模态分析与综合技术第7章 信号测量

第7章 信号测量
7.4 激励装置
3 阶跃激励装置 阶跃激励是模态实验中特有的一种激励方 式，它是通过突加或突卸力载荷(或位移)实现对 系统的瞬态激励。 如使用刚度大、重量轻的缆索拉紧被测结 构某一部分，突然释放缆索中的拉力，形成系 统的一个阶跃激励。 阶跃激励的特点：能量大；激励高频成分 少。故适用于大型、重型结构的模态分析。
第7章 模态测试技术
7.1 引言
对于一个确定的实验对象，一般的振动测 试系统由以下三部分组成：
激振部分-输入 拾振部分-一次仪表 显示、分析部分-二次仪表 如果进行模态实验分析，上述三部分可更 详细地叙述如下：
第7章 信号测量
7.1 引言
将实验结构以适当方式支撑起来 选择适当方式激励实验结构，通过拾振 系统测量激励和响应的时间历程 将记录到的激励和响应时间历程信号送 入A/D，将连续的模拟信号转换为离散的数字 信号 把上述时域数字信号进行FFT转换，转换 到频域 模态参数识别
第7章 信号测量
7.4 激励装置
1 激振器系统 （3）激振器
电动液压式激振器是一种电控制、液压驱 动的激振器，结构要比电动式激振器复杂得多。 它由电动部分、液压驱动部分和激振部分组成。 工作原理是，经功率放大器放大的激励信号送至 电动部分，经液压驱动部分将激振力放大。
电动液压式激振器是一种大型激振设备，可 承受几千牛顿的预压力和高达几百千牛顿的激振 力。
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7.4 激励装置
1 激振器系统 （2）功率放大器 信号发生器提供的激励信号主要是包含特 定频率成分和作用时间的电压信号，一般能量 很小，无法直接推动激振器，必须经过功率放 大器进行功率放大后转换为具有足够能量的电 信号，驱动激振器工作。
根据负反馈类型不同，功率放大器分为定 电压功率放大器和定电流功率放大器。
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7.2 试验结构的支撑方式
1 自由支撑 有些振动结构的工作状态为自由状态（自 由体），如飞机、火箭等。这类结构在做整体 模型试验时，要求具有自由边界条件。 其实，很难完成完全自由的约束状态（太 空零重力环境和飞行器俯冲失重）。只能说近似自由 （某些自由度的自由）。经常采用的方式有橡皮 绳悬挂、弹簧悬挂、气垫支撑、弹簧支撑（空 气、螺旋）等。 由于悬挂或支撑的刚度较小，故对结构的 弹性模态影响不大。
2 固定支撑
固定支撑（刚性支撑）用于结构承受刚性
约束的情形，如高层建筑、大坝、刚性基础的
机械结构等。 固定支撑要求支撑具有较
大的刚度和质量，才能减少对
结构高阶模态的影响。一般以
A
B
实测支撑系统的最低固有频率
大于所关心的结构最高固有频
率的3倍为参考标准。
第7章 信号测量
7.2 试验结构的支撑方式
3 原装支撑 原装支撑是广泛应用的一种支撑方式。前 面介绍的自由支撑和固定支撑是原装支撑的特 殊情况。 对于完整结构来说，原装支撑是最优边界 模拟。现场模态实验和实验室模态实验。 大多数模态实验是在静态（被测结构处于 静态）下进行的。有些结构在静、动态下的特 性相差较大。如具有滑动轴承的转子等，欲获 结构在动态下的固有特性，应在运行状态下进 行模态试验。
第7章 信号测量
7.4 激励装置
1 激振器系统 （3）激振器
振动测试技术中的激振器种类很多。按工 作原理来分，有机械式、电动力式、压电式、 电磁式、涡流式和电动液压式等等；按接触形 式不同可分接触式和非接触式两种。电磁式和 电涡流式激振器属于非接触式激振器，其余属 接触式激振器。
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随机猝发信号
第7章 信号测量
7.5 激励信号
3 瞬态信号 （2）冲击信号
冲击信号又称脉冲信号，冲击锤(力锤)是产 生脉冲激励最常用的激励装置。冲击信号的时间 历程见图。
第7章 信号测量
7.5 激励信号
3 瞬态信号 （2）冲击信号 冲击信号的频率成分和能量可大致控制，试 验周期短，无泄漏，但信噪比差，特别是对大型 结构，冲击锤产生的激励能量往往不足以激起足 够大的响应信号。即使如此，冲击激励仍不失为 一种简单实用的激励方式。
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7.6 测量系统
测量系统负责将被测机械量采集下来，转换 成某种电信号，经前置放大和微积分变换，变成 可供分析仪器使用的与机械量对应的电压信号或 数字信号。
测量系统由传感器及其配套测量电路组成， 如图所示。
第7章 信号测量
7.6 测量系统
测量系统是整个动态测试系统的基本环节之 一，直接关系到试验的成败和精度。选择测量系 统要考虑试验要求的频率范围、幅值量级、测量 参数(位移、速度、加速度、力、应变等)及试验环 境、测试条件等多种因素。
第7章 信号测量
7.5 激励信号
3 瞬态信号 瞬态信号的形式和产生方式有多种：有信 号发生器产生的扫频正弦猝发信号和随机猝发 信号；有冲击锤产生的冲击信号和随机冲击信 号；有阶跃激励装置产生的阶跃激励信号；有 特殊装置如火箭筒产生的冲击信号等等。
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7.5 激励信号
3 瞬态信号 由于瞬态信号包含较宽的激励力频率成分， 且频率成分比较容易控制，故瞬态信号是模态实 验中采用的主要激励方式之一 。
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7.4 激励装置
1 激振器系统 ②周期信号； ③随机信号； ④猝发信号。 信号发生器提供的激励信号可以是模拟信 号，也可以是数字信号。数字式信号发生器提 供的信号质量较模拟式信号要高得多，故逐渐 成为主流信号源。无论是数字信号发生器，还 是计算机辅助产生的信号源，最终均以模拟电 压信号输出。
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7.5 激励信号
了解激励信号是进行实验模态分析的重要 环节。在制定模态实验方案时，必须根据被测 结构特点、测试环境、现有仪器条件、测试精 度等诸方面选用合适的激励信号。有时需要选 择几种激励方式进行试测，以确定最优激励信 号。模态实验中往往由于激励信号选择不当而 无法收到满意的测试效果。
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7.4 激励装置
下面讨论模态实验中经常使用的人工激励。 典型的激励装置有激振器系统、冲击锤、 阶跃激励装置。 1 激振器系统 激振器一般必须与信号发生器、功率放大 器一起组成激励系统才可使用。激振器系统如 图所示。
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7.4 激励装置
1 激振器系统 由激振器系统产生的激励信号广泛，可控 性强，自动化程度高，因而是最常用的激励装 置。 （1）信号发生器 信号发生器提供激振器所需要的激励信号 源。信号源类型一般有以下几种： ①稳态正弦信号；
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7.3 激励方式
1 单点激励 对于中小型结构的模态分析，采用单点激 励即可获得较满意的效果。对于大型、复杂结 构，单点激励往往丢失模态，或由于激励能量 有限而得不到有效的高信噪比信号，有时甚至 无法激起结构的整体振动，导致模态实验彻底 失败。
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7.3 激励方式
2 多点激励 多点激励是指对多个点同时施加激振力的 激励方式。显然，输入系统的激励能量会成倍增 加，同时，也增加了激振的复杂性（激励设备复 杂，可采用单点分区激励技术）。 多点激励具有以下特点： （1）不易遗漏模态； （2）输入能量大且传递均匀，信噪比好。
模态实验中常用的激励信号分为稳态正弦 信号、纯随机信号、周期信号和瞬态信号。
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7.5 激励信号
1 稳态正弦信号 稳态正弦信号是模态实验最早采用的一种 激励信号。通过缓慢改变正弦信号的频率，可 激发出系统的各阶主振动。 频率的变化必须足够慢，以使结构响应达 到稳态。另外，还应注意，在共振区附近，信 号频率改变量要小；而在非共振区，信号频率 可以改变得多一些。一般在测试时，先初步扫 频，根据响应确定系统的几个共振峰，再仔细 扫频，获得详细激励与响应数据。
第7章 模态测试技术
7.1 引言
模态测量方法可分为两类，第一类是仅测 量响应，这种方法存在以下缺陷：无法判断一 个大的响应是由大的激振力还是共振引起。
第二类是同时测量输入与输出。 有两种方法供选择，其一就是SIMO，对结 构某点激励，测得所有点响应。 其二就是MIMO，对结构某些点激励，测 得所有点响应。
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7.5 激励信号
1 稳态正弦信号 稳态正弦信号的优点是：激励能量能集中 在单一频率上，测量信号具有很高的信噪比， 因而测试精度很高；信号的频率和幅值易于控 制。
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7.5 激励信号
2 纯随机信号 纯随机信号又称白噪声信号。理论上的纯 随机信号是具有高斯分布的白噪声，在整个时 间历程上都是随机的，不具有周期性。频率域 上是一条平直的直线，包含0～∞的频率成分， 且任何频率成分所包含的能量相等。
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7.3 激励方式
1 单点激励 单点激励是最简单、最常用的激励方式。 所谓单点激励，是指对测试结构一次只激励一 个点的一个方向，而在其他任何坐标上均没有 激励作用。单点激励是SISO参数识别所要求的 激励方式。 单点激励之所以有效，是建立在振动系统 的可控性（能激发出系统的各阶模态）和可观 性（测量出的输出信号中包含各阶模态的信息） 假设基础上的。
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7.2 试验结构的支撑方式
1 自由支撑 如果能将自由支撑点选在结构上所关心模 态的节点附近，并使支撑体系与该模态主振动 方向正交，则自由支撑对该阶模态的影响将降 低到最低，可达到最理想的效果。
有些边界条件非完全自由而受弱约束的结 构也可以采用自由支撑。如轮船等。
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7.2 试验结构的支撑方式
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第7章 信号测量
7.4 激励装置
2 冲击锤 通常力锤难以对大型结构进行激励,原因在 于激励力的能量太小。东方所的弹性聚能力锤 主体采用钢材料制成,力锤的头部用橡胶制成,在 锤头和锤柄之间的弹簧装置,使力的持续时间达 到20ms以上，激励力可达5～12.5吨。 由于较大的激励力,力的能量也就足够大以 激起桥梁的振动。又因为激励力的持续时间较 长,使激励力的能量集中于低频。这种激励力则 非常适合于大型低频结构的模态试验。
测量系统中传感器是非常重要的一环。传感 器有很多种分类方法，如根据与被测结构的接触 方式不同，分为：接触式和非接触式两种；根据 测试信号不同，分为力、响应传感器；根据传感 器换能方式不同，分为压电、涡流等。
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7.4 激励装置
2 冲击锤 冲击锤又称力锤，是模态实验中另一种常 用的激励装置。目前冲击锤多用于SISO参数识 别方法中。 锤击激励提供的是一种瞬态激励，这种激 励只需一把冲击锤即可实现，比激振器系统要 简单得多。
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7.4 激励装置
2 冲击锤 冲击锤锤帽可更换，以得到不同的冲击力 谱。冲击锤锤头可有不同的重量，以得到不同 能量的激励信号。 对普通结构，用SISO频域法做参数识别时， 使用冲击锤一般能得到相当满意的结果。加之 激励设备简单，价格低廉，使用方便，对工作 环境适应性较强，特别适于现场测试，故一般 工程测试单位中均将锤击激励作为优先考虑的 激励方式之一。
（1）扫频正弦猝发信号 以快速扫频正弦信号作为激励信号，并取其 扫频周期为猝发激励时间，便获得扫频正弦猝发 信号。
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7.5 激励信号
3 瞬态信号 （1）扫频正弦猝发信号
快速扫频正弦信号
扫频正弦猝发信号
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7.5 激励信号
3 瞬态信号 （2）随机猝发信号 以周期随机信号作为激励信号，并取周期信 号的周期作为猝发激励的时间，即可获得随机猝 发信号。
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7.4 激励装置
激励有人工激励和自然激励。 人工激励即通常所说的激励，根据需要 通过一定的激励装置施加于被测结构上。大部 分人工激励可控和可测，做模态实验绝大部分 情况是使用人工激励。 自然激励（环境激励）是施加于实体结 构上的自然力，如风载荷、波浪载荷、机器运 转时的动力源等等。自激励一般是不可控、不 可测的。使用自激励通常只能测得响应信号。
7.4 激励装置
1 激振器系统 （3）激振器 不同激振器的用途不同，在模态实验中，常 用电动力式和电动液压式激振器。 电动力式激振器基本原理是电磁感应定律， 通电导体在磁场中受力，将由功率放大器提供的 激励电信号转换为激振力信号。
电动力式激振器具有频率范围大(上限30 kHz，下限1～3 Hz)，激振力幅值、频率及相位 易调等优点。