CN203069261U - 基于单点激光连续平面扫描测振的模态测试系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于单点激光连续平面扫描测振的模态测试系统，包括三轴滑动平台及其控制装置、激光头、采集模块、激振器、功率放大器、振动控制仪和分析处理模块；所述振动控制仪产生激振信号，功率放大器将振动控制仪输出的信号进行放大，再将信号传递给激振器，激振器带动被测量物体振动；所述激光头固定在三轴滑动平台上，激光头内设有激光发射器和激光接收器；采集模块对激光头接收到的信号进行采集，再送到分析处理模块；分析处理模块对采集的数据进行处理，得出相应固有频率下的模态振型。本实用新型可以在极短的时间里对振动体进行全视野振动的测量，从而得到振动体的模态振型，具有非接触、精度高、速度快的特点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种基于单点激光连续平面扫描测振的模态测试系统。
背景技术
作为振动工程理论的一个重要分支，模态分析是研究物理参数模型、模态参数模型和非参数模型之间的关系，并通过一定手段确定这些系统模型的理论及其应用的一门学科。模态分析为各种产品的结构设计和性能评估提供了一个强有力的工具，其可靠的实验结果往往作为产品性能评估的有效标准。通过实验及数据处理来识别实际结构的动力学模型，是近三十多年来结构动力特性研究方面的一个重要发展。
振动响应是进行实验模态分析的前提，对于振动的测试按测试方式可分为两种：接触式和非接触式。接触式测试方法需要把振动传感器附着于待测物体表面，这样往往会破坏被测物体原有的振动状态，影响测试精度，并且在许多场合无法使用，如扬声器膜片的振动、生物细胞的抖动以及旋转光盘的跳动等测试，因此应用范围受到了极大的限制。而非接触测试方法无需担心此问题，同时现代测试计量技术的高精度、高效率、无损伤等要求，也决定了测试计量技术向着非接触测量方向发展。多普勒激光测振技术具有非接触、精度高等特点，现越来越多地被用于各种振动测试中。
使用多普勒激光测振技术进行模态测试常用的方法是在待测物体上标记一系列的测点，然后逐步测量这些点的振动情况，再经过大量的信号分析处理来得到待测物体的固有频率和振动形状。但由于待测物体上每个点都有各自精确的位置和不同的振动情况，这样就必须迫使用户必须仔细选择和布置测点，并投入大量的时间在实验的测量中和最终数据处理上，这样势必给实验工作带来诸多的不便。而实验研究发展方向是在更短的时间从实验中提供一组更完整的数据,以提高在模型更新过程中的整体效率和可靠性。
实用新型内容
为克服现有技术中存在的缺陷，本实用型新提供一种非接触、精度高、速度快的基于单点激光连续平面扫描测振的模态测试系统。
本实用新型解决上述技术问题的技术方案是：包括三轴滑动平台及其控制装置、激光头、采集模块、激振器、功率放大器、振动控制仪和分析处理模块；所述振动控制仪产生激振信号，功率放大器将振动控制仪输出的信号进行放大，再将信号传递给激振器，激振器带动被测量物体振动；所述激光头固定在三轴滑动平台上，激光头内设有激光发射器和激光接收器；采集模块对激光头接收到的信号进行采集，再送到分析处理模块；分析处理模块对采集的数据进行处理，得出相应固有频率下的模态振型。
本实用新型的有益效果是：本实用新型对振动物体进行全视野振动的测量，得到的数据更为完整，进而得到更为可靠的振动体模态振型。本实用新型可在极短的时间里进行测量，速度快。并且，本实用新型是非接触型对对振动体进行测量，测量精度高、误差小，不需要对数据进行大规模处理，使用方便。
附图说明
图1为本实用新型的结构图。
图2为振动数据处理的工作流程图。
图3为薄壁梁的扫描路径示意图。
图4为扫频实验中激振系统的驱动电压。
图5为14.4HZ的定频分析下薄壁梁的模态振型。
图6为91.5HZ的定频分析下薄壁梁的模态振型。
图7为256.4HZ的定频分析下薄壁梁的模态振型。
图8为507.1HZ的定频分析下薄壁梁的模态振型。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本实用新型进行详细说明。
本实用新型利用激振器对被测量的工件做扫频分析，找出它的固有频率，在相应的固有频率下使用激光连续恒速平面扫描测振的方法测得工件的振动情况，再使用分析处理模块对振动数据进行处理，进而求出相应固有频率下的模态振型。
参见图1，本实用新型包括三轴滑动平台及其控制装置、激光头、采集模块、激振器、功率放大器、振动控制仪和分析处理模块。
所述激光头固定在三轴滑动平台上；当三轴滑动平台运动时即带动激光头做相应的运动，根据实际的需要在不同的固有频率下设定不同的移动速度。通过X、Y、Z三维移动台和平台控制单点激光测振仪的位置及角度转动，实现连续恒速平面扫描功能。所述激光头上设置有激光发射器和激光接收器，采集模块对激光头接收到的信号进行采集。
所述激振器包括固定于被测物体的激振头；所述功率放大器接受振动控制仪发出的信号，进行放大后再将信号传递给激振头，带动被测量物体振动。
所述的分析处理模块对采集模块采集到的数据进行处理，得出相应固有频率下的模态振型，其工作流程如图2所示。
所述的分析处理模块将数据进行如下处理：DAQ采集卡输出的信号为电压信号，经过灵敏度的校核处理变为速度信号；采用数字滤波的频域方法进行滤波；将速度信号转化成位移信号；再经位移信号幅值点的滑动平均求取信号的上下交替包络线，最后进行曲线拟合得到固有频率下的模态振型。
信号处理模块振动数据处理，首先由DAQ采集卡输出的信号为电压信号，经过灵敏度的校核处理，可变为速度信号。由于在测量信号中携带很多噪声信号，必须对信号进行滤波，考虑到数字滤波的频域方法具有较好的频率选择性和灵活性，并且不会像时域滤波方法那样产生时移，还可以用来设计包括多带梳状滤波器的任意响应滤波器，所以选用数字滤波的频域方法进行滤波。多普勒激光测振仪测得的电压信号对应的是振动速度，而这里需要的是振动位移信号，必须将速度信号转化成位移信号。再经位移信号幅值点的滑动平均，便可求取信号的上下交替包络线，但是这些点构成的包络线可能会因为测量误差等因素影响其光滑度，所以最后还必须进行曲线拟合，来得到固有频率下的模态振型。
下面选用宽度较窄的薄壁梁作为被测物体，进行举例。
选用尺寸为长221mm，宽29mm，厚度1mm的薄壁梁，在试验中只考虑薄壁梁在长度方向的波动模态振型，不考虑薄壁梁的扭振和横向摆动。先用激振器对薄壁梁（被测量的工件）做扫频分析，找出它的固有频率，在相应的固有频率下使用激光连续恒速平面扫描测振的方法测得工件的振动情况，再使用分析处理模块对振动数据进行处理，进而求出相应固有频率下的模态振型，图3中的薄壁梁表面上有三条虚线，是实验过程中激光的扫描路径，分别测出薄壁梁上三条线的振动情况。
如图1所示，激光测振仪的激光头用夹具固定在三轴精密滑动平台上面，当平台运动时即可带动激光头做相应的运动，可根据实际的需要在不同的固有频率下设定不同的移动速度。将薄壁梁固定在激振器的激振头上，由振动控制仪的内置信号发生器发出正弦激励信号，传递给功率放大器，再由功率放大器传递给激振头，带动薄壁梁的振动。
首先对薄壁梁做扫频实验，频率控制在10HZ到600HZ，在10到50HZ控制位移峰值为0.65mm，50HZ到120HZ控制速度峰值为0.105m/s，从120HZ到600HZ控制加速度为8G，设定激振器以对数递增的方式扫描。在扫频过程中激振系统的驱动电压如图4所示。由于这种方式没有在工件上面安装传感器，工件没有附加的质量，所以可根据激振系统的驱动电压准确的判断固有频率的位置。最终得出在10HZ到600HZ范围内14.4HZ、91.5HZ、256.4HZ、507.1HZ是薄壁梁的固有频率。
分别在14.4HZ、91.5HZ、256.4HZ、507.1HZ频率下对薄壁梁做定频分析，分别给激振器一个14.4HZ、91.5HZ、256.4HZ、507.1HZ的正弦激励，可分别激出薄壁梁在这四阶频率下的模态振型，在每一阶固有频率下进行单点激光连续恒速平面扫描测振，得到相应的振动数据，通过分析处理模块对该振动数据在时域范围内进行分析，得出每一阶频率下的振型，图5、图6、图7、图8为相应的模态振型。从图5中可以看出在14.4HZ时梁的波动振型具有一个节点，从图6中可以看出91.5HZ时梁的波动振型具有两个节点，从图7中可以看出256.4HZ时梁的波动振型具有三个节点，从图8中可以看出507.1HZ时梁的波动振型具有四个节点。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。
Claims (1)
1.一种基于单点激光连续平面扫描测振的模态测试系统，其特征在于：包括三轴滑动平台及其控制装置、激光头、采集模块、激振器、功率放大器、振动控制仪和分析处理模块；所述振动控制仪产生激振信号，功率放大器将振动控制仪输出的信号进行放大，再将信号传递给激振器，激振器带动被测量物体振动；所述激光头固定在三轴滑动平台上，激光头内设有激光发射器和激光接收器；采集模块对激光头接收到的信号进行采集，再送到分析处理模块；分析处理模块对采集的数据进行处理，得出相应固有频率下的模态振型。
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