振荡；所有接触面达到所需的平整度以保证良好的机械接触。真空电子器件微型结构，尺寸小结构复杂质量小，在扫频振动试验和随机振动试验中的共振探测困难，为了使尽量使传感器的贴置不影响试品本身的模态，需要采用微小体积和质量传感器进行检测。在此模态验证系统中采用ENDEVCO22型压电式传感器，重量仅0.14g，它具有重量轻、体积小和频率范围宽等优点。测点选择在振动模型的典型位置，对于轴对称结构的试品可选择对称的测点同时检测。由于此类产品的试验振动强度不大、传感器非常轻，故采用蜡将这种传感器牢牢的贴在试件的测点上，即可以最大限度的不增加传感器质量，又可以保证传感器的应变与被测试件的应变相等。

下面的实例是对一种真空电子器件-行波管中电子枪模型进行的模态验证：

请参阅图2，为了寻找电子枪打火的原因，以及掌握其结构的动力特性，对电子枪样品进行锤击振动试验，通过分析获得电子枪样品的固有频率、模态振型和模态阻尼比，以验证模拟仿真计算结果。

因为整个电子枪结构比较复杂，一次完成整体建模其内部的模态无法检测到，为了能把电子枪所有代表位置点的模态都能验证，所以将电子枪整体分解为外筒零件(1#)和内阴极零件(2#)，分别单独验证验证1#和2#模态，模拟计算的结果与试验验证结果符合后，再将这两部分组合成整体模型计算模态，保证了计算的正确性。

测试的布点图如图3和图4所示，箭头的方向表示振动的测量方向，其中纵向振动的测量位置为实测点的投影位置。型号为Endevco22的微型传感器用特殊的蜡粘在样品上。采样频率为10KHz，每次测试每通道采样300×512个数。这种方法实现多点激振(用力锤对多点敲击)和单点响应(一只加速度计)，在计算机上实时显示锤击频响曲线，通过多次叠加平均计算出每个锤击测振点的传递函数、自功率谱、互功率谱、相干函数和傅立叶谱。

电子枪整体由于界面的对称性特点，横向振动与纵向振动所测得的模态频率是相同的。从各测点的横向、轴向的测试结果，做出电子枪模型的模态振型示意图。

表1列出了模型模态分析的参数结果，相应的部分的振型如图5、图6和图7所示

                                 表1

阶次	频率	振型	阻尼比
				一阶(横向)	1188Hz	枪体同向横向振动，阴极振幅比聚焦极振幅大30％，有导致阴-栅间距减小的可能；横向和纵向对称	1.3％
二阶(横向)	1353Hz	枪体内筒与外筒反向横向振动，阴极与聚焦极同步，但阴极振幅比聚焦极振幅大10％，有导致阴-栅间距减小的可能；横向和纵向对称	0.9％
				三阶(轴向)	1871Hz	枪体同向轴向振动，阴极轴向振幅比聚焦极振幅大30％，有导致阴-栅间距减小的可能。	1.4％

这些结果足以说明在电子枪模态频率附近，如果遇上较大的振动激励，则系统将发生强烈的共振，导致电子枪内部阴栅之间出现打火。

 做电子枪这样的复杂的微型结构模型的模态试验比较难做，本专利介绍的真空电子器件微型结构模态验证方法解决了这一难题，实际模态试验得到了理想的数据结果，能使模拟计算结果得到较好的验证。

通过对真空电子器件内部微型结构的模态参数的测试，提取其固有频率和模态振型，可以掌握其振动特性，检验其抗振性能，有利于进一步提高其可靠性。带来的有益效果体现在两个方面：一方面用于检测微型结构电子产品的模态参数，掌握其结构的动力特性，检验其抗振性能，填补国内空白；另一方面真空电子器件微型结构模态验证系统的建立有利于提高国内此类产品动力学模态分析方法，有利于微型电子产品可靠性环境试验的发展。

Claims (10)

1、一种真空电子器件的模态验证方法，其特征在于，它包括如下步骤：

(1)将被测真空电子器件夹紧并固定；

(2)对被测真空电子器件实施激励；

(3)将被测真空电子器件因激励而产生的物理量转换成电信号；

(4)将所述电信号放大或衰减后进行分析处理得到被测真空电子器件的模态参数；

(5)将所述的被测真空电子器件的模态参数与通过计算机仿真方法得到的模态参数进行验证。

2、如权利要求1所述的真空电子器件的模态验证方法，其特征在于：在步骤(2)中，将被测真空电子器件划分为两个或两个以上区域，分别单独对各个区域进行激励；因此还进一步包括步骤(6)，在步骤(6)中，再将各个区域组合成整体模型计算模态。

3、如权利要求1或2所述的真空电子器件的模态验证方法，其特征在于，在步骤(1)中，被测真空电子器件的夹紧并与固定是由一半月形卡槽式防振夹具来实现，该半月形卡槽式防振夹具采用铝合金材料制成，其各个组成部件之间的联接为螺纹联接。

4、如权利要求1或2所述的真空电子器件的模态验证方法，其特征在于，在步骤(2)中，采用锤击法来实现对被测真空电子器件的激励。

5、如权利要求4所述的真空电子器件的模态验证方法，其特征在于，在被测真空电子器件的纵向和横向上分别用力锤进行多点激振。

6、如权利要求1或2所述的真空电子器件的模态验证方法，其特征在于，在步骤(3)中，利用微型的压电式传感器将力和响应加速度变换成电信号，用蜡将该压电式传感器牢牢粘贴在被测真空电子器件的测点上。

7、如权利要求4所述的真空电子器件的模态验证方法，其特征在于，在步骤(5)中，所述的分析处理过程是由计算机根据该电信号实时显示锤击频响曲线，并通过多次叠加平均计算出每个测振点的传递函数、自功率谱、互功率谱、相干函数和傅立叶谱。

8、一种真空电子器件的模态验证系统，它包括被测真空电子器件，其特征在于：它还包括激励部分、测量部分和信号处理部分；所述的激励部分包括振动台、夹具和激振器，夹具夹紧被测真空电子器件后放置在振动台上，由激振器完成对被测真空电子器件的激励；所述的测量部分包括传感器、加速度计、第一电荷放大器和第二电荷放大器，传感器为微型的压电式传感器并被用蜡牢牢粘贴在被测真空电子器件的测点上，第一电荷放大器与传感器连接，加速度计被放在振动台上与第二电荷放大器；所述的信号处理部分包括计算机系统，该计算机系统分别与第一、第二电荷放大器连接。

9、如权利要求8所述的真空电子器件的模态验证系统，其特征在于：所述的夹具为半月形卡槽式防振夹具，它采用铝合金材料制成，其各个组成部件之间的联接为螺纹联接。

10、如权利要求8所述的真空电子器件的模态验证系统，其特征在于：所述的激振器为力锤。

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