專利名稱：基于單點激光連續平面掃描測振的模態測試系統及方法
技術領域：
本發明涉及一種基于單點激光連續恒速平面掃描測振的振動物體純模態測試系統及方法，實現了振動物體純模態全視野、高精度、快速測試。
背景技術：
作為振動工程理論的一個重要分支，模態分析是研究物理參數模型、模態參數模型和非參數模型的關系，并通過一定手段確定這些系統模型的理論及其應用的一門學科。模態分析為各種產品的結構設計和性能評估提供了一個強有力的工具，其可靠的實驗結果往往作為產品性能評估的有效標準。通過實驗及數據處理來識別實際結構的動力學模型，是近三十多年來結構動力特性研究方面的一個重要發展。振動響應是進行實驗模態分析的前提，對于振動的測試按測試方式可分為兩種:接觸式和非接觸式。接觸式測試方法需要把振動傳感器附著于待測物體表面，這樣往往會破壞被測物體原有的振動狀態，影響測試精度，并且在許多場合無法使用，如揚聲器膜片的振動、生物細胞的抖動以及旋轉光盤的跳動等測試，因此應用范圍受到了極大的限制。而非接觸測試方法無需擔心此問題，同時現代測試計量技術的高精度、高效率、無損傷等要求，也決定了測試計量技術向著非接觸測量方向發展。多普勒激光測振技術具有非接觸、精度高等特點，現越來越多地被用于各種振動測試中。使用多普勒激光測振技術進行模態測試常用的方法是在待測物體上標記一系列的測點，然后逐步測量這些點的振動情況，再經過大量的信號分析處理來得到待測物體的固有頻率和振動形狀。但由于待測物體上每個點都有各自精確的位置和不同的振動情況，這樣就必須迫使用戶必須仔細選擇和布置測點，并投入大量的時間在實驗的測量中和最終數據處理上，這樣勢必給實驗工作帶來諸多的不便。而實驗研究發展方向是在更短的時間從實驗中提供一組更完整的數據，以提高在模型更新過程中的整體效率和可靠性。提出的基于單點激光連續平面掃描測振的模態測試方法是利用單點激光測振儀的激光在振動物體上運動，進行連續恒速平面掃描測振，可以在極短的時間里對振動體進行全視野振動的測量，從而得到振動體的模態振型，測量精度高。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是針對現有技術的不足提供一種基于單點激光連續平面掃描測振的模態測試系統及方法。本發明的技術方案如下:—種基于單點激光連續平面掃描測振的模態測試系統，包括被測量的工件、三軸精密滑動平臺、激光測振儀、激振器和分析處理模塊；激光測振儀的激光頭用夾具固定在三軸精密滑動平臺上面，當三軸精密滑動平臺運動時即帶動激光頭做相應的運動，根據實際的需要在不同的固有頻率下設定不同的移動速度；將被測量的工件固定在激振器的激振頭上，由激振器的內置信號發生器發出正弦激勵信號，傳遞給功率放大器，再由功率放大器傳遞給激振頭，帶動被測量的工件的振動；先用激振器對被測量的工件做掃頻分析，找出它的固有頻率，在相應的固有頻率下使用激光連續恒速平面掃描測振的方法測得工件的振動情況，再使用分析處理模塊對振動數據進行處理，進而求出相應固有頻率下的模態振型；分析處理模塊的具體處理方法為:由DAQ采集卡輸出的信號為電壓信號，經過靈敏度的校核處理變為速度信號；采用數字濾波的頻域方法進行濾波；將速度信號轉化成位移信號；再經位移信號幅值點的滑動平均求取信號的上下交替包絡線，最后進行曲線擬合得到固有頻率下的模態振型。基于所述的基于單點激光連續平面掃描測振的模態測試系統進行模態測試的方法，將被測量的工件固定在激振器的激振頭上，由激振器的內置信號發生器發出正弦激勵信號，傳遞給功率放大器，再由功率放大器傳遞給激振頭，帶動被測量的工件的振動；先用激振器對被測量的工件做掃頻分析，找出它的固有頻率，在相應的固有頻率下使用激光連續恒速平面掃描測振的方法測得工件的振動情況，再使用分析處理模塊對振動數據進行處理，進而求出相應固有頻率下的模態振型；分析處理模塊的具體處理方法為:由DAQ采集卡輸出的信號為電壓信號，經過靈敏度的校核處理變為速度信號；采用數字濾波的頻域方法進行濾波；將速度信號轉化成位移信號；再經位移信號幅值點的滑動平均求取信號的上下交替包絡線，最后進行曲線擬合得到固有頻率下的模態振型。經過本發明對薄壁梁的有限元分析及實驗，可以看出有限元模型和實驗模型是基本一致，由于有限元模型和實例的模型在材料的物理力學特征、阻尼特征、結構尺寸形狀、約束條件等方面存在一些客觀的差別，仿真模型的結果和實測的結果存在細微的偏差，從另一方面，正是由于這些細微的偏差證明了實際測試的重要性。圖8為有限元分析與實驗測試的前四階模態波動振型對照，由圖8中可以得到，前四階模態的振型是基本一致。因此，通過本方法得到的模態測試結果是正確的。
圖1為單點激光連續恒速平面掃描測振原理圖；圖2為弦前三階振型及其相應的激光測振位移時域圖；a第一階模態振型，b第一階模態激光測振位移時域圖，c第二階模態振型，d第二階模態激光測振位移時域圖，e第三階模態振型，f第三階模態激光測振位移時域圖；圖3為振動數據處理的工作流程圖；圖4為上下交替包絡線求取的程序流程圖；圖5為薄壁梁的掃描路徑示意圖；圖6為掃頻實驗中激振系統的驅動電壓；圖7為定頻分析下薄壁梁的模態振型；a、14.4HZ的振型，b、91.5HZ的振型，C、256.4HZ的振型，d、507.1HZ的振型；圖8為有限元分析與實驗測試的前四階模態波動振型對照圖；&有限元分析第一階模態波動振型，b實驗測試第一階模態波動振型，c有限元分析第二階模態波動振型，d實驗測試第二階模態波動振型，e有限元分析第三階模態波動振型，f實驗測試第三階模態波動振型，g有限元分析第四階模態波動振型，h實驗測試第四階模態波動振型。
具體實施例方式以下結合具體實施例，對本發明進行詳細說明。I單點激光連續恒速平面掃描測振系統實現方案要實現單點激光測振儀的激光在振動體上的連續恒速平面掃描運動，并在運動中采集可用的振動信號，就必須使激光按設定的運動方式運動。通過X、Y、Z三維移動臺和云臺控制單點激光測振儀的位置及角度轉動，實現連續恒速平面掃描功能，圖1為基本原理圖，包括:被測量的工件(相對較窄的薄壁梁)、三軸精密滑動平臺及其控制裝置(型號:ACR9000-9030-9040)、激光多普勒測振儀及采集系統(單點多普勒激光測振儀VibroMet500V, NI4431采集卡)、激振系統(ESD-010模態激振儀，包括PA—1200功率放大器、ESD-010激振器、電腦內置的信號發生軟件)，分析處理模塊。2單點激光連續恒速平面掃描測振模態測試原理先討論兩端固定的弦的自由振動情況，其方程可以表示為:
權利要求
1.一種基于單點激光連續平面掃描測振的模態測試系統，其特征在于，包括被測量的工件、三軸精密滑動平臺、激光測振儀、激振器和分析處理模塊；激光測振儀的激光頭用夾具固定在三軸精密滑動平臺上面，當三軸精密滑動平臺運動時即帶動激光頭做相應的運動，根據實際的需要在不同的固有頻率下設定不同的移動速度；將被測量的工件固定在激振器的激振頭上，由激振器的內置信號發生器發出正弦激勵信號，傳遞給功率放大器，再由功率放大器傳遞給激振頭，帶動被測量的工件的振動；先用激振器對被測量的工件做掃頻分析，找出它的固有頻率，在相應的固有頻率下使用激光連續恒速平面掃描測振的方法測得工件的振動情況，再使用分析處理模塊對振動數據進行處理，進而求出相應固有頻率下的模態振型；分析處理模塊的具體處理方法為:由DAQ采集卡輸出的信號為電壓信號，經過靈敏度的校核處理變為速度信號；采用數字濾波的頻域方法進行濾波；將速度信號轉化成位移信號；再經位移信號幅值點的滑動平均求取信號的上下交替包絡線，最后進行曲線擬合得到固有頻率下的模態振型。
2.根據權利要求1所述的基于單點激光連續平面掃描測振的模態測試系統進行模態測試的方法，其特征在于，將被測量的工件固定在激振器的激振頭上，由激振器的內置信號發生器發出正弦激勵信號，傳遞給功率放大器，再由功率放大器傳遞給激振頭，帶動被測量的工件的振動；先用激振器對被測量的工件做掃頻分析，找出它的固有頻率，在相應的固有頻率下使用激光連續恒速平面掃描測振的方法測得工件的振動情況，再使用分析處理模塊對振動數據進行處理，進而求出相應固有頻率下的模態振型；分析處理模塊的具體處理方法為:由DAQ采集卡輸出的信號為電壓信號，經過靈敏度的校核處理變為速度信號；采用數字濾波的頻域方法進行濾波；將速度信號轉化成位移信號；再經位移信號幅值點的滑動平均求取信號的上下交替包絡線，最后進行曲線擬合得到固有頻率下的模態振型。
全文摘要
本發明公開了一種基于單點激光連續平面掃描測振的模態測試系統和方法，將被測量的工件固定在激振器的激振頭上，帶動被測量的工件的振動；先用激振器對被測量的工件做掃頻分析，找出它的固有頻率，在相應的固有頻率下使用激光連續恒速平面掃描測振的方法測得工件的振動情況，再使用分析處理模塊對振動數據進行處理，進而求出相應固有頻率下的模態振型；經過本發明對薄壁梁的有限元分析及實驗，可以看出有限元模型和實驗模型是基本一致。
文檔編號G01H9/00GK103175602SQ201310051710
公開日2013年6月26日 申請日期2013年2月1日 優先權日2013年2月1日
發明者李學軍, 伍濟鋼, 覃斌, 王廣斌, 韓清凱, 楊曾增, 李曜洲 申請人:湖南科技大學