專利名稱：一體化模態分析儀的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種實驗分析儀器，具體為一種虛擬式的一體化實驗模態分析 儀，屬于振動測試技術領域。
技術背景模態分析用于研究各種機器、建筑物、航天航空飛行器、船舶、汽車等的實際結構 振動。近年來，隨著計算機技術、FFT(傅里葉)分析儀、高速數據采集系統以及振動傳感器 等技術的發展，實驗模態分析得到了快速的發展，已有多種模態分析測試系統投入使用。目前的模態分析儀器，通常是將多種儀器聯合起來使用，即在測試時將實驗檢測、 信號采集、信號調理以及數據分析等步驟分別用不同的儀器單獨操作，再將其結果匯總，這 樣就造成需要龐大而繁瑣的系統，由于各種儀器之間存在兼容性以及精度的差異，檢測所 得到的數據精度也較低，儀器的抗干擾能力較弱，與實際設備的振動形態差異較大，失真率 過高而可靠性很低，影響了測試的結果，而且由于需要多種儀器共同工作，也不便于攜帶。同時，目前很多高端儀器都采用了一體化的設計，其特點是將前端調理、數據采集 器、控制器、存儲器、CPU、顯示器、電源、面板調控件等裝置作為整臺儀器的支撐，而儀器的 功能采用軟件來計算分析。這種一體化儀器具有原有儀器的形態、同樣的操作方法和習慣， 同時還具有功能取舍的靈活性。因此，在振動測試技術領域引入一體化的設計理念，并運用 這種思想對現有設備進行改進，是一個新的研究方向。
實用新型內容針對現有技術中的上述不足，本實用新型的目的在于提供一種精度高、抗干擾能 力強、便攜性好的虛擬式一體化模態分析儀，它是基于一體化虛擬儀器技術、振動測試技術 和模態分析方法的綜合應用。本實用新型的目的是這樣實現的一體化模態分析儀，包括分析儀殼體；其特征 在于，在殼體內設有依次電連接的嵌入式計算機、采集卡、測振處理模塊和電荷放大器；在 殼體上設有用于連接脈沖力錘的第一傳感器輸入接口，以及用于連接壓電加速度傳感器的 第二傳感器輸入接口，所述兩個傳感器輸入接口均與電荷放大器的輸入端連接；所述脈沖 力錘和壓電加速度傳感器獲取檢測對象的激勵和響應信號，經電荷放大器放大后，輸入到 測振處理模塊處理，再通過采集卡采集到嵌入式計算機，該嵌入式計算機通過其內置的模 態分析程序對輸入的信號進行處理，并將分析結果通過與其連接的外部設備輸出。進一步，所述嵌入式計算機上連接的外部設備包括液晶顯示屏、鼠標、鍵盤以及打 印機，所述液晶顯示屏設置在殼體的面板上，在嵌入式計算機上接有若干個用于連接外部 設備的串、并行接口，所述串、并行接口均設置在殼體上，所述嵌入式計算機由外部交流電本實用新型的一體化模態分析儀是將通用商業計算機過渡到嵌入式系統，并集成 采集設備、調理設備和人機交互裝置，簡化一般虛擬儀器測試系統中計算機及外設、電源系統、采集設備和調理設備構成的繁瑣系統，這樣有利于現場和工廠等使用。進一步，在殼體上還設有一組用于調節脈沖力錘激勵信號的調節旋鈕和一組用于 調節壓電加速度傳感器響應信號的調節旋鈕；所述兩組調節旋鈕均連接到嵌入式計算機的 控制端。所述兩組調節旋鈕均可用于調節信號的量程和選擇不同的功能，并根據不同的測 試對象調節輸出值的大小。在殼體上還設有信號選擇開關，所述信號選擇開關與電荷放大器聯通，電荷放大 器通過信號選擇開關的檔位選擇檢測信號的輸入模式。在使用分析儀時，需要先選擇好信 號選擇開關的檔位，以便采集不同的數據。相對于現有技術，本實用新型具有以下優點1、采用一體化的設計，將計算機、采集卡、測振處理模塊和電荷放大器等集成為一 體，具備特定的硬件設備和傳輸導線，可以完成系統的整體校正，達到很高的精度，而且可 靠性較好；2、由于將電荷放大器置于儀器的輸入端口，具有明確的阻抗匹配特征，方便用戶 連接合適傳感器和調理設備等，加強了防止電磁干擾措施；3、儀器外形更加美觀和精致，便于攜帶，還可以集成其他的測試儀器，重復性程度 高，使硬件儀器真正做到“一機多類”；4、結構簡單、成本較低，而且軟件與硬件分離，方便程序更新、升級，還可配置豐富 的軟件包，實現時域和頻域上的不同的模態分析方法，可以同時配合其他的振動測試軟件 (記憶示波器、動態信號分析儀、小波分析儀等)使用。
圖1為本實用新型一體化模態分析儀的主視圖；圖2為圖1的后視圖；圖3為本實用新型的結構框圖；圖4為本實用新型的一種使用狀態圖。圖中，1-殼體，2-嵌入式計算機，3-采集卡，4-測振處理模塊，5-電荷放大器， 6-脈沖力錘，7-壓電加速度傳感器，8-振動實驗臺，9-鼠標，10-鍵盤，11-打印機，12-第一 傳感器輸入接口，13-第二傳感器輸入接口，14-液晶顯示屏，15-信號選擇開關，16-功率波 形輸出接口，17-信號幅度調節旋鈕，18-頻率粗調旋鈕，19-量程選擇旋鈕，20-功能選擇旋 鈕，21-功率幅度調節旋鈕，22-頻率微調旋鈕，23-量程選擇旋鈕，24-功能選擇旋鈕，25-A/ B功率輸出選擇旋鈕，26-外部信號輸入接口，27-內/外信號源選擇開關，28-恒壓/恒流 源選擇開關，29-功率輸出A接口，30-功率輸出B接口，31-保險管，32-電源開關，33-電源 插座，34-鍵盤接口，35-鼠標接口，36-USB接口。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步說明。如圖1、圖3和圖4所示，一體化模態分析儀，包括分析儀殼體1，在殼體1內設有嵌入式計算機2、采集卡3、測振處理模塊4和電荷放大器5，所述嵌入式計算機2具有常用 計算機的所有功能，電荷放大器5內設有信號放大電路，采集卡3用于采集經測振處理模塊4處理后的信號。在殼體1上設有兩個傳感器輸入接口，其中，第一傳感器輸入接口 12通過連接線插接有脈沖力錘6，第二傳感器輸入接口 13通過連接線插接有壓電加速度傳感器 7 ；連接時，使用的連接線為常用的材質較軟的電線，其長度根據所需測量的檢測對象距離 而定，所述兩個傳感器輸入接口均與電荷放大器5的輸入端相連；所述脈沖力錘6和壓電加 速度傳感器7獲取檢測對象的激勵和響應信號，所述信號經電荷放大器5放大后，輸入到測 振處理模塊4處理，再通過采集卡3采集到嵌入式計算機2，嵌入式計算機2通過其內置的 模態分析程序對輸入的信號進行處理，并將分析結果通過與其連接的外部設備輸出。參見圖2，在殼體1上設有功率波形輸出接口 16，脈沖力錘6同時也連接到功率波 形輸出接口 16，嵌入式計算機2通過功率波形輸出接口 16將脈沖信號發送至脈沖力錘6， 所述脈沖力錘6收到脈沖信號后向檢測對象施加脈沖激勵的同時又將脈沖信號反饋至電 荷放大器5 ；同時，壓電加速度傳感器7將測得的固定點的響應數據也反饋至電荷放大器5 ； 在電荷放大器5上連接有信號選擇開關15，信號選擇開關15設置在殼體1上，信號選擇開 關15上設置有不同的檔位，通過選擇檔位可選擇只接收脈沖力錘6的激勵信號，只接收壓 電加速度傳感器7的響應信號或兩種信號同時接收等幾種模式，從而控制電荷放大器5的 輸出信號。參見圖1和圖3，本實用新型中嵌入式計算機2上連接的外部設備包括液晶顯示屏 14、鼠標9、鍵盤10以及打印機11，所述液晶顯示屏14設置在殼體1的面板上，在嵌入式計 算機2上接有若干個用于連接外部設備的串、并行接口，所述串、并行接口均設置在殼體1 上，所述嵌入式計算機2由外部交流電源供電。在殼體1上還設有一組用于調節脈沖力錘激勵信號的調節旋鈕和一組用于調節 壓電加速度傳感器響應信號的調節旋鈕；其中用于控制激勵信號的調節旋鈕包括信號幅度 調節旋鈕17、頻率粗調旋鈕18、量程選擇旋鈕19和功能選擇旋鈕20，用于控制響應信號的 調節旋鈕包括功率幅度調節旋鈕21、頻率微調旋鈕22、量程選擇旋鈕23和功能選擇旋鈕 24 ；所述兩組調節旋鈕均連接到嵌入式計算機2的控制端。在選擇和調節激勵信號和響應 信號時，可同時對各組中的旋鈕進行調節，以達到最佳的輸出效果，根據不同的測試對象， 其調節幅度、量程以及功能選擇等都有區別，操作人員可根據實際情況而定。本實用新型的工作原理是進行模態分析實驗時，接通電源后，先分別通過兩組調節旋鈕，對激勵信號和響應 信號的量程等進行選擇和調節，然后用脈沖力錘6依次錘擊振動實驗臺8上的點，產生激勵 信號，同時通過壓電加速度傳感器7測量固定點的響應數據，兩個通道的激勵和響應電信 號通過電荷放大器5放大，再通過測振處理模塊4進行處理，最后兩通道的激勵和響應數據 通過采集卡3采集到嵌入式計算機2中。進行模態分析時，嵌入式計算機2通過其內部安裝的模態分析程序，將已測得的 激勵和響應兩通道的信號關系，分別進行快速Fourier (傅里葉，FFT)變換分析，得到任意 兩點之間的機械導納函數(傳遞函數)。再通過對實驗導納函數的曲線擬合，識別出結構物 體的模態參數，從而建立起結構物體的模態模型。根據模態疊加原理，在已知各種載荷時間 歷程的情況下，就可以預言結構物體的實際振動的響應歷程或響應譜，從而得出所求結構 的模態參數和物理參數，并通過動畫方式在模態分析儀上顯示所求結構的各階振形。在實驗測試過程中，本實用新型的一體化模態分析儀通過連接的鼠標9和鍵盤10進行交互，最后的模態分析結果通過液晶顯示屏14進行顯示，模態實驗結果報表可通過外 置的打印機11打印。嵌入式計算機中安裝的模態分析程序部分工作于微軟公司的Windows操作系統 平臺，采用 Visual C++6. 0 編程語言編程，可在 Windows 2000/XP/NT, Windows Vista 及后 續版本的操作系統平臺下工作。作為本實用新型的軟件部分，允許其脫離本實用新型的硬 件部分獨立運行。最后需要說明的是，以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案而非限制技術 方案，盡管申請人參照較佳實施例對本實用新型進行了詳細說明，本領域的普通技術人員 應當理解，那些對本實用新型的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的 宗旨和范圍，均應涵蓋在本實用新型的權利要求范圍當中。
權利要求一體化模態分析儀，包括分析儀殼體(1)；其特征在于，在殼體(1)內設有依次電連接的嵌入式計算機(2)、采集卡(3)、測振處理模塊(4)和電荷放大器(5)；在殼體(1)上設有用于連接脈沖力錘(6)的第一傳感器輸入接口(12)，以及用于連接壓電加速度傳感器(7)的第二傳感器輸入接口(13)，所述兩個傳感器輸入接口均與電荷放大器(5)的輸入端連接；所述脈沖力錘(6)和壓電加速度傳感器(7)獲取檢測對象的激勵和響應信號，經電荷放大器(5)放大后，輸入到測振處理模塊(4)處理，再通過采集卡(3)采集到嵌入式計算機(2)；嵌入式計算機(2)通過其內置的模態分析程序對輸入的信號進行處理，并將分析結果通過與其連接的外部設備輸出。
2.根據權利要求1所述的一體化模態分析儀，其特征在于，所述嵌入式計算機(2)上連 接的外部設備包括液晶顯示屏(14)、鼠標(9)、鍵盤(10)以及打印機(11)；所述液晶顯示 屏(14)設置在殼體(1)的面板上，在嵌入式計算機(2)上接有若干個用于連接外部設備的 串、并行接口，所述串、并行接口均設置在殼體(1)上，所述嵌入式計算機(2)由外部交流電
3.根據權利要求1所述的一體化模態分析儀，其特征在于，在殼體(1)上還設有一組用 于調節脈沖力錘激勵信號的調節旋鈕和一組用于調節壓電加速度傳感器響應信號的調節 旋鈕；所述兩組調節旋鈕均連接到嵌入式計算機(2)的控制端。
4.根據權利要求1所述的一體化模態分析儀，其特征在于，在殼體(1)上還設有信號選 擇開關(15)，所述信號選擇開關(15)與電荷放大器(5)連接，電荷放大器(5)通過信號選 擇開關(15)的檔位選擇檢測信號的輸入模式。
專利摘要一體化模態分析儀，包括分析儀殼體，在殼體內設有依次電連接的嵌入式計算機、采集卡、測振處理模塊和電荷放大器；在殼體上設有用于連接脈沖力錘的第一傳感器輸入接口，以及用于連接壓電加速度傳感器的第二傳感器輸入接口，所述兩個傳感器輸入接口均與電荷放大器的輸入端連接；所述脈沖力錘和壓電加速度傳感器獲取檢測對象的激勵和響應信號，經電荷放大器放大后，輸入到測振處理模塊處理，再通過采集卡采集到嵌入式計算機，該嵌入式計算機通過其內置的模態分析程序對輸入的信號進行處理，并將分析結果通過與其連接的外部設備輸出。本實用新型是將商業計算機過渡到嵌入式系統，并集成采集設備、調理設備和人機交互裝置，有利于現場和工廠等使用。
文檔編號G01M7/02GK201569554SQ200920294299
公開日2010年9月1日 申請日期2009年12月31日 優先權日2009年12月31日
發明者季忠, 秦樹人, 黃捷 申請人:重慶大學