專利名稱：基于單點激光連續(xù)平面掃描測振的模態(tài)測試系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于單點激光連續(xù)恒速平面掃描測振的振動物體純模態(tài)測試系統(tǒng)及方法，實現(xiàn)了振動物體純模態(tài)全視野、高精度、快速測試。
背景技術(shù)：
作為振動工程理論的一個重要分支，模態(tài)分析是研究物理參數(shù)模型、模態(tài)參數(shù)模型和非參數(shù)模型的關(guān)系，并通過一定手段確定這些系統(tǒng)模型的理論及其應(yīng)用的一門學(xué)科。模態(tài)分析為各種產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能評估提供了一個強(qiáng)有力的工具，其可靠的實驗結(jié)果往往作為產(chǎn)品性能評估的有效標(biāo)準(zhǔn)。通過實驗及數(shù)據(jù)處理來識別實際結(jié)構(gòu)的動力學(xué)模型，是近三十多年來結(jié)構(gòu)動力特性研究方面的一個重要發(fā)展。振動響應(yīng)是進(jìn)行實驗?zāi)B(tài)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(tài)，影響測試精度，并且在許多場合無法使用，如揚(yáng)聲器膜片的振動、生物細(xì)胞的抖動以及旋轉(zhuǎn)光盤的跳動等測試，因此應(yīng)用范圍受到了極大的限制。而非接觸測試方法無需擔(dān)心此問題，同時現(xiàn)代測試計量技術(shù)的高精度、高效率、無損傷等要求，也決定了測試計量技術(shù)向著非接觸測量方向發(fā)展。多普勒激光測振技術(shù)具有非接觸、精度高等特點，現(xiàn)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(shù)進(jìn)行模態(tài)測試常用的方法是在待測物體上標(biāo)記一系列的測點，然后逐步測量這些點的振動情況，再經(jīng)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(xì)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(shù)據(jù)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(fā)展方向是在更短的時間從實驗中提供一組更完整的數(shù)據(jù)，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(xù)平面掃描測振的模態(tài)測試方法是利用單點激光測振儀的激光在振動物體上運(yùn)動，進(jìn)行連續(xù)恒速平面掃描測振，可以在極短的時間里對振動體進(jìn)行全視野振動的測量，從而得到振動體的模態(tài)振型，測量精度高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足提供一種基于單點激光連續(xù)平面掃描測振的模態(tài)測試系統(tǒng)及方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下:—種基于單點激光連續(xù)平面掃描測振的模態(tài)測試系統(tǒng)，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(dāng)三軸精密滑動平臺運(yùn)動時即帶動激光頭做相應(yīng)的運(yùn)動，根據(jù)實際的需要在不同的固有頻率下設(shè)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(nèi)置信號發(fā)生器發(fā)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(yīng)的固有頻率下使用激光連續(xù)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(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)而求出相應(yīng)固有頻率下的模態(tài)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(jīng)過靈敏度的校核處理變?yōu)樗俣刃盘枺徊捎脭?shù)字濾波的頻域方法進(jìn)行濾波；將速度信號轉(zhuǎn)化成位移信號；再經(jīng)位移信號幅值點的滑動平均求取信號的上下交替包絡(luò)線，最后進(jìn)行曲線擬合得到固有頻率下的模態(tài)振型?；谒龅幕趩吸c激光連續(xù)平面掃描測振的模態(tài)測試系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)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(nèi)置信號發(fā)生器發(fā)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(yīng)的固有頻率下使用激光連續(xù)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(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)而求出相應(yīng)固有頻率下的模態(tài)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(jīng)過靈敏度的校核處理變?yōu)樗俣刃盘?；采用?shù)字濾波的頻域方法進(jìn)行濾波；將速度信號轉(zhuǎn)化成位移信號；再經(jīng)位移信號幅值點的滑動平均求取信號的上下交替包絡(luò)線，最后進(jìn)行曲線擬合得到固有頻率下的模態(tài)振型。經(jīng)過本發(fā)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?zāi)Ｐ褪腔疽恢?，由于有限元模型和實例的模型在材料的物理力學(xué)特征、阻尼特征、結(jié)構(gòu)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(jié)果和實測的結(jié)果存在細(xì)微的偏差，從另一方面，正是由于這些細(xì)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(tài)波動振型對照，由圖8中可以得到，前四階模態(tài)的振型是基本一致。因此，通過本方法得到的模態(tài)測試結(jié)果是正確的。


圖1為單點激光連續(xù)恒速平面掃描測振原理圖；圖2為弦前三階振型及其相應(yīng)的激光測振位移時域圖；a第一階模態(tài)振型，b第一階模態(tài)激光測振位移時域圖，c第二階模態(tài)振型，d第二階模態(tài)激光測振位移時域圖，e第三階模態(tài)振型，f第三階模態(tài)激光測振位移時域圖；圖3為振動數(shù)據(jù)處理的工作流程圖；圖4為上下交替包絡(luò)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(tǒng)的驅(qū)動電壓；圖7為定頻分析下薄壁梁的模態(tài)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(tài)波動振型對照圖；&有限元分析第一階模態(tài)波動振型，b實驗測試第一階模態(tài)波動振型，c有限元分析第二階模態(tài)波動振型，d實驗測試第二階模態(tài)波動振型，e有限元分析第三階模態(tài)波動振型，f實驗測試第三階模態(tài)波動振型，g有限元分析第四階模態(tài)波動振型，h實驗測試第四階模態(tài)波動振型。
具體實施例方式以下結(jié)合具體實施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。I單點激光連續(xù)恒速平面掃描測振系統(tǒng)實現(xiàn)方案要實現(xiàn)單點激光測振儀的激光在振動體上的連續(xù)恒速平面掃描運(yùn)動，并在運(yùn)動中采集可用的振動信號，就必須使激光按設(shè)定的運(yùn)動方式運(yùn)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(zhuǎn)動，實現(xiàn)連續(xù)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(tǒng)(單點多普勒激光測振儀VibroMet500V, NI4431采集卡)、激振系統(tǒng)(ESD-010模態(tài)激振儀，包括PA—1200功率放大器、ESD-010激振器、電腦內(nèi)置的信號發(fā)生軟件)，分析處理模塊。2單點激光連續(xù)恒速平面掃描測振模態(tài)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(quán)利要求
1.一種基于單點激光連續(xù)平面掃描測振的模態(tài)測試系統(tǒng)，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(dāng)三軸精密滑動平臺運(yùn)動時即帶動激光頭做相應(yīng)的運(yùn)動，根據(jù)實際的需要在不同的固有頻率下設(shè)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(nèi)置信號發(fā)生器發(fā)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(yīng)的固有頻率下使用激光連續(xù)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(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)而求出相應(yīng)固有頻率下的模態(tài)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(jīng)過靈敏度的校核處理變?yōu)樗俣刃盘?；采用?shù)字濾波的頻域方法進(jìn)行濾波；將速度信號轉(zhuǎn)化成位移信號；再經(jīng)位移信號幅值點的滑動平均求取信號的上下交替包絡(luò)線，最后進(jìn)行曲線擬合得到固有頻率下的模態(tài)振型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于單點激光連續(xù)平面掃描測振的模態(tài)測試系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)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(nèi)置信號發(fā)生器發(fā)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(yīng)的固有頻率下使用激光連續(xù)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(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)而求出相應(yīng)固有頻率下的模態(tài)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(jīng)過靈敏度的校核處理變?yōu)樗俣刃盘枺徊捎脭?shù)字濾波的頻域方法進(jìn)行濾波；將速度信號轉(zhuǎn)化成位移信號；再經(jīng)位移信號幅值點的滑動平均求取信號的上下交替包絡(luò)線，最后進(jìn)行曲線擬合得到固有頻率下的模態(tài)振型。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于單點激光連續(xù)平面掃描測振的模態(tài)測試系統(tǒng)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(yīng)的固有頻率下使用激光連續(xù)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(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)而求出相應(yīng)固有頻率下的模態(tài)振型；經(jīng)過本發(fā)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?zāi)Ｐ褪腔疽恢隆?br> 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(yōu)先權(quán)日2013年2月1日
發(fā)明者李學(xué)軍, 伍濟(jì)鋼, 覃斌, 王廣斌, 韓清凱, 楊曾增, 李曜洲 申請人:湖南科技大學(xué)