CN201408105Y - 分时快速稳态正弦扫频激振频响函数测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种分时快速稳态正弦扫频激振频响函数测量系统及方法，属于振动测试技术领域。本实用新型中的激振系统采用激振器、功率放大器。采用力传感器和振动传感器同时测量系统的激励力信号和振动响应信号。采用电荷放大器对信号进行调理滤波。数据采集系统通过高性能屏蔽电缆将数据采集卡和接线端子相连，连接通用计算机进行数据采集、发送。扫频信号的发生、激励响应信号的数据处理分析保存显示采用基于通用计算机的软件程序实现。本实用新型实现了快速稳态正弦扫频激振，激励响应信号整周期采样，得出的频响函数曲线精确可靠。该测试系统由计算机程序引导自动完成，测试方法严谨可靠，对于结构部件的动态性能测试具有重要的意义。

Description

分时快速稳态正弦扫频激振频响函数测量系统

技术领域

本实用新型涉及一种分时快速稳态正弦扫频激振频响函数测量系统，属于振动测试技术领域。

背景技术

一个振动系统的动态特性，可以用频响函数来描述。设作用于振动系统的激励信号为输入函数x(t)，输出函数y(t)是振动系统对激励的响应信号，则频响函数是：

$H\left(f\right)=\frac{Y\left(f\right)}{X\left(f\right)}---\left(1\right)$

式中：X(f)——输入函数x(t)的傅立叶变换；

      Y(f)——输出函数y(t)的傅立叶变换；

振动系统的频响函数H(f)由该系统的本身特性所决定。因此只要测量得到系统的激励和响应，就可以得到系统的频响函数，通过频响函数H(f)得到振动系统的特性。所以关键问题之一就是获得准确的频率响应函数数据，只有在此基础上，才能准确的研究系统的动态特性，因此可靠高效的频域振动测试技术成为重中之重。

一个振动系统具有三要素：系统特性(包括描述其特性的各种参数)、激励与响应。如果已知激励与响应，而欲求系统的特性与参数，这类问题称为振动系统的测试、辨识与建模。振动测试一般有三个基本环节：激励、测量和分析。即以某种激振力作用在被测振动系统上，使其产生响应；测量激振力和响应，得到频响函数H(f)进而确定系统的动态特性，如自然频率、模态向量、阻尼、刚度和质量等参数。激振方式有多种如正弦激励、随机激励、瞬态激励等，相应的有不同的测试系统及分析方法。

目前频响函数测试技术正沿着两种技术路线发展，一是单点激励多点测量或一点测量技术，另一条路线是多点激励多点测量技术。后者要求配备复杂昂贵的仪器设备，测试周期也比较长，目前尚未得到广泛应用。而单点激励频响函数测试技术几乎适用于一切振动领域，成为目前世界上广泛应用的技术。按激励力性质的不同，频响函数测试分为稳态正弦激励、随机激励及瞬态激励三类。

稳态正弦激振测试技术是最基本的也是传统的测试方法，它是在选定的振动坐标和所需要的频段范围内，首先对测试的结构施加一定量的简谐激振力测出激振力和响应信号以及两者的相位差，然后缓慢的改变激振频率，将力信号和响应信号做数据处理后，求得对应于各激振频率下的频响函数的数据。

稳态正弦激振有多个优点，例如能在特定频率上输入比较大的振动能量。由于正弦激振时，在某一瞬间仅以单一频率的力激励试件，所以激励能量比较集中。此外激励力容易控制，根据选择的激振器不同，可得到小于10N以下，大至数万N的激振力，并且便于控制，信噪比比较高。

但是，稳态正弦扫描激振一个比较大的缺点是试验需要很长的时间，这对于不稳定系统，更会给试验带来困难并使精度降低。

随机激振测试技术是广泛采用的一种宽带激振方法，其效果相当于将频带内具有各种频率成分的激振力同时作用在结构上，结构的响应是各频率分量同时作用的结果。随机信号有纯随机、伪随机及周期随机信号三种。

纯随机信号无周期性，每个样本彼此不同，故用纯随机信号激励试件进行振动测试时，可通过总体平均消除实验中的非线性畸变和噪声随机误差影响，提高测试精度。缺点是由于信号的非周期性，在处理时会产生大的泄漏误差。

伪随机激励信号是周期性的随机信号，由计算机或伪随机信号发生器产生，通过模数转换器，每经过一个周期输出同样的信号。由于伪随机信号的周期性，当截断长度正好等于伪随机信号的周期时，在测量窗中所取得的信号正好是一个完整周期，因而在随后的傅立叶变换中则可避免功率泄漏。但是这种信号与正弦扫描法一样，由于信号是周期性的，因此不能用总体平均来消除非线性及畸变的影响。

周期随机信号激励，综合了纯随机和伪随机信号激励的优点，而避免了它们的缺点。它也是一种伪随机信号，但第一个伪随机信号在持续几个周期后即被第二个不相关的伪随机信号所代替，再经过几个周期后又被另一个不相关的伪随机信号所代替。振动测试时，在一个伪随机信号内完成一次测量。周期随机信号的优点是消除了功率泄漏，可用总体平均来消除非线性等影响，缺点是测试时间稍长于上述两种随机测试法。

总的来说，随机激振技术抗噪声能力比较强，信噪比优于瞬态激振但不如正弦激振技术，其测试时间介于两者之间。

瞬态激振测试技术目前常用的有脉冲激振，快速正弦扫频激振和阶跃松驰激励。

脉冲激振是一种宽频带激振技术，力的频谱较宽，一次激振可以同时激出多阶模态，因此脉冲激振是一种快速测试技术，其所需测试时间是正弦激振测试的百分之一。它的测试设备简单，灵活性大，特别适用于现场试验。其缺点是测试精度不及正弦激振法和随机激振法高，着力点位置、力的大小、力的方向的控制需要熟练的操作技巧和经验，否则会产生很大的随机误差。

快速正弦扫频激振也是目前流行的一种瞬态激振方法，这种测试方法是使正弦激励信号在所需的频率范围内作快速扫描(在数秒钟内完成)，激振信号频率在扫描周期T内成线性增加，而幅值保持恒定，从而能达到宽频带激励的目的。

阶跃松驰激励技术的激振力满足阶跃松弛函数，其导数是脉冲函数，引起的响应的导数是脉冲响应函数，所以这种方法也是一种宽频带激励方法。在实际应用中，常常是用一根刚度很大质量很轻的张力弦通过力传感器对系统预加载，然后突然切断张力弦。

瞬态激振方法的优点是迅速省时，实验设备比较简单，但其激振能量分散在较宽的频率范围内，因而对于有的模态可能存在激励能量不足，信噪比低而测试精度不高的问题。

综上所述，稳态正弦激振精度最高，但所用时间最长；瞬态激振用时最短，但精度不足；随机激振这两个指标则介于两者之间。因此研制精度高，用时短，设备简单的振动测试系统，对于解决结构动力学的第一类逆问题——振动系统参数识别具有重要的现实意义。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有振动测试系统精度、效率、设备三者不能兼具的缺点，提出了一种新的振动测试方法——分时快速稳态正弦扫频激振频响函数测量技术，并研制了分时快速稳态正弦扫频激振频响函数测量测试系统。该技术实现了快速稳态正弦扫频激振，激励响应信号整周期采样，得出的频响函数曲线精确可靠。该系统采用通用设备，仪器简单，安装方便，大大提高了振动测试效率。

为了实现上述目的，本实用新型采取了如下技术方案：本系统包括PC机、安装在PC机上的数据采集卡、以及功率放大器、电荷放大器、激振器、用于测量激励力信号的力传感器和用于测量振动响应信号的振动传感器。激振器、力传感器和振动传感器均安装在被测结构件上。数据采集卡通过接线端子与功率放大器的输入端相连，功率放大器的输出端与激振器相连，PC机发出的扫描信号经过功率放大器调理后驱动激振器激振。力传感器信号和振动传感器信号的输出端与电荷放大器的输入端相连，电荷放大器的输出端通过接线端子与数据采集卡相连，从相应传感器拾取的激振力信号和响应信号通过电荷放大器调理、滤波后通过接线端子传送到PC机中进行处理。

本实用新型中的激振系统采用激振器、功率放大器。采用力传感器和振动传感器同时测量系统的激励力信号和振动响应信号。采用电荷放大器对信号进行调理滤波。数据采集系统通过高性能屏蔽电缆将数据采集卡和接线端子相连，连接通用计算机进行数据采集、发送。扫频信号的发生、激励响应信号的数据处理分析保存显示采用基于通用计算机的软件程序实现。

一种分时快速稳态正弦扫频激振频响函数测量系统，该测试系统安装按如下操作：

1)选定被测结构件的激振位置，原则是按相应的方式将激振器和力传感器，安装到尽可能是各阶振型都非节点或非节线的地方；选定拾振点和待测振动参数(位移、速度、加速度)和传感器，并用相应的方法将传感器安装到被测件表面拾振点位置。

2)通用计算机安装数据采集卡(下文称DAQ)，接线端子通过高性能屏蔽电缆和数据采集卡相连。

3)接线端子的信号输出端口通过信号线连接功率放大器的输入端口，扫频信号经功率放大器调理后驱动激振器激振。从相应传感器拾取的激振力信号和响应信号通过信号线接入电荷放大器的信号输入端口，经过调理、滤波后通过信号线接入接线端子。

测试系统硬件安装完毕，分时快速稳态正弦扫频激振频响函数测量方法按如下步骤完成振动测试：

1)打开功率放大器、电荷放大器预热十五分钟。启动计算机程序，初始化数据采集卡DAQ，设定激振力信号通道，选择响应信号通道，并设定传感器灵敏度、增益。

2)使用计算机程序发出正弦扫频信号，同时采集振动响应信号，并完成数据处理显示存储。具体实现如下所述：

i)设定扫频上下限f_min、f_max，计算机程序产生单一频率为f的正弦扫频信号，初始f＝f_min。具体为如下X序列所示：

$X\left[i\right]=F\×\sin \left(2\mathrm{\πf}\frac{i}{\mathrm{Fs}}\right)$ (i＝0，1，2，...，n-1)            (2)

其中，F——幅值；

      Fs——采样频率(Hz)，Fs要符合采样定理，通常取Fs＝10f；

      n——采样数，由每一次单一频率激振时间Δt决定，n＝Δt×Fs。

通过数据采集卡的输出端口以某个固定采样频率Fs输出给功率放大器，信号经功率放大器调理后驱动激振器以当前频率正弦信号激振被测件。

ii)激振开始的同时，启动数据采集卡输入通道以同样的采样频率Fs采集激振力信号f(t)和响应信号y(t)。持续激振、同时采集信号Δt秒，保证Δt为当前正弦扫描信号的10倍以上整周期，即Δt＝k(1/f)，k为大于等于10的自然数。做到激振力，响应信号相同频率整周期采样。

Δt反映了扫频速率的大小，包括瞬态响应衰减时间Δt₁和稳态响应时间t₂，Δt值影响响应的大小。扫描速率太快，则被测件的幅值达不到稳态谐振响应的幅值。为保证系统的最大响应能近似达到稳态谐振响应值，在扫频范围内应使任意频率的响应的信噪比高于75dB，则其最小振动时间，也即瞬态响应衰减时间t₁为：

$20\log \frac{1}{e^{-2\mathrm{\π\ξ}{f}_n{t}_1}}\≥75\mathrm{dB}$ 且t₁＝m(1/f)                (3)

其中：f_n——被测结构件的固有频率(Hz)；

      ξ——对应于f_n的阻尼比。

      t₁——最小瞬态响应衰减时间，保证t₁为当前正弦扫频信号周期的整倍数。

m取满足(3)式的最小自然数。

设稳态响应时间为t₂，t₂也为当前正弦扫频信号周期的整倍数，则有：

Δt＝t₁+t₂                        (4)

iii)对激振力信号f(t)和响应信号y(t)的稳态响应部分，即t₂时间段数据做数据处理，得到当前激振频率的频率响应函数。

首先对激振力信号f(t)和响应信号y(t)的稳态响应部分做FFT。分别得到频域内F(f)，Y(f)，并计算F(f)、Y(f)的共轭复函数F^*(f)、Y^*(f)。

分别计算力信号f(t)和响应信号y(t)在Δt时间内的自功率谱：

$S_{\mathrm{ff}}=\frac{2}{\mathrm{\Δt}}F\left(f\right)F^{*}\left(f\right)---\left(5\right)$

$S_{\mathrm{yy}}=\frac{2}{\mathrm{\Δt}}Y\left(f\right)Y^{*}\left(f\right)---\left(6\right)$

计算力信号f(t)和响应信号y(t)在Δt时间内的互功率谱：

$S_{\mathrm{fy}}=\frac{2}{\mathrm{\Δt}}{F}^{*}\left(f\right)Y\left(f\right)---\left(7\right)$

得激振力信号f(t)和响应信号y(t)的频率响应函数

$H\left(s\right)=\frac{S_{\mathrm{fy}}}{S_{\mathrm{ff}}}---\left(8\right)$

得力信号f(t)和响应信号y(t)的相干函数，它描述了激励和响应的相关程度：

${{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{fy}}}^2=\frac{{\left|S_{\mathrm{fy}}\right|}^2}{S_{\mathrm{ff}}{S}_{\mathrm{yy}}}---\left(9\right)$

记录并存储显示当前频率频响函数的H(s)的幅值、相位，及其相关性。

iv)用计算机程序改变激振频率，使f＝f+Δf，使激振频率从一个离散值跳到另一个离散值。Δf决定了激振扫频正弦信号的频率分辨率，由于计算机的精度远远高于通用数据采集卡，则Δf最小值由数据采集卡精度决定。在数据采集卡精度范围内激振频率分辨率可以任意选取。根据不同被测件选用线性扫频方式或对数扫频方式。Δf由这两种扫频方式决定。

对于线性扫频，单位时间频率的变化是一个常数，试验中并不随试验频率的变化而变化。

$\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{df}}{\mathrm{dt}}(\mathrm{Hz}/s)---\left(10\right)$

其中：f——正弦扫频信号频率(Hz)

对于对数扫频，单位时间频率对数的变化为一常数，理论上任何一种扫描速度都不能保证得到稳态响应，但实际上采样对数扫频可以十分接近所希望的稳态条件。

$\mathrm{\γ}=\frac{d}{\mathrm{dt}}\left(\ln f\right)---\left(11\right)$

v)重复(i-iv)步操作，直到扫频到频率上限f_max。逐渐将每一个激振频率下的频响函数幅值、相位一个个依次连接起来，并实时显示。

3)至此得到了被测件准确的频率响应函数数据，进行分析，计算其动态性能参数，如利用半功率带宽法求阻尼率：

$\mathrm{\ξ}=\frac{\mathrm{\Δf}}{2f_n}---\left(12\right)$

其中：ξ——阻尼比；

      Δf——半功率带宽；

      f_n——共振频率。

可见，分时快速稳态正弦扫频激振频响函数测量技术是自动实现一个频率接一个频率逐步地对结构进行激振，得到各个频率下的导纳值逐点连接，最终获得完整的频率响应曲线。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

(1)与现有振动测试系统相比，该分时快速稳态正弦扫频激振频响函数测量系统测振仪器通用，简单可靠，便于安装操作。

(2)与现有振动测试技术相比，该分时快速稳态正弦扫频激振频响函数测量技术综合了以下优点：

●稳态正弦激振，激振功率大能量集中，高阶模态容易被击出来；

●激励响应选用稳态数据，具有较高信噪比(高于75dB)；

●具有较高频率分辨率(由数据采集卡精度决定)，且整周期采样，测量结果精度高，可靠；

●采用对数扫频亦可大大缩短测振时间。

(3)经大量重复实验验证，该分时快速稳态正弦扫频激振频响函数测量系统测试方便可靠，尤其对于现场测试效果甚佳。

(4)该分时快速稳态正弦扫频激振频响函数测量系统设备结构更简单，便于安装操作，具有明显的成本优势。

附图说明

图1分时快速稳态正弦扫频激振频响函数测量系统总体安装图；

图2测试程序总体流程图；

图3频响函数数据处理流程图；

图4实际测试频响函数幅值谱图；

图5实际测试频响函数相位谱图。

具体实施方式

结合附图1～4详细说明本实施例。

本实施例主要包括分时快速稳态正弦扫频激振频响函数测量系统仪器构成和测试程序两部分。

(一)分时快速稳态正弦扫频激振频响函数测量系统仪器构成

如图1分时快速稳态正弦扫频激振频响函数测量系统总体安装图所示。激振系统采用10公斤激振器JZK-10，功率放大器YE5872A(200W)；采用阻抗头CL-YD-331同时测量系统的激励力信号和振动响应加速度信号，其力信号电荷灵敏度为3.09(PC/N)，加速度信号电荷灵敏度为4.49(PC/mss)；采用电荷放大器YE5852B(六通道)对信号进行调理滤波；数据采集系统包括NIDAQ PCI6221(16位精度)、68针高性能屏蔽电缆、接线端子BNC 2110。通过高性能屏蔽电缆将数据采集卡和接线端子相连，连接通用计算机进行数据采集、发送；扫频信号的发生、激励响应信号的数据处理分析保存显示采用基于通用计算机的软件程序实现。

该分时快速稳态正弦扫频激振频响函数测量测试系统安装按如下操作：

1)选定被测结构件的激振位置，原则是按相应的方式将激振器和力传感器，安装到尽可能是各阶振型都非节点或非节线的地方；选定拾振点和待测振动参数(位移、速度、加速度)和传感器，并用相应的方法将传感器安装到被测件表面拾振点位置。

2)通用计算机安装数据采集卡(下文称DAQ)，接线端子通过高性能屏蔽电缆和数据采集卡相连。

3)接线端子的信号输出端口通过信号线连接功率放大器的输入端口，扫频信号经功率放大器调理后驱动激振器激振。从相应传感器拾取的激振力信号和响应信号通过信号线接入电荷放大器的信号输入端口，经过调理、滤波后通过信号线接入接线端子。

(二)测试程序流程

图2为测试程序总体流程图，包括数据采集卡初始化部分、数据同步采集控制部分、数据处理分析部分、结果保存显示部分；其工作原理和过程如下所述。

1)打开功率放大器、电荷放大器预热十五分钟。启动计算机程序，初始化数据采集卡DAQ，设定激振力信号通道，选择响应信号通道，并设定传感器灵敏度、增益。

2)使用计算机程序发出正弦扫频信号，同时采集振动响应信号，并完成数据处理显示存储。具体实现如下所述：

i)设定扫频上限f_min和下限f_max，计算机程序产生单一频率为f的正弦扫频信号，初始f＝f_min。具体为如下X序列所示：

$X\left[i\right]=F\×\sin \left(2\mathrm{\πf}\frac{i}{\mathrm{Fs}}\right)$ (i＝0，1，2，...，n-1)                 (2)

其中，F——幅值；

      Fs——采样频率(Hz)，Fs要符合采样定理，通常取Fs＝10f；

n——采样数，由每一次单一频率激振时间Δt决定，n＝Δt×Fs。

这里取n为10K，Δt＝1秒。

通过数据采集卡的输出端口以某个固定采样频率Fs输出给功率放大器，信号经功率放大器调理后驱动激振器以当前频率正弦信号激振被测件。

ii)激振开始的同时，启动数据采集卡输入通道以同样的采样频率Fs采集激振力信号f(t)和响应信号y(t)。持续激振、同时采集信号Δt秒，保证Δt为当前正弦扫描信号的10倍以上整周期。做到激振力，响应信号相同频率整周期采样。Δt＝k(1/f)，k为大于等于10的自然数。

Δt反映了扫频速率的大小，其值影响响应的大小。扫描速率太快，则被测件的幅值达不到稳态谐振响应的幅值。为保证系统的最大响应能近似达到稳态谐振响应值，在扫频范围内应使任意频率的响应的信噪比高于75dB，则其最小振动时间，也即瞬态响应衰减时间t₁为：

$20\log \frac{1}{e^{-2\mathrm{\π\ξ}{f}_n{t}_1}}\≥75\mathrm{dB}$ 且t₁＝m(1/f)              (3)

其中：f_n——被测结构件的固有频率(Hz)；

      ξ——对应于f_n的阻尼比。

      t₁——最小瞬态响应衰减时间，保证t₁为当前正弦扫频信号周期的整倍数。

m取满足(3)式的最小自然数。

设稳态响应时间为t₂，t₂也为当前正弦扫频信号周期的整倍数也为，则有：

Δt＝t₁+t₂                             (4)

iii)对激振力信号f(t)和响应信号y(t)的稳态响应部分，即t₂时间段数据做数据处理，得到当前激振频率的频率响应函数。

首先对激振力信号f(t)和响应信号y(t)的稳态响应部分做FFT。分别得到频域内F(f)，Y(f)，并计算F(f)、Y(f)的共轭复函数F^*(f)、Y^*(f)。

分别计算力信号f(t)和响应信号y(t)在Δt时间内的自功率谱：

$S_{\mathrm{ff}}=\frac{2}{\mathrm{\Δt}}F\left(f\right)F^{*}\left(f\right)---\left(5\right)$

$S_{\mathrm{yy}}=\frac{2}{\mathrm{\Δt}}Y\left(f\right)Y^{*}\left(f\right)---\left(6\right)$

计算力信号f(t)和响应信号y(t)在Δt时间内的互功率谱：

$S_{\mathrm{fy}}=\frac{2}{\mathrm{\Δt}}{F}^{*}\left(f\right)Y\left(f\right)---\left(7\right)$

得激振力信号f(t)和响应信号y(t)的频率响应函数

$H\left(s\right)=\frac{S_{\mathrm{fy}}}{S_{\mathrm{ff}}}---\left(8\right)$

得力信号f(t)和响应信号y(t)的相干函数，它描述了激励和响应的相关程度：

${{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{fy}}}^2=\frac{{\left|S_{\mathrm{fy}}\right|}^2}{S_{\mathrm{ff}}{S}_{\mathrm{yy}}}---\left(9\right)$

记录并存储显示当前频率频响函数的H(s)的幅值、相位，及其相关性。

iv)用计算机程序改变激振频率，使f＝f+Δf，这里取Δf＝1，使激振频率从一个离散值跳到另一个离散值。Δf最小值由数据采集卡精度决定，这里数据采集卡精度为16位。这里选用线性扫频方式。

对于线性扫频，单位时间频率的变化是一个常数，试验中并不随试验频率的变化而变化。

$\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{df}}{\mathrm{dt}}(\mathrm{Hz}/s)---\left(10\right)$

其中：f——正弦扫频信号频率(Hz)

这里β＝1。

v)重复(i-iv)步操作，直到扫频到频率上限f_max。逐渐将每一个激振频率下的频响函数幅值、相位一个个依次连接起来，并实时显示。

3)至此得到了被测件准确的频率响应函数数据，进行分析，计算其动态性能参数，如利用半功率带宽法求阻尼率：

$\mathrm{\ξ}=\frac{\mathrm{\Δf}}{2f_n}---\left(12\right)$

其中：ξ——阻尼比；

      Δf——半功率带宽；

      f_n——共振频率。

可见，该分时快速稳态正弦扫频激振频响函数测量技术是自动实现一个频率一个频率缓慢地对结构进行激振，得到各个频率下的导纳值逐点连接，最终获得完整的频率响应曲线。本测量系统一次实际测试频响函数幅值谱、相位谱曲线如图4所示。峰值相位吻合较好，精度较高。

以上所述为本实用新型的一个实例，我们还可对将程序升级为对数扫频模式，以缩短测试时间。只要其测振系统仪器构成和测试思想同本实用新型所叙述的一致，均应视为本实用新型所包括的范围。

Claims (2)

1、一种分时快速稳态正弦扫频激振频响函数测量系统，其特征在于：包括PC机、安装在PC机上的数据采集卡、以及功率放大器、电荷放大器、激振器、用于测量激励力信号的力传感器和用于测量振动响应信号的振动传感器；激振器、力传感器和振动传感器均安装在被测结构件上；

数据采集卡通过接线端子与功率放大器的输入端相连，功率放大器的输出端与激振器相连，PC机发出的扫描信号经过功率放大器调理后驱动激振器激振；

力传感器信号和振动传感器信号的输出端与电荷放大器的输入端相连，电荷放大器的输出端通过接线端子与数据采集卡相连，从相应传感器拾取的激振力信号和响应信号通过电荷放大器调理、滤波后通过接线端子传送到PC机中进行处理。

2、根据权利要求1所述的一种分时快速稳态正弦扫频激振频响函数测量系统，其特征在于：所述的振动传感器为位移传感器、速度传感器或加速度传感器。

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