1、振动测试系统数字信号处理试验模态测试技术,张永强 高级工程师靖江泰斯特电子有限公司西北工业大学 振动工程研究所,振动测试系统数字信号处理（DSP）试验模态测试技术（EMA和OMA）,振动测试系统,序 言振动测试仪器传感器的分类与用途传感器的性能补偿数据采集系统,由于微机电系统(MEMS)的进展； 传感器向小型化，智能化，多自由度化方向发展，集成电路压电计(IEPE）,加加速度计(JERK),智能传感器(TEDS),可兼测位移,速度和加速度的传感器,无阻尼压阻加速度计等层出不穷。 数字信号处理新技术,无线通信技术（蓝牙和ZigBee）和无线传感器网络(WSN=Wireless Sensor Ne
2、twork),计算机中的硬件,软件等飞速发展(例如近20年计算机性能提高10,000多倍)，试验和分析技术也是日新月异。,序 言,振动测试仪器,过去振动的测试仪器种类繁多，如放大器、滤波器、示波器、信号发生器、磁带记录仪、失真度测量仪，都有专用的机箱，使用时要Rack and Stack（堆叠）。现在一硅片一系统(SOS),仪器功能向几合一（All in One）方向发展; 测试仪器往往只有传感器-数据采集仪-分析仪(或计算机加分析软件),后两者也可用内置计算机合为数据采集分析仪 。,传感器的分类与用途,传感器（Transducer，Pick-up，Sensor，Probe，Cell（Forc
3、e Cell，Load Cell）, Trans-Mitter（变送器），Proximater（涡流计=Eddy Transducer）。 传感器把待测的非电量（力学量）信号转变为可测的电量或电参数量信号。要求传感器:重量轻体积小输出信号信噪比高(灵敏度大),失真Distortion畸变）小，重复性好。,传感器的分类与用途,传感器的分类 按基准分：绝对式和相对式, 绝对式用惯性质量作基准,也称惯性(Seismic,不译为地震式); 相对式测绝对运动时要有不动的地面基准。 按运动量和作用量分：运动量：加速度、速度和位移，角加速度、角速度和角位移，应变。作用量：力(测点不允许运动的钳制力Block
4、ed Force, 测点允许运动的非钳制力)，测钳制力要用刚度大的石英晶体测力计；压力(压强) 。 按物理原理分：压电加速度计PE、内置集成电路压电计IEPE、 压阻加速度计PR、电容加速度计、电动(磁电)速度计、涡流位移计、应变计、用差动变压器的线位移计LVDT和角位移计RVDT等。,传感器的分类与用途,1.压电计：(电荷输出)，低噪声电缆（STYV-1，STYV-2，高温STFF）和电荷放大器三合一系统大多被内置集成电路压电计取代(缩写为IEPE(标准)，IEPE压电计还有测声的传声器(麦克风)和测力计。2.IEPE计：为电压输出，可用普通电缆，但其内部芯片要求数采系统插座输出220mA左
5、右恒流到传感器，现在数采仪同一插座可用仪内软件控制或测电压(取消电流输出)，或测加速度，测力，测声(有电流输出)。,传感器的分类与用途,3.电容传感器：采用CMOS技术，其中动片的位移由毫米级降到微米级（0.20.5m）,其重量由上百克降到几克;有的电容传感器(飞思卡尔)加一插座,通1V电压时等于加1g加速度,可不卸传感器而随时校灵敏度。 电容传感器可测零频,但相频特性非线性较大,需要注意。4.TEDS (Transducer Electronic Data Sheet, IEEE-P1451) 传感器：是智能型模拟和数字混合模式传感器。数字模式用于储存信息如型号,序列号, 灵敏度校准值, 安
6、装位置方向等。现在已有虚拟TEDS。 5.无线传感器和无线传感器网络WSN（用途极广泛）: * 2005年金门大桥安装了200个无线传感器,长期监测大桥摆动 * 振动监测，前几年Intel公司的Jones Farm工厂中机器出现振动故障, 损失惨重,后用4000个传感器组成网络对各机器（如 泵，电机,）上4000个位置作每小时一次健康监测(过去13个月选一些位置监测一次)。,过去传感器缺陷用电路补偿,后来有用智能ADC补偿如MAXIM公司的MAX1460,目前有个趋势即“硬件缺陷软件来补偿，硬件（应用）范围软件来扩大” 如用传感器补偿修正幅频或相频误差，扩大传感器使用范围（扩大幅频的平直段和相
7、频的线性段）。 如BK的REq-X=Response Equalisation eXtreme，最原始方法是将传感器的幅频曲线反转后和原曲线叠加（削峰填谷）成平直线，大大提高频率应用范围。同理相位补偿的非线性，使加速度计的使用频率上限由过去的0.3Fn(Fn安装固有频率)扩展到0.5Fn。 传感器安装有螺接（钢螺栓或绝缘螺栓）、胶接（胶或胶带）、磁座连接、（加探针后）手持等，钢螺栓螺接的频响范围最宽，用软件补偿使各种安装达到或接近钢螺栓螺接的频响范围。,传感器的性能补偿 (Equalisation),数据采集系统 （数采仪）,数据采集系统包括模数转换器ADC，信号适调器，模拟抗混滤波器，模拟滤
8、波器等，有些还有信号放大器模块和数模转换器DAC。 数采仪同步采集多路(如多达256路)的各种形式传感器信号, 传感器有自发电的（压电、磁电）,有需要提供恒流源（如220mA）或恒压源的,有规一化电流输出如420mA变送器(Transmitter), 电流不受电缆长度影响,但测量时要用电阻转成电压的,有单端(传感器外壳接地)的,有双端(差分)的,有零频响应(如电容式加速度计,压阻式加速度计等)的,无零频响应(如压电式加速等度计)的，有应变计（金属或半导体）和压阻加速度计, 数采仪要能适应各种传感器。,一、信号适调包括：1.隔直或不隔直(AC/DC耦合), 不隔直的通常以幅值降到0.707(-3
9、dB)时的频率为最低 频率。2.接地(信号单端输入)或不接地(信号双端即差分输入)，有些数采仪单端改差分时通 道数降半。 3.增益或衰减4.抗混滤波：模拟信号在时域按t间隔采样时，如t过大，频谱会混ALIASING)。按香农（Shannon）第一采样定理,用抗混滤波器按采样频率Fs(=1/t)的1/N(N2,可选2,2.56或410)作低通滤波即可以避免混迭。注：如N略大于2,虽无混迭,但时域波形常有失真如“斜削波”，“包络失真”(它形似包 络但并非包络，也是削波),屏幕上快扫正弦(CHIRP)信号当频率 变高时也常能 看到“包络”，可加大N,或用SINC(Cardinal Sine=sin（
10、x）/（x）)插值恢复原 波形（详见香农第二采样定理）。,数据采集系统 （数采仪）,二、模数转换ADC1.有些多通道数据采集只用一个模数转换器ADC,采样/保持 (S/H)后用多路转换器切换通道再转换,使各通道数据有时差。 2.常用ADC有逐次逼近型和Sigma-Delta(-)型,后者可通过过采样等措施大大降低噪声。3.AD位数 12位ADC, 212=4096,最低有效位值LSB为满量程的0.0244%。16位ADC,216=25536, 最低有效位值LSB为满量程的0.0015%24位ADC,224=16777216, 最低有效位值LSB为满量程的0.000006% 动态范围（分贝）可近
11、似用位数乘6来估计。,数据采集系统 （数采仪）,数字信号处理（DSP）,序 言模拟信号处理回顾数字信号预处理：去除趋势,矩和时域统计量,微积分等数字信号处理一：幅值域分析数字信号处理二:时差域分析数字信号处理三:频率域分析数字信号处理四:希尔伯特变换及用途,实倒谱与复倒谱等,自1965年提出快速傅里叶变换FFT后,数字信号分析仪DSP彻底代替了模拟信号分析仪，计算机的飞跃发展使数字信号处理速度之快过去无法想象！ 90年代用Intel 386/16 PC机计算65000点的快速傅里叶变换FFT需要1100秒，现在用3.4GHz的P4机只要0.8s!几百G硬盘可以吞吐(Throughput)几百个
12、传感器几十个小时的测试数据(如100G硬盘可记录64通道，每通道采样率为10kHz， 数据的持续时间为23时)机外总线USB2.0(480MB/s)，FireWire=IEEE-1394a(400MB/s)，IEEE-1394b(800MB/s)和PCI Express(3.2GB/s，等待即响应时间Latency为1微秒，比USB2.0或1394a快约一百倍，比以太网快一千倍)。,序 言,模拟信号处理回顾,一、早期美国国标提出模拟信号处理方法 1 信号采集后对信号快览QUICKLOOK,了解 a 信号有无缺陷：过载引起的削波，欠载引起的信噪比(SNR)低劣, 超差值(Outlier)，杂散尖
13、峰(Spurious Spikes，也称寄生尖峰)，丢失，零飘，重复或相关。b 大约判断信号特征：确定性或随机，平稳或非平稳，持续(Sustained)或瞬态。2 信号预处理3 在三大域处理模拟信号a 时差域：时差即相对时间(=t1-t2）相关分析（自相关，互相关，自协方差，互协方差，协方差是去均值的相关）。b 幅值域：概率密度函数PDF，累积密度函数CDF 。c 频率域：傅里叶谱密度(V/Hz),功率谱密度(PSD,V2/Hz)，能量谱密度(ESD,V2s/Hz)。,二、信号的分类 信号有多种分类方法如上述确定性或随机等,有一种分类很重要模拟信号 (设单位为U) 1.绝对可积信号x(t) 2
14、.平方可积信号x(t) 3.均方可积信号x(t) 数字信号(设x(t)单位为U) 1.绝对可和信号x(t) 2.平方可和信号x(t) 3.均方可和信号x(t) 平方可积或平方可和信号也叫能量(有限)信号。 均方可积或均方可和信号也叫功率(有限)信号。,模拟信号处理回顾,三、数字信号处理保留了这些方法,但有改变和发展： 模拟信号离散成数字信号时一些措施和问题见附录一(从模拟信号到数字信号)时差域： (无限长模拟)正弦信号的自相关为(无限长模拟)余弦信号，有限长(N点)数字正弦信号的自相关为有限长(2N+1点)有三角形包络的余弦信号可用Bow-Tie（译为男用蝴蝶结，不译为弓-结!）修正。2. 幅
15、值域： 连续信号的概率密度函数变成数字信号的直方图。 连续信号的累积密度函数变成数字信号的累积直方图。3. 频率域：因积分变求和。 傅里叶谱密度变成傅里叶谱(离散谱线),功率谱密度变成功率谱(离散谱线)。 为了和模拟信号比较,DSP也有功率谱密度(PSD,V2/Hz),但是阶梯型曲线。.,模拟信号处理回顾,数字信号预处理,去除趋势，矩和时域统计量，微积分等。信号预处理与信号处理的界限有时不容易（但也不必要）严格区分。,一、时域数字统计特征分析： 1.有量纲数字特征：(1)最大值（Max）， (2)最小值（Min）, (3)(线性平均)均值(Mean)，(5)方差(Var)，(6)均方根值(RM
16、S)，(7)标准差(Std),，(8)峰峰值(PP=Peak to Peak)等。 注：杭州市2010年月平均工资10000元，但因贫富悬殊,意义不大；还应增加统计“标准差”或用“中位数”代替平均值。 2.无量纲数字特征：a. 波峰因数( Crest Factor ): CF= Xpeak / Xrmsb. 波形因数( Form Factor ): FF = Xrms / |X|avg avg平均c. 偏度(Skewness): 三阶中心矩除以标准差的三次方。d. 峰度(Kurtosis): 四阶中心矩除以标准差的四次方。 偏度和峰度有人称为歪度和峭度 。注1：时域数字特征有人称幅值域特征，但
17、现在频域也有频域数字特征如功率谱波形因数等故称幅值域特征容易混淆。,注2：矩：Mk=Xk dm Mkk阶矩 k=0,1,2,3,4, dm-质量或面积的微分a.学过刚体动力学或理论力学知道，要对无穷多质点刚体每一质点用牛顿定律,这是不可能的，实际上用零阶矩(质量M)，一阶矩除零阶矩(质心三坐标 Xc,Yc,Zc)，二阶矩(转动惯量Jxx，Jyy，Jzz和惯性积Jxy，Jyz，Jzx; 转动惯量除质量后开根号叫回转半径)来代替。转动惯量有过质心的轴和不过质心的平行轴两种转动惯量。转动惯量平移定理： 对质心轴转动惯量=对不过质心平行轴转动惯量-质量距离的平方b.研究信号的幅值域分布也必须用矩 零阶
18、矩(概率密度已归一化，面积=1；直方图)， 一阶矩（均值），二阶原点矩(均方值），二阶中心矩(方差2)，规一化三阶矩(偏度)，规一化四阶矩(峰度)，.平移定理：方差 = 均方值-均值的平方方差开根号叫标准差()，均方值开根号叫均方根值（RMS，有效值）。c.一般分布理论上要求无穷多阶矩( 但实际上很少计算高于四阶 )，但高斯分布只要求一、二阶矩( 偏度=0,峰度=3,.)。和刚体动力学相似! 高斯分布的五大优点之一。,数字信号预处理,数字信号预处理,二、去除均值和线性趋势 三、积分与微分（三运动量位移，速度和加速度彼此为微积 分关系）1.微分(求导)会放大高频(噪声大多是高频)，要慎用，电路中
19、很少用微分器现在用小波微分可去掉。2.积分前必须先去掉直流（均值Mean）和趋势项。 3.积分在时域（矩形累积和或梯形累积和），也可在频域（除 ， ）。4.微分在时域（差分），也可在频域（乘 ）。,数字信号处理一:幅值域分析,连续信号的概率密度函数PDF和累积密度函数CDF在离散后用直方图 （Histogram）和累积直方图。 直方图没有归一化，需要时可除以样本数即归一化。 幅值域分析常被忽略，其实用途很多。如:1. 检查信号是否高斯分布，如是，则分析大为简化。2. 检查系统是否线性：线性系统，如输入非高斯分布，输出也非高斯分布且输入，输出的概率分布不同!线性系统，如输入高斯分布，输出也高斯分
20、布（概率分布相同 ）!非线性系统，如输入高斯分布，输出非高斯分布。3.用直方图可发现信号缺陷如削波（直方图横轴大于某值后突然截断），信号丢失（直方图零点处出尖峰）， 杂散尖峰等。,一、相关函数的定义1.一信号和其时移后的信号相似程度叫自相关。 一信号和另一时移的信号相似程度叫互相关。 平方可积信号和均方可积信号的相关函数有所不同 平方可积信号： Rxx（）= x（t）x（t+）dt t=- + 均方可积信号： Rxx（）=lim （1/T）T x（t）x（t+）dt T2.模拟信号自相关与数字信号自相关，Bow-Tie修正 无限长模拟正弦信号的自相关为无限长模拟余弦信号 X=ACos（t+）的
21、自相关 Rx=（A2/2）Cos（t+） 有限长(N点)数字正弦信号的自相关为有限长(2N+1点)有三角形包络的余弦信号可用Bow-Tie修正。,数字信号处理二:时差域分析（自相关函数，互相关函数）,Bow-Tie修正,二、自相关函数的应用1. 自相关函数在 =0时最大,増加后（除周期信号外）下降, 可由其下降快慢了解预测程度 常数的自相关为水平线，永不下降，可预测 =时情况 纯随机白噪声的自相关为函数， =dt时自相关即零,丝 毫不能预测2. 増加后可在有随机噪声污染的信号中找到周期成分。3. 在自然激励技术中用响应的自相关代替无法得到的脉冲响应函 数（IRF）。,数字信号处理二:时差域分析
22、（自相关函数，互相关函数）,数字信号处理二:时差域分析（自相关函数，互相关函数）,三、互相关函数的应用: 1. 两信号在时差a处互相关很大，它们可能：（1）因果 （2）同因 （3）虚幻（Illusory） 2. 源信号和接收信号在(例如)时差a、时差b、时差c处互相关 有峰,说明源信号经三条途径传输到接收处,最高峰传输最强;如已知 速度，可分别求出三条途径的长度。 3. 有强噪声污染时源信号发出后的回波波形复杂且衰减，只有用互相 关才能求出时差。 4. 在潜艇前后距离L处装两向海底发射和接收声波的设备（声呐）， 由回波互相关函数的峰值处可求得潜艇速度v=L/ 在造纸机的移动的纸张距离L处上下装
23、两向纸张发射和接收光波的 设备，由互相关函数的峰值处可求得纸张速度v=L/,数字信号处理二:时差域分析（自相关函数，互相关函数）,四、相关函数与功率谱密度的关系（维纳-辛钦公式） 1维纳-辛钦公式：（自或互）相关函数与（自或互）功率谱密度互为傅里叶变换。 2过去模拟信号分析仪先求相关函数，再用傅里叶变换求出功率谱密度。 现在数字信号分析仪先用快速傅里叶变换FFT求功率谱密度，再用逆快速傅里叶变换IFFT求出相关函数。,数字信号处理三：频率域分析,一、 各种信号及其对应的频谱 常有人问为什么分析仪中频谱单位有很多种:V、V2、V2/Hz、V2s/Hz、V/ 、？ 六种工程信号所对应的频谱（一）模
24、拟信号 (设单位为U) 1.绝对可积信号x(t):傅里叶变换存在,有傅里叶谱密度X(f),单位为U/Hz 2.平方可积信号x(t):有能量谱密度(ESD)Gxx(f),单位为(U2*s)/Hz 3.均方可积信号x(t):有功率谱密度(PSD)Pxx(f),单位为U2/Hz 注：信号理论中的”功率”指”平方量”,如电压平方,电流平方,加速度平方,.; 平方量乘秒称为”功率”。 （二）数字信号(设x(t)单位为U) t=mt f=nf 1.绝对可和信号x(t):有傅里叶谱X(f),单位为U f=nf 2.平方可和信号x(t):有能量谱Gxx(f),单位为U2s 3.均方可和信号x(t):有功率谱P
25、xx(f), Pxx(f)单位为U2 注1： 数字信号也可有功率谱密度(PSD),但频率分辨率为f(不是df)幅值不连续,呈阶梯形 注2： 有限的数字信号如“绝对可和”，则一定“平方可和”和“均方可和。,数字信号处理三：频率域分析,二、 FFT的五个公式与采样时各参数选择 （一）五个公式 T = Nt T - 采样时间(一帧长度), N时域点数,t-采样间隔 Fs = Nf Fs-采样频率, f-频率分辨率 Fs = 1 /t 或 t=1 / Fs T = 1 /f 或 f=1 / T Fh = Fs / M = (N/M )f = Nf f N频域线数 Fh信号分析最高频率 M 可选: 2
26、, 2.56 , 410例：t= 0:t:T = 0：0.001:20, f = 0:f:Fs = 0：0.05:1000 M如取2 : Fh = Fs / 2 =500 N=20001, Nf=10001 注1: 如要平均K次,则总采样时间(记录长度) Tz为 Tz = K T (未加重叠) Tz K T (加重叠, 重叠值在1 %到99 %间可选,缺省值一般为50 %) 注2: 如为高斯随机信号,则平均K次,方差降为1/K,标准差降为,数字信号处理三：频率域分析,（二）采样时各参数选择 先选择最高频率Fh和频率分辨率f;由Fh可定采样间隔t,由f可定 采样时间T 1.最高频率: 由结构形状
27、、大小和模态阶次而定,也可参考有限元结果 2.频率分辨率:它影响峰值频率和阻尼比的精度 a. 要避免栅栏效应, 频率分辨率f0.2B B半功率带宽例如: 甲大桥: 1=0.05, B1=0.08, f=0.2B1=0.016, T=1 /f=6.25 s 乙大桥：1=0.006, B1=0.008, f=0.2B1=0.0016, T=1 /f=62.5 s b. 地脉动可看成高斯随机,为减小分析结果的偏度误差 再选择记录长度, 地脉动可看成高斯随机,要减少偏度误差和随机误差，信号长度T的半 经验公式为: T(50100)/B1 B1第一阶共振峰的半功率带宽例如: 甲大桥：f1=0.8Hz,
28、1=0.05, B1=21 f1=0.08, T6251250 s 乙大桥：f1=0.66Hz, 1=0.006, B1=21 f1=0.008, T625012500 s,数字信号处理三：频率域分析,（三）减少平稳随机信号谱波动(Fluctuate)的措施平均、加窗和重叠 平稳随机信号的功率谱波动(方差)很大,增加采样时间不会减小波动,Welch提出三个措施即平均、加窗和重叠后减小了波动;注意窗用Hann窗(过去叫Hanning)或Hamming窗(比Hann窗更好), 重叠即本帧信号重复采用了前帧部分尾段信号, 重叠增加了平均次数即增加了统计自由度, 重叠还提高了因加窗而被削弱的信号。但重
29、叠太多信息重复太多统计自由度增加缓慢,可在1% 到99%间选择;缺省值50%。（四）频响函数与相干函数 1 频响函数的定义 H0 H1 H2 频响函数原始定义H0是输出响应(如位移)频谱除以输入力频谱 H0() = X() / F(),它不能用平均减少噪声,改为 H1() = X()F()* / F()F()*= Pxf / Pff H2() = X()X()* / F()X()*= Pxx / Pfx 式中： Pff, Pxx -力或位移的自功率谱 Pff=|F()|2 , Pxx=|X()|2 Pxf，Pfx -力和位移的自功率谱 *-共轭符号(实部不变,虚部变正负号),数字信号处理三：频
30、率域分析,2 频响函数的几种表达图形 频响函数是复函数, H()= |H()|e j ()=Re(H()+Im(H(),幅频图|H()|和相频图() 实频图Re(H()和虚频图Im(H()乃奎斯特图(Nyquist) Im(H)=f(Re(H) 频率可用线性或对数(倍频程OCT:1/1OCT,1/3OCT) 幅值可用线性或对数(分贝,dB，20log(K/Kr)Ar-基准,有几种选择Kr由国标规定：如运动量 加速度： 20log(A/Ar) (dB) Ar基准加速度, 110-6 m/s2 速 度： 20log(V/Vr) (dB) Vr-基准速度, 110-9 m/s 位 移： 20log(
31、D/Dr) (dB) Dr-基准位移 110-12 m 注1: 力的基准为 Fr = 110-6 N,声压级基准为 Pr=20Pa 注2: 有些国家或地区(如台湾), 基准位移取110-11 m基准量取Kr =1基准量取Kr =Kmax 基准量取Kr =Kmin (由于噪声干扰, 信号Kmin无法定,一般不用)放大器等设备求动态范围时,基准量(分母)取输入电压,分子取输出电压,数字信号处理四:希尔伯特变换及用途,实倒谱与复倒谱等,（一）希尔伯特变换是时域到时域或频域到频域的同域变换 1 如以原实信号X(t)为实部(X=Xr)，其Hilbert变换Xh(t)为虚部(Xh=Xi)，Xh(t)称为X
32、(t)的预包络,复信号 Xa(t)=Xr(t)+ j* Xh(t)称为解析信号,其傅里叶谱为单边谱，无物理上不能解释的负频率成分； 2 复信号中的瞬时相位和瞬时频率:=arctan(Xh/Xr),=d/dt； 3 X(t)和Xh(t)的幅频相同, 相频相差/2.故希尔布特变换也称为90度相移器； 4 LTI因果系统频响函数的实部与虚部互为频域希尔布变换,故可由实部与虚部希尔布特变换 的差异大小检查系统的非线性大小 ； 5 希尔布特变换另一重要用途是在能量传播问题中计算相关函数的包络以估计时延，它既可用于非频散（Nondispersive，非色散）传播,也可用于频散传播。,数字信号处理四:希尔伯
33、特变换及用途,实倒谱与复倒谱等,（二） 倒 谱：设在时域研究 ： 输入为f(t) , 输出为x(t) 系统特性为 h(t)即单位 脉冲响应函数IRF,三者为卷积关系： y(t)=f()h(t-)d 三者纠缠,不能分清输入或源信号特性, 输出或接收信号特性,系统或传输途径特性,用卷积定理(时域卷积对应频域乘积) 。 在频域研究： Y(f)=F(f)H(f) H(f)- 频率响应函数FRF卷积变乘积,但仍不能在Y(f)中把F(f)和H(f)分开 最后用对数,乘变成加后再返回到时域(严格讲不叫时域,叫倒频率域Quefrency) 1 实倒谱(Real Cepstrum) 由|H|2= Pxx/Pff
34、=|X|2/ |F|2 Pxx = |H|2Pff 再取对数,作傅里叶变换 实倒谱没有相位信息,不能求逆 2 复倒谱(Complex Cepstrum)和逆复倒谱 复数可取自然对数,如 H=|H|ej ln(H)=ln(|H|)+j, 倒谱的理论和在故障诊断中应用可参考:R.H.Lyon “机器噪声和诊断学”,科学出版社,试验模态分析测试技术,测试方法两类方法仅测量响应电平（工况模态分析，不测力法）无法判断一个大的响应电平产生原因：大激励还是结构共振同时测量输入输出（测力法）激励方式单点激励：测得所有点的响应多点激励：一般24个点同时激励，测得各点响应本章介绍单点激励频响（导纳）测量方法,模态
35、测试系统频响函数测量系统基本组成激励系统、传感系统、分析及微机激励系统信号源：可产生正弦、随机、瞬态和周期激励信号功率放大器：放大弱小的激励信号以推动激振器激振器：方法包括电磁激励、锤激、阶跃释放和环境激励等传感系统传感器：最常用压电传感器适调放大器：增强传感器的小信号，以便送至分析仪进行测量分析连接部分分析仪信号分析仪：最常用，多带信号源微机：进一步的模态分析及结构动态修改,典型部件频响函数测量框图,测试结构的联结与安装地面支撑被测结构所选点与地面联结，认为联结点速度导纳为零模态分析时删除适当的坐标即可完成理论分析联结点及基础不可能保持绝对刚性，因而有误差要求在测量频率范围内基础件比试验结构
36、在联结点的导纳小得多注意联结部位，不能由于联结体的引入而使局部刚度增加 固支支承理论上容易实现，仿真计算时只需要将有关自由度约束即可。但实现起来有困难。由于实现固支条件的结构不可能是刚性的，有弹性。因此要实现固支支承，就必须要求支承结构的最低弹性体频率远高于试验结构的最高分析频率。因此要实现高频模态的固支支承是很困难的，一般情况下，中小结构能够实现的固支频率大约是400Hz，特殊条件下小结构固支有可能超过1000Hz，但对大结构要实现固支支承很困难。,自由支撑无约束条件对仿真计算容易实现，但需要进行移频处理。试验实现真正自由支承的方法有：气悬浮、磁悬浮、太空无重力环境、自由下落（失重）。实际支
37、承的最高刚体频率小于结构最低弹性频率的，即可减少基础模态（悬挂系统）对结构模态的影响，实现近似自由支承。因此对于低频模态（小于1Hz）的特别大的部件要实现自由支承很困难，但对高频模态实现自由支承很容易。主要方法有：橡胶绳悬挂。要求橡胶绳足够长、足够软；软弹簧支承；海绵垫、橡胶垫支承；空气弹簧。注意可能引起刚体模态，它应比最低弯曲模态频率小20以上。悬挂点尽可能悬在所讨论模态节点附近。注意小阻尼件测试时，悬挂系统可能附加明显的阻尼。 实际工作状态支承,频响函数的测试激励信号及方法 宽频带激励技术瞬态激励：脉冲激励。阶跃激励、正弦扫描激励等随机激励：纯随机、伪随机、周期随机、瞬态随机等脉冲激励锤激
38、法：脉冲锤为主要设备,冲击锤特性锤头材料越硬，脉冲频谱越宽锤激法快速方便对被测件无附加质量和刚度约束缺点是能量分散在很宽的频带内激励能量小、信噪比低、测试精度不高一般在小构件测试中应用,不同锤头的自功率谱,阶跃松弛激励原理在激振点预先加一力使结构变形突然除去该力释放能量，相当于施加阶跃激励实现方法用钢丝绳通过里传感器拉紧被测结构到一定变形突然剪断钢丝绳特点低频成分最大，激励低阶模态，用于激励固有频率低的结构,快速正弦扫描：又叫线性调频脉冲由持续短信号组成在数秒钟扫过测试频段具有平谱的激励力在整个测试段激励能量相同信噪比大，精度较锤激法高,纯随机激励理想的纯随机信号是白噪声可用平均方法消除各种噪
39、声干扰、非线性影响和畸变激励能量分布在很宽的频段内，功率谱为平谱信号非周期性，信号处理时有截断误差，产生能量泄漏加汉宁可解决泄漏问题，但会时频率分辨率降低，参数识别困难一般不采用纯随机激励伪随机激励具有周期性，各周期内信号完全相同周期性优点：消除能量泄漏但每次激励与采样都是同一信号，不能用多次平均消除噪声周期随机激励周期不连续的伪随机信号每个周期内都是不相关的伪随机信号周期性优点：消除能量泄漏随机性优点：利用总体平均消除干扰,瞬态随机兼有瞬态和随机的新的激励方法可解决谱分析中的功率泄漏问题具有随机信号信噪比高的有点正弦慢扫描传统方法，比较成熟，激励能量集中、信噪比大、测试精度高还可用来检验系统
40、的非线性,传感器与激振器压电式力传感器安装在被测物体受力点上压电元件所产生的电荷与所受压力成正比电荷灵敏度定义为输出电荷幅值与所受力幅值之比,加速度传感器灵敏度：电荷灵敏度与压电灵敏度与电荷测量仪器联结，采用电荷灵敏度与电压测量仪器联结，采用电压灵敏度加速度传感器的幅频特性,电荷放大器阻抗传感器测圆点导纳，或称阻抗头将力传感器与加速度传感器做成一体可测量同一点的激励力和相应,激振器电磁式激振器一般在30Hz50kHz电动液压式激振器可加静载也可加动载结构复杂成本高适用于较低频率范围需要较大激励力时应用柔性杆激振方向刚硬其余方向柔软保证在激励方向传力而其余释放附加约束,这种固定方式要求安装后，激
41、振系统的共振频率要高于激振器工作频率的34倍以上。为此，应尽可能采用刚性较好的支架。在这种情况下，传递给试件的激振力就等于驱动线圈产生的电磁感应力F。,激振器固定安装方式,激振器安装,激振器安装,激振器悬挂安装方式,用弹簧或橡皮绳将激振器悬挂在支架上。它要求安装频率要远低于激振器的工作频率。此时施加于试件的激振力近似地等于驱动线圈产生的电磁感应力。用手握激振器对试件作激振试验就属于这种安装方式，一般手握激振器的固有频率大约有2Hz3Hz。,激振器安装,试件,激振器,力传感器,支撑胶垫,弹性安装方式,弹性安装方式适用于试验物体的质量远大于激振器的质量，激振器的工作频率远远高于安装共振频率的情况。
42、,从以上三种安装方式可以看出，激振器都通过激振顶杆和试件刚性的连接在一起，或者通过预压力和试件连接起来。这样，试件就等于在激振点处附加了一定的质量、刚度和阻尼，它对试件的动态参数会产生一定的影响。因此激振器的选择原则是以能激起试件振动为前提，尽量选用功率小、质量小、刚度小的激振器。对于轻型结构、刚度很弱（如薄板）的试件，则要采用非接触式激振器激振为好。,附加质量与刚度的消除附加质量和约束传感器和激振器对系统的影响对小测试构件会引起较大误差，必须消除模态试验最佳悬挂点、激励点和测试点的确定模态试验的应用和要求获取系统的动力学特性验证和修正理论模型或数值模型对被试验模型进行结构优化对各字节构的模态模型进行模态综合对一些无法以直接方法测量的激励力进行载荷识别要求精度高，应确定最佳悬挂点、最佳激励点、最佳测量点,自由悬挂典型案例,谢谢！,
