專利名稱：分時快速穩態正弦掃頻激振頻響函數測量系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種分時快速穩態正弦掃頻激振頻響函數測量系統，屬 于振動測試技術領域。
背景技術：
一個振動系統的動態特性，可以用頻響函數來描述。設作用于振動系統
的激勵信號為輸入函數x(f)，輸出函數少(O是振動系統對激勵的響應信號，則 頻響函數是
= il/l (1)
式中——輸入函數x(/)的傅立葉變換；
r(/)——輸出函數:K0的傅立葉變換； 振動系統的頻響函數W(/)由該系統的本身特性所決定。因此只要測量 得到系統的激勵和響應，就可以得到系統的頻響函數，通過頻響函數i/(/)得 到振動系統的特性。所以關鍵問題之一就是獲得準確的頻率響應函數數據， 只有在此基礎上，才能準確的研究系統的動態特性，因此可靠高效的頻域振 動測試技術成為重中之重。
一個振動系統具有三要素系統特性(包括描述其特性的各種參數)、 激勵與響應。如果已知激勵與響應，而欲求系統的特性與參數，這類問題稱 為振動系統的測試、辨識與建模。振動測試一般有三個基本環節激勵、測 量和分析。即以某種激振力作用在被測振動系統上，使其產生響應；測量激 振力和響應，得到頻響函數//(/)進而確定系統的動態特性，如自然頻率、 模態向量、阻尼、剛度和質量等參數。激振方式有多種如正弦激勵、隨機激 勵、瞬態激勵等，相應的有不同的測試系統及分析方法。
目前頻響函數測試技術正沿著兩種技術路線發展， 一是單點激勵多點測量或一點測量技術，另一條路線是多點激勵多點測量技術。后者要求配備復 雜昂貴的儀器設備，測試周期也比較長，目前尚未得到廣泛應用。而單點激 勵頻響函數測試技術幾乎適用于一切振動領域，成為目前世界上廣泛應用的 技術。按激勵力性質的不同，頻響函數測試分為穩態正弦激勵、隨機激勵及 瞬態激勵三類。
穩態正弦激振測試技術是最基本的也是傳統的測試方法，它是在選定的 振動坐標和所需要的頻段范圍內，首先對測試的結構施加一定量的簡諧激振 力測出激振力和響應信號以及兩者的相位差，然后緩慢的改變激振頻率，將 力信號和響應信號做數據處理后，求得對應于各激振頻率下的頻響函數的數據。
穩態正弦激振有多個優點，例如能在特定頻率上輸入比較大的振動能 量。由于正弦激振時，在某一瞬間僅以單一頻率的力激勵試件，所以激勵能量
比較集中。此外激勵力容易控制，根據選擇的激振器不同，可得到小于10N以 下,大至數萬N的激振力，并且便于控制，信噪比比較高。
但是，穩態正弦掃描激振一個比較大的缺點是試驗需要很長的時間，這 對于不穩定系統，更會給試驗帶來困難并使精度降低。
隨機激振測試技術是廣泛采用的一種寬帶激振方法，其效果相當于將頻 帶內具有各種頻率成分的激振力同時作用在結構上，結構的響應是各頻率分 量同時作用的結果。隨機信號有純隨機、偽隨機及周期隨機信號三種。
純隨機信號無周期性，每個樣本彼此不同，故用純隨機信號激勵試件進 行振動測試時，可通過總體平均消除實驗中的非線性畸變和噪聲隨機誤差影 響，提高測試精度。缺點是由于信號的非周期性，在處理時會產生大的泄漏誤 差。
偽隨機激勵信號是周期性的隨機信號，由計算機或偽隨機信號發生器產 生，通過模數轉換器,每經過一個周期輸出同樣的信號。由于偽隨機信號的周 期性，當截斷長度正好等于偽隨機信號的周期時，在測量窗中所取得的信號 正好是一個完整周期，因而在隨后的傅立葉變換中則可避免功率泄漏。但是 這種信號與正弦掃描法一樣，由于信號是周期性的，因此不能用總體平均來 消除非線性及畸變的影響。
周期隨機信號激勵，綜合了純隨機和偽隨機信號激勵的優點，而避免了
4它們的缺點。它也是一種偽隨機信號，但第一個偽隨機信號在持續幾個周期 后即被第二個不相關的偽隨機信號所代替，再經過幾個周期后又被另一個不 相關的偽隨機信號所代替。振動測試時，在一個偽隨機信號內完成一次測量。 周期隨機信號的優點是消除了功率泄漏，可用總體平均來消除非線性等影響， 缺點是測試時間稍長于上述兩種隨機測試法。
總的來說，隨機激振技術抗噪聲能力比較強，信噪比優于瞬態激振但不 如正弦激振技術，其測試時間介于兩者之間。
瞬態激振測試技術目前常用的有脈沖激振，快速正弦掃頻激振和階躍松
脈沖激振是一種寬頻帶激振技術，力的頻譜較寬， 一次激振可以同時激 出多階模態，因此脈沖激振是一種快速測試技術，其所需測試時間是正弦激 振測試的百分之一。它的測試設備簡單，靈活性大，特別適用于現場試驗。其 缺點是測試精度不及正弦激振法和隨機激振法高，著力點位置、力的大小、 力的方向的控制需要熟練的操作技巧和經驗，否則會產生很大的隨機誤差。
快速正弦掃頻激振也是目前流行的一種瞬態激振方法，這種測試方法是 使正弦激勵信號在所需的頻率范圍內作快速掃描(在數秒鐘內完成)，激振信 號頻率在掃描周期T內成線性增加，而幅值保持恒定，從而能達到寬頻帶激 勵的目的。
階躍松馳激勵技術的激振力滿足階躍松弛函數，其導數是脈沖函數，引 起的響應的導數是脈沖響應函數，所以這種方法也是一種寬頻帶激勵方法。 在實際應用中，常常是用一根剛度很大質量很輕的張力弦通過力傳感器對系 統預加載，然后突然切斷張力弦。
瞬態激振方法的優點是迅速省時，實驗設備比較簡單，但其激振能量分 散在較寬的頻率范圍內，因而對于有的模態可能存在激勵能量不足，信噪比 低而測試精度不高的問題。
綜上所述，穩態正弦激振精度最高，但所用時間最長；瞬態激振用時最 短，但精度不足；隨機激振這兩個指標則介于兩者之間。因此研制精度高， 用時短，設備簡單的振動測試系統，對于解決結構動力學的第一類逆問題一 一振動系統參數識別具有重要的現實意義。
實用新型內容
本實用新型的目的是克服現有振動測試系統精度、效率、設備三者不能 兼具的缺點，提出了一種新的振動測試方法——分時快速穩態正弦掃頻激振 頻響函數測量技術，并研制了分時快速穩態正弦掃頻激振頻響函數測量測試 系統。該技術實現了快速穩態正弦掃頻激振，激勵響應信號整周期采樣，得 出的頻響函數曲線精確可靠。該系統采用通用設備，儀器簡單，安裝方便， 大大提高了振動測試效率。
為了實現上述目的，本實用新型采取了如下技術方案本系統包括PC 機、安裝在PC機上的數據采集卡、以及功率放大器、電荷放大器、激振器、 用于測量激勵力信號的力傳感器和用于測量振動響應信號的振動傳感器。激 振器、力傳感器和振動傳感器均安裝在被測結構件上。數據采集卡通過接線 端子與功率放大器的輸入端相連，功率放大器的輸出端與激振器相連，PC 機發出的掃描信號經過功率放大器調理后驅動激振器激振。力傳感器信號和 振動傳感器信號的輸出端與電荷放大器的輸入端相連，電荷放大器的輸出端 通過接線端子與數據采集卡相連，從相應傳感器拾取的激振力信號和響應信 號通過電荷放大器調理、濾波后通過接線端子傳送到PC機中進行處理。
本實用新型中的激振系統采用激振器、功率放大器。采用力傳感器和振 動傳感器同時測量系統的激勵力信號和振動響應信號。采用電荷放大器對信 號進行調理濾波。數據采集系統通過高性能屏蔽電纜將數據采集卡和接線端 子相連，連接通用計算機進行數據采集、發送。掃頻信號的發生、激勵響應 信號的數據處理分析保存顯示采用基于通用計算機的軟件程序實現。
一種分時快速穩態正弦掃頻激振頻響函數測量系統，該測試系統安裝按
如下操作
1) 選定被測結構件的激振位置，原則是按相應的方式將激振器和力傳 感器，安裝到盡可能是各階振型都非節點或非節線的地方；選定拾振點和待 測振動參數(位移、速度、加速度)和傳感器，并用相應的方法將傳感器安 裝到被測件表面拾振點位置。
2) 通用計算機安裝數據采集卡(下文稱DAQ)，接線端子通過高性能屏 蔽電纜和數據采集卡相連。3)接線端子的信號輸出端口通過信號線連接功率放大器的輸入端口， 掃頻信號經功率放大器調理后驅動激振器激振。從相應傳感器拾取的激振力 信號和響應信號通過信號線接入電荷放大器的信號輸入端口，經過調理、濾 波后通過信號線接入接線端子。
測試系統硬件安裝完畢，分時快速穩態正弦掃頻激振頻響函數測量方法 按如下步驟完成振動測試
1) 打開功率放大器、電荷放大器預熱十五分鐘。啟動計算機程序，初 始化數據采集卡DAQ，設定激振力信號通道，選擇響應信號通道，并設定傳 感器靈敏度、增益。
2) 使用計算機程序發出正弦掃頻信號，同時采集振動響應信號，并完
成數據處理顯示存儲。具體實現如下所述
i )設定掃頻上下限/,、 /MX，計算機程序產生單一頻率為f的正弦掃
頻信號，初始/ = /目。具體為如下X序列所示
外.]=F x sin(2;r/丄) (,=0,1,2，…,"-1) (2)
其中，F——幅值；
Fs——采樣頻率(Hz) , Fs要符合采樣定理，通常取Fs二10f; n——采樣數，由每一次單一頻率激振時間Af決定， 通過數據采集卡的輸出端口以某個固定采樣頻率Fs輸出給功率放大器， 信號經功率放大器調理后驅動激振器以當前頻率正弦信號激振被測件。
ii)激振開始的同時，啟動數據采集卡輸入通道以同樣的采樣頻率Fs 采集激振力信號/(0和響應信號:KO。持續激振、同時采集信號&秒，保證 A^為當前正弦掃描信號的IO倍以上整周期，即A^-k (1/f)， k為大于等于10 的自然數。做到激振力，響應信號相同頻率整周期采樣。
Af反映了掃頻速率的大小，包括瞬態響應衰減時間6和穩態響應時間一 "值影響響應的大小。掃描速率太快，則被測件的幅值達不到穩態諧振響應 的幅值。為保證系統的最大響應能近似達到穩態諧振響應值，在掃頻范圍內 應使任意頻率的響應的信噪比高于75dB，則其最小振動時間，也即瞬態響 應衰減時間A為201og丄，上75必 且f嚴m (1/f) (3)
其中/ ——被測結構件的固有頻率(Hz); 《——對應于/ 的阻尼比。
冉——最小瞬態響應衰減時間，保證f,為當前正弦掃頻信號周期
的整倍數。
m取滿足(3)式的最小自然數。 設穩態響應時間為/2， ^也為當前正弦掃頻信號周期的整倍數，則有-
A/ = ^ + ^ (4)
iii)對激振力信號/(f)和響應信號;^)的穩態響應部分，即^時間段數 據做數據處理，得到當前激振頻率的頻率響應函數。
首先對激振力信號/(0和響應信號少(0的穩態響應部分做FFT。分別得 到頻域內尸(/)， F(/)，并計算F(/)、 r(/)的共軛復函數F、/)、 y'(/)。
分別計算力信號/(/)和響應信號KO在&時間內的自功率譜
(5)
(6)
計算力信號/(0和響應信號乂0在Af時間內的互功率譜:
(7)
得激振力信號/(0和響應信號:KO的頻率響應函數
辟)=&
(8)
得力信號/(0和響應信號:KO的相干函數，它描述了激勵和響應的相關
程度記錄并存儲顯示當前頻率頻響函數的/Z(力的幅值、相位，及其相關性。
iv) 用計算機程序改變激振頻率，使/ = / + 4/\使激振頻率從一個離 散值跳到另一個離散值。A/決定了激振掃頻正弦信號的頻率分辨率，由于 計算機的精度遠遠高于通用數據采集卡，則A/最小值由數據采集卡精度決 定。在數據采集卡精度范圍內激振頻率分辨率可以任意選取。根據不同被測 件選用線性掃頻方式或對數掃頻方式。A/由這兩種掃頻方式決定。
對于線性掃頻，單位時間頻率的變化是一個常數，試驗中并不隨試驗頻 率的變化而變化。
-=!(Hz/s) (10)
其中/——正弦掃頻信號頻率(HZ)
對于對數掃頻，單位時間頻率對數的變化為一常數，理論上任何一種掃 描速度都不能保證得到穩態響應，但實際上采樣對數掃頻可以十分接近所希 望的穩態條件。
dt (11)
v) 重復(i-iv)步操作，直到掃頻到頻率上限/_。逐漸將每一個激 振頻率下的頻響函數幅值、相位一個個依次連接起來，并實時顯示。
3)至此得到了被測件準確的頻率響應函數數據，進行分析，計算其動
態性能參數，如利用半功率帶寬法求阻尼率
《2厶 (0
其中《——阻尼比；
A/一半功率帶寬;
/ ——共振頻率。
可見，分時快速穩態正弦掃頻激振頻響函數測量技術是自動實現一個頻 率接一個頻率逐步地對結構進行激振,得到各個頻率下的導納值逐點連接， 最終獲得完整的頻率響應曲線。
與現有技術相比，本實用新型具有以下優點(1) 與現有振動測試系統相比，該分時快速穩態正弦掃頻激振頻響函 數測量系統測振儀器通用，簡單可靠，便于安裝操作。
(2) 與現有振動測試技術相比，該分時快速穩態正弦掃頻激振頻響函 數測量技術綜合了以下優點
*穩態正弦激振，激振功率大能量集中，高階模態容易被擊出來； 參激勵響應選用穩態數據，具有較高信噪比(高于75dB); *具有較高頻率分辨率(由數據采集卡精度決定)，且整周期采樣，測 量結果精度高，可靠；
*采用對數掃頻亦可大大縮短測振時間。
(3) 經大量重復實驗驗證，該分時快速穩態正弦掃頻激振頻響函數測 量系統測試方便可靠，尤其對于現場測試效果甚佳。
(4) 該分時快速穩態正弦掃頻激振頻響函數測量系統設備結構更簡單， 便于安裝操作，具有明顯的成本優勢。
圖1分時快速穩態正弦掃頻激振頻響函數測量系統總體安裝圖2測試程序總體流程圖3頻響函數數據處理流程圖4實際測試頻響函數幅值譜圖5實際測試頻響函數相位譜圖。
具體實施方式
結合附圖1 4詳細說明本實施例。
本實施例主要包括分時快速穩態正弦掃頻激振頻響函數測量系統儀器 構成和測試程序兩部分。
(一)分時快速穩態正弦掃頻激振頻響函數測量系統儀器構成 如圖1分時快速穩態正弦掃頻激振頻響函數測量系統總體安裝圖所示。
激振系統采用IO公斤激振器JZK-IO，功率放大器YE5872A (200W);采用阻 抗頭CL-YD-331同時測量系統的激勵力信號和振動響應加速度信號，其力信 號電荷靈敏度為3.09 (PC/N)，加速度信號電荷靈敏度為4.49 (PC/mss); 采用電荷放大器YE5852B (六通道)對信號進行調理濾波；數據采集系統包括NIDAQPCI6221 (16位精度)、68針高性能屏蔽電纜、接線端子BNC2110。 通過高性能屏蔽電纜將數據采集卡和接線端子相連，連接通用計算機進行數 據采集、發送；掃頻信號的發生、激勵響應信號的數據處理分析保存顯示采 用基于通用計算機的軟件程序實現。
該分時快速穩態正弦掃頻激振頻響函數測量測試系統安裝按如下操作
1) 選定被測結構件的激振位置，原則是按相應的方式將激振器和力傳 感器，安裝到盡可能是各階振型都非節點或非節線的地方；選定拾振點和待 測振動參數(位移、速度、加速度)和傳感器，并用相應的方法將傳感器安 裝到被測件表面拾振點位置。
2) 通用計算機安裝數據采集卡(下文稱DAQ)，接線端子通過高性能屏 蔽電纜和數據采集卡相連。
3) 接線端子的信號輸出端口通過信號線連接功率放大器的輸入端口， 掃頻信號經功率放大器調理后驅動激振器激振。從相應傳感器拾取的激振力 信號和響應信號通過信號線接入電荷放大器的信號輸入端口，經過調理、濾 波后通過信號線接入接線端子。
(二)測試程序流程
圖2為測試程序總體流程圖，包括數據采集卡初始化部分、數據同步采 集控制部分、數據處理分析部分、結果保存顯示部分；其工作原理和過程如 下所述。
1) 打開功率放大器、電荷放大器預熱十五分鐘。啟動計算機程序，初 始化數據采集卡DAQ，設定激振力信號通道，選擇響應信號通道，并設定傳 感器靈敏度、增益。
2) 使用計算機程序發出正弦掃頻信號，同時采集振動響應信號，并完 成數據處理顯示存儲。具體實現如下所述
i )設定掃頻上限L和下限/^，計算機程序產生單一頻率為f的正弦 掃頻信號，初始/ = /自。具體為如下X序列所示
外.]=F x sin(27r/會) (/ = O，l, 2，…，"-1) (2)
其中，F——幅值；
Fs——采樣頻率(Hz) ， Fs要符合采樣定理，通常取Fs:10f;n——采樣數，由每一次單一頻率激振時間Af決定， 這里取n為IOK， A^l秒。
通過數據采集卡的輸出端口以某個固定采樣頻率Fs輸出給功率放大器， 信號經功率放大器調理后驅動激振器以當前頻率正弦信號激振被測件。
ii)激振開始的同時，啟動數據采集卡輸入通道以同樣的采樣頻率Fs 采集激振力信號/(0和響應信號KO。持續激振、同時采集信號Af秒，保證 A/為當前正弦掃描信號的IO倍以上整周期。做到激振力，響應信號相同頻 率整周期采樣。A/=k(l/f)， k為大于等于IO的自然數。
A/反映了掃頻速率的大小，其值影響響應的大小。掃描速率太快，則被 測件的幅值達不到穩態諧振響應的幅值。為保證系統的最大響應能近似達到 穩態諧振響應值，在掃頻范圍內應使任意頻率的響應的信噪比高于75dB， 則其最小振動時間，也即瞬態響應衰減時間^為
201og丄，上75必 且f「m (1/f) (3)
其中/ ——被測結構件的固有頻率(HZ); 《——對應于厶的阻尼比。
乓——最小瞬態響應衰減時間，保證^為當前正弦掃頻信號周期
的整倍數。
m取滿足(3)式的最小自然數。
設穩態響應時間為G， G也為當前正弦掃頻信號周期的整倍數也為，則
有
Af = ^ + f2 (4)
m)對激振力信號/(0和響應信號:KO的穩態響應部分，即^時間段數 據做數據處理，得到當前激振頻率的頻率響應函數。
首先對激振力信號/(0和響應信號XO的穩態響應部分做FFT。分別得
到頻域內F(/)， r(/)，并計算y(/)、 r(/)的共軛復函數y(y)、戶(/)。
分別計算力信號/(0和響應信號3^)在A/時間內的自功率譜(6)
計算力信號/0)和響應信號在A/時間內的互功率譜
Af (7)
得激振力信號/0)和響應信號;<0的頻率響應函數
(8)
得力信號/(0和響應信號yO)的相干函數，它描述了激勵和響應的相關
程度
2
2 ^ 4 ='
(9)
記錄并存儲顯示當前頻率頻響函數的//(》的幅值、相位，及其相關性。
iv) 用計算機程序改變激振頻率，使/ = / +厶/，這里取A/4，使激振 頻率從一個離散值跳到另一個離散值。A/最小值由數據采集卡精度決定， 這里數據采集卡精度為16位。這里選用線性掃頻方式。
對于線性掃頻，單位時間頻率的變化是一個常數，試驗中并不隨試驗 頻率的變化而變化。
(Hz/s) (10)
其中/——正弦掃頻信號頻率(HZ) 這里/ = 1。
v) 重復(i-iv)步操作，直到掃頻到頻率上限/_。逐漸將每一個激 振頻率下的頻響函數幅值、相位一個個依次連接起來，并實時顯示。
3)至此得到了被測件準確的頻率響應函數數據，進行分析，計算其動 態性能參數，如利用半功率帶寬法求阻尼率
《=
2/" 似其中《——阻尼比；A/——半功率帶寬； / ——共振頻率。可見，該分時快速穩態正弦掃頻激振頻響函數測量技術是自動實現一個頻率一個頻率緩慢地對結構進行激振，得到各個頻率下的導納值逐點連接，最終獲得完整的頻率響應曲線。本測量系統一次實際測試頻響函數幅值譜、相位譜曲線如圖4所示。峰值相位吻合較好，精度較高。以上所述為本實用新型的一個實例，我們還可對將程序升級為對數掃頻 模式，以縮短測試時間。只要其測振系統儀器構成和測試思想同本實用新型 所敘述的一致，均應視為本實用新型所包括的范圍。
權利要求1、一種分時快速穩態正弦掃頻激振頻響函數測量系統，其特征在于包括PC機、安裝在PC機上的數據采集卡、以及功率放大器、電荷放大器、激振器、用于測量激勵力信號的力傳感器和用于測量振動響應信號的振動傳感器；激振器、力傳感器和振動傳感器均安裝在被測結構件上；數據采集卡通過接線端子與功率放大器的輸入端相連，功率放大器的輸出端與激振器相連，PC機發出的掃描信號經過功率放大器調理后驅動激振器激振；力傳感器信號和振動傳感器信號的輸出端與電荷放大器的輸入端相連，電荷放大器的輸出端通過接線端子與數據采集卡相連，從相應傳感器拾取的激振力信號和響應信號通過電荷放大器調理、濾波后通過接線端子傳送到PC機中進行處理。
2、 根據權利要求1所述的一種分時快速穩態正弦掃頻激振頻響函數測量系統，其特征在于所述的振動傳感器為位移傳感器、速度傳感器或加速度傳感器。
專利摘要本實用新型涉及一種分時快速穩態正弦掃頻激振頻響函數測量系統及方法，屬于振動測試技術領域。本實用新型中的激振系統采用激振器、功率放大器。采用力傳感器和振動傳感器同時測量系統的激勵力信號和振動響應信號。采用電荷放大器對信號進行調理濾波。數據采集系統通過高性能屏蔽電纜將數據采集卡和接線端子相連，連接通用計算機進行數據采集、發送。掃頻信號的發生、激勵響應信號的數據處理分析保存顯示采用基于通用計算機的軟件程序實現。本實用新型實現了快速穩態正弦掃頻激振，激勵響應信號整周期采樣，得出的頻響函數曲線精確可靠。該測試系統由計算機程序引導自動完成，測試方法嚴謹可靠，對于結構部件的動態性能測試具有重要的意義。
文檔編號G01M7/02GK201408105SQ20092010702
公開日2010年2月17日 申請日期2009年5月15日 優先權日2009年5月15日
發明者伍良生, 周大帥, 王永賓 申請人:北京工業大學