WO2023108533A1 - 一种模态激振器相位自动控制补偿设备及方法 - Google Patents

一种模态激振器相位自动控制补偿设备及方法 Download PDF

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沈高飞
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苏州智科源测控科技有限公司
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04—Analysing solids

Definitions

  • the application belongs to the technical field of structural mechanics performance testing and analysis, and in particular relates to a method for automatic phase control and compensation of a modal exciter.
  • the excitation methods of modal testing can be divided into two categories: exciter excitation and hammer excitation.
  • the former can provide continuous excitation energy, and at the same time, the excitation signals are diversified, including random signals, sinusoidal frequency sweep, sinusoidal fixed frequency, burst random, etc., corresponding to different experimental objects and requirements, especially for nonlinear structures, the exciter Incentives are the only solution.
  • the excitation signal (sine wave or random signal, etc.) Reach the measured object and drive the measured object to vibrate. Therefore, there is a phase difference between the original excitation signal and the signal received by the object under test, and this phase difference will lead to errors in modal testing (for example, in the pure modal experiment process, it is necessary to ensure that the excitation and response signals The phase difference between them is strictly close to 90 degrees). It can be seen that in the process of shaker modal testing, the automatic control and dynamic compensation of the shaker phase are very important.
  • phase compensation method of the shaker modal test mainly consists of the following methods:
  • the technical problem to be solved by the present invention is to provide a method for automatically controlling and compensating the phase of the modal exciter in order to solve the deficiency of the phase compensation method for the modal test of the vibrator in the prior art.
  • a device for automatic phase control and compensation of a modal exciter comprising:
  • a signal source, a power amplifier, an impedance head, an exciter and a data acquisition instrument the exciter is connected to a signal source through a power amplifier, and the signal source is connected to an automatic control and phase compensation module;
  • the impedance head is provided with an acceleration sensor and a force sensor;
  • the impedance head is connected to the measured object;
  • the data acquisition instrument is connected to the signal source and the impedance head for collecting parameters output by the signal source and the impedance head.
  • a method for automatic phase control and compensation of a modal exciter comprising the following steps:
  • S1 connect an impedance head and an exciter to the measured object, the exciter is connected to a signal source through a power amplifier, and the signal source is also connected to an automatic control and phase compensation module; the impedance head is provided with an acceleration sensor and a force sensor;
  • the signal source outputs the updated parameters to drive the vibrator to excite the measured object
  • the automatic control and phase compensation module is used to execute PID automatic control and automatic iterative algorithm.
  • the iterative logic of the automatic iterative algorithm is:
  • the signal source phase value be a
  • the phase compensation value be b
  • the required value be c
  • step S4 if the absolute value of the difference between a+b and c is greater than the set first threshold d, then execute the next cycle of S2-S4, and adjust the phase compensation value to b+ in the next cycle ⁇ b*n, ⁇ b is a self-defined constant, and n is the number of cycles.
  • the iterative logic of the automatic iterative algorithm further includes:
  • phase compensation value is adjusted to ⁇ b is a self-defined constant, and n is the number of cycles.
  • the data acquisition instrument is connected to a computer, and the obtained data is recorded by the computer.
  • Fig. 1 is the schematic flow chart of the vibration exciter modal test flow chart of the embodiment of the present application
  • Fig. 2 is a schematic diagram of the control relationship of the method of automatic phase control and compensation of the modal exciter according to the embodiment of the present application.
  • connection should be understood in a broad sense, for example, it can be a fixed connection or a detachable connection. Connected, or integrally connected; it may be mechanically connected or electrically connected; it may be directly connected or indirectly connected through an intermediary, and it may be the internal communication of two components. Those of ordinary skill in the art can understand the specific meanings of the above terms in this application based on specific situations.
  • This embodiment provides a device for automatic phase control and compensation of a modal exciter, as shown in Figure 1-2, including:
  • Signal source, power amplifier, impedance head, vibrator and data acquisition instrument the vibrator is connected to the signal source through the power amplifier, and the signal source is also connected to the automatic control and phase compensation module;
  • the impedance head is provided with an acceleration sensor and a force sensor The impedance head is connected to the measured object;
  • the data acquisition instrument is connected to the signal source and the impedance head for collecting parameters output by the signal source and the impedance head.
  • a method for automatic phase control compensation of a modal exciter comprising the following steps:
  • S1 connect an impedance head and an exciter to the measured object, the exciter is connected to a signal source through a power amplifier, and the signal source is also connected to an automatic control and phase compensation module; the impedance head is provided with an acceleration sensor and a force sensor;
  • the signal source outputs the updated parameters to drive the vibrator to excite the measured object
  • the automatic control and phase compensation module is used to execute PID automatic control and automatic iterative algorithm.
  • the iterative logic of the automatic iterative algorithm is:
  • the signal source phase value be a
  • the phase compensation value be b
  • the required value be c
  • step S4 if the absolute value of the difference between a+b and c is greater than the set first threshold d, then execute the next cycle of S2-S4, and adjust the phase compensation value to b+ in the next cycle ⁇ b*n, ⁇ b is a self-defined constant, and n is the number of cycles.
  • ⁇ b can be set according to the measurement accuracy of the equipment, and ⁇ b should not be set too small to cause a large burden of calculation.
  • the iterative logic of the automatic iterative algorithm further includes:
  • phase compensation value is adjusted to ⁇ b is a self-defined constant, and n is the number of cycles.
  • the data acquisition instrument is connected to a computer, and the obtained data is recorded by the computer.

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Abstract

一种模态激振器相位自动控制补偿的设备及方法，其设备包括：信号源、功率放大器、阻抗头、激振器和数据采集仪，激振器通过功率放大器连接信号源，信号源还连接自动控制和相位补偿模块；阻抗头上设有加速度传感器、力传感器；阻抗头连接在被测对象上；数据采集仪与信号源、阻抗头连接，用于采集信号源、阻抗头输出的参数。有益效果是：能够快速高效实现激振器相位自动控制和补偿，使得激励和响应的相位差满足实验要求，提升模态测试分析的精度。

Description

一种模态激振器相位自动控制补偿设备及方法 技术领域
本申请属于结构力学性能测试分析技术领域，尤其是涉及一种模态激振器相位自动控制补偿的方法。
背景技术
实验模态技术是振动领域的重要研究内容，通过模态测试及分析，可以得到结构各动态特性，包括固有频率、阻尼比和振型等参数，为后续的结构优化设计和减振降噪提供关键性数据和依据。
模态测试的激励方式可以分为两类：激振器激励和力锤激励。前者能提供持续不断的激励能量，同时激励信号多样化，包括随机信号、正弦扫频、正弦定频、猝发随机等，对应于不同的实验对象和要求，尤其是对于非线性结构，激振器激励是唯一的解决方案。
从整个激振器模态测试流程来看，模态测试分析软件或者信号发生器产生的激励信号(正弦波或者随机信号等)，需要经过D/A转化、功率放大器和激振器等，最终到达被测对象，驱动被测对象振动。因此，最原始产生的激励信号和最终被测对象受到的信号之间存在相位差，而这个相位差会导致模态测试的误差(比如，在纯模态实验过程，需要保证激励和响应信号之间相位差严格接近90度)。由此可知，激振器模态测试过程中，激振器相位的自动控制和动态补偿至关重要。
目前，激振器模态测试相位补偿方法，主要由以下几种方法：
1、手动调节模态测试分析软件或者信号发生器信号的相位：根据激振器这边的信号的相位信息(力传感器)，在软件或者信号发生 器面板上，手动调整相位，使得激励和响应信号逐渐逼近要求。缺点：需要手动多次调整，因为依赖经验和手动的方式，很多情况下，会出现越调整效果越差的情况，费时费力；
2、通过经验判断，手动调整激振器、功率放大器参数等，从而调整被测对象接收的激励信号的相位。和第一个方法类似，依赖经验和手动的方式，同时，调整的对象涉及到激振器和功率放大器，调整的难度更大，更复杂，很难得到理想的效果。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为解决现有技术中激振器模态测试相位补偿方法的不足，从而提供一种模态激振器相位自动控制补偿的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种模态激振器相位自动控制补偿的设备，包括：
信号源、功率放大器、阻抗头、激振器和数据采集仪，激振器通过功率放大器连接信号源，信号源连接自动控制和相位补偿模块；所述阻抗头上设有加速度传感器、力传感器；所述阻抗头连接在被测对象上；所述数据采集仪与所述信号源、阻抗头连接，用于采集信号源、阻抗头输出的参数。
一种模态激振器相位自动控制补偿的方法，包括以下步骤：
S1，在被测对象上连接阻抗头、激振器，激振器通过功率放大器连接信号源，信号源还连接自动控制和相位补偿模块；所述阻抗头上设有加速度传感器、力传感器；
S2，通过数据采集仪得到阻抗头的加速度传感器、力传感器实时信号，得出被测对象的振动频率、相位、幅值；根据信号源的实时信号，得到信号源的输出频率、相位、幅值，运用自动控制和相位补偿模块的自动迭代算法，更新信号源相位与相位补偿值的和值，使所述和值逼近要求值，所述要求值为被测对象的相位值
Figure PCTCN2021138723-appb-000001
S3，信号源以更新后的参数输出，驱动激振器激励被测对象；
S4，获取信号源相位与相位补偿值的和值与要求值的差值的绝对值；
S5，重复执行S2-S4，直到获得所述绝对值的最小值，此时输出对应的信号源相位与相位补偿值。
优选地，本发明的模态激振器相位自动控制补偿的方法，所述自动控制和相位补偿模块用于执行PID自动控制和自动迭代算法。
优选地，本发明的模态激振器相位自动控制补偿的方法，所述自动迭代算法的迭代逻辑为：
令信号源相位值为a，相位补偿值为b，要求值为c；
步骤S4中若得到a+b与c之间的差值的绝对值大于设定的第一阈值d，则执行下一个循环的S2-S4，并在下一个循环内将相位补偿值调整为b+Δb*n，Δb为自定义的常数，n为循环进行的次数。
优选地，本发明的模态激振器相位自动控制补偿的方法，所述自动迭代算法的迭代逻辑还包括：
当步骤S4中若得到a+b与c之间的差值的绝对值小于设定的第二阈值e，则执行下一个循环的S2-S4时将相位补偿值调整为
Figure PCTCN2021138723-appb-000002
Δb为自定义的常数，n为循环进行的次数。
优选地，本发明的模态激振器相位自动控制补偿的方法，所述数据采集仪与计算机连接，获得的数据由计算机记录。
本发明的有益效果是：
能够快速高效实现激振器相位自动控制和补偿，使得激励和响应的相位差满足实验要求，提升模态测试分析的精度。
附图说明
下面结合附图和实施例对本申请的技术方案进一步说明。
图1是本申请实施例的激振器模态测试流程示意图；
图2是本申请实施例的模态激振器相位自动控制补偿的方法控制关系示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等 的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请的技术方案。
实施例
本实施例提供一种模态激振器相位自动控制补偿的设备，如图1-2所示，包括：
信号源、功率放大器、阻抗头、激振器和数据采集仪，激振器通过功率放大器连接信号源，信号源还连接自动控制和相位补偿模块；所述阻抗头上设有加速度传感器、力传感器；所述阻抗头连接在被测对象上；所述数据采集仪与所述信号源、阻抗头连接，用于采集信号源、阻抗头输出的参数。
一种模态激振器相位自动控制补偿的方法，如图2所示，包括以下步骤：
S1，在被测对象上连接阻抗头、激振器，激振器通过功率放大器连接信号源，信号源还连接自动控制和相位补偿模块；所述阻抗头上设有加速度传感器、力传感器；
S2，通过数据采集仪得到阻抗头的加速度传感器、力传感器实时信号，得出被测对象的振动频率、相位、幅值；根据信号源的实时信号，得到信号源的输出频率、相位、幅值，运用自动控制和相位补偿模块的自动迭代算法，更新信号源相位与相位补偿值的和值，使所述和值逼近被测对象的相位；
S3，信号源以更新后的参数输出，驱动激振器激励被测对象；
S4，获取信号源相位与相位补偿值的和值与要求值的差值的绝对值；
S5，重复执行S2-S4，直到获得所述绝对值的最小值，此时输出对应的信号源相位与相位补偿值。
优选地，本实施例的模态激振器相位自动控制补偿的方法，所述自动控制和相位补偿模块用于执行PID自动控制和自动迭代算法。
优选地，本实施例的模态激振器相位自动控制补偿的方法，所述自动迭代算法的迭代逻辑为：
令信号源相位值为a，相位补偿值为b，要求值为c；
步骤S4中若得到a+b与c之间的差值的绝对值大于设定的第一阈值d，则执行下一个循环的S2-S4，并在下一个循环内将相位补偿值调整为b+Δb*n，Δb为自定义的常数，n为循环进行的次数。其中，Δb可以根据设备的测量精度设定大小，Δb不宜设定的太小以造成计算的较大负担。
优选地，本实施例的模态激振器相位自动控制补偿的方法，所述自动迭代算法的迭代逻辑还包括：
当步骤S4中若得到a+b与c之间的差值的绝对值小于设定的第二阈值e，则执行下一个循环的S2-S4时将相位补偿值调整为
Figure PCTCN2021138723-appb-000003
Δb为自定义的常数，n为循环进行的次数。
优选地，本实施例的模态激振器相位自动控制补偿的方法，所述数据采集仪与计算机连接，获得的数据由计算机记录。
以上述依据本申请的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (6)

  1. 一种模态激振器相位自动控制补偿的设备，其特征在于，包括：
    信号源、功率放大器、阻抗头、激振器和数据采集仪，激振器通过功率放大器连接信号源，信号源连接自动控制和相位补偿模块；所述阻抗头上设有加速度传感器、力传感器；所述阻抗头连接在被测对象上；所述数据采集仪与所述信号源、阻抗头连接，用于采集信号源、阻抗头输出的参数。
  2. 一种模态激振器相位自动控制补偿的方法，其特征在于，包括以下步骤：
    S1，在被测对象上连接阻抗头、激振器，激振器通过功率放大器连接信号源，信号源还连接自动控制和相位补偿模块；所述阻抗头上设有加速度传感器、力传感器；
    S2，通过数据采集仪得到阻抗头的加速度传感器、力传感器实时信号，得出被测对象的振动频率、相位、幅值；根据信号源的实时信号，得到信号源的输出频率、相位、幅值，运用自动控制和相位补偿模块的自动迭代算法，更新信号源相位与相位补偿值的和值，使所述和值逼近要求值，所述要求值为被测对象的相位值
    Figure PCTCN2021138723-appb-100001
    S3，信号源以更新后的参数输出，驱动激振器激励被测对象；
    S4，获取信号源相位与相位补偿值的和值与要求值的差值的绝对值；
    S5，重复执行S2-S4，直到获得所述绝对值的最小值，此时输出对应的信号源相位与相位补偿值。
  3. 根据权利要求2所述的模态激振器相位自动控制补偿的方法，其特征在于，所述自动控制和相位补偿模块用于执行PID自动控制和自动迭代算法。
  4. 根据权利要求3所述的模态激振器相位自动控制补偿的方法，其特征在于，所述自动迭代算法的迭代逻辑为：
    令信号源相位值为a，相位补偿值为b，要求值为c；
    步骤S4中若得到a+b与c之间的差值的绝对值大于设定的第一阈值d，则执行下一个循环的S2-S4，并在下一个循环内将相位补偿值调整为b+Δb*n，Δb为自定义的常数，n为循环进行的次数。
  5. 根据权利要求4所述的模态激振器相位自动控制补偿的方法，其特征在于，所述自动迭代算法的迭代逻辑还包括：
    当步骤S4中若得到a+b与c之间的差值的绝对值小于设定的第二阈值e，则执行下一个循环的S2-S4时将相位补偿值调整为
    Figure PCTCN2021138723-appb-100002
    Δb为自定义的常数，n为循环进行的次数。
  6. 根据权利要求2-4任一项所述的模态激振器相位自动控制补偿的方法，其特征在于，所述数据采集仪与计算机连接，获得的数据由计算机记录。
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