模态测试技术

第第8 8章章 模态测试技术模态测试技术课程名称结构损伤识别与健康监测讲课教师：鲍跃全讲课教师：鲍跃全 博士博士/副教授副教授2013.6.242013.6.24哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学8.1 8.1 引言引言实验模态测试技术实验模态测试技术正常工作条件下模态测试技术正常工作条件下模态测试技术机械、结构动态分析与设计u 应用领域结构健康监测机械、结构振动与噪声控制机械故障诊断8.2 8.2 实验模态测试技术实验模态测试技术测量系统激励系统数据采集系统u 激励系统激励系统 激励设备力锤t0m/s2 激励设备激振器激振器信号发生器功率放大器 激励信号（a）激励信号稳态正弦信号通过缓慢改变正弦信号的频率，可以激发出系统的各阶主振型。优点：能量集中在单一频率上，测量信号具有很高的信噪比，因而测试精度很高缺点：需逐个测量各个频率点上的稳态响应，测试周期长。（b）激励信号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。05101520-4-2024Time(s)Amplitude0501001502002500200400600Frequency(Hz)Amplitude（b）激励信号周期信号 快速扫频正弦信号在一个选定的时间周期内，正弦信号的频率按照一定的扫频方式由某个值迅速增至另一个值，实现激励信号的宽频变化。这一变化的频带即所关心的系统固有频率的范围。快速扫频有两种方式：线性扫频，对数扫频0246810-1-0.500.51Time(s)AmplitudeTime(s)Frequency1234567890100200300400500线性扫频正弦信号Time(s)Frequency12345678901002003004005000246810-1-0.500.51Time(s)Amplitude对数扫频正弦信号 伪随机信号 在一个周期内激振信号是随机的，但各个周期的激振信号是一样的。周期随机信号 它主要有变化的伪随机激振信号组成，当激振进行到某几个周期后，又出现一个新的伪随机激振信号，它综合了纯随机信号和伪随机信号的优点，做到了即是周期信号，统计特性却是随时间变化的。（c）激励信号瞬态信号信号发生器产生的扫频正弦猝发信号和随机猝发信号产生方式：冲击锤产生的冲击信号和随机冲击信号特殊装置如火箭产生的冲击信号u 测量系统测量系统加速度传感器压电式加速度传感器压阻式加速度传感器力平衡式加速度传感器力平衡式加速度传感器 测量系统传感器压阻式加速度传感器工作原理工作原理 压阻式加速度传感器内部包括一个单晶硅悬臂梁、梁自由端的质量块和粘贴在悬臂梁上下表面的四个扩散电阻，传感器的电阻输出与其承受的振动力成比例。性能特点性能特点压阻式加速度传感器的一个显著优点是可以测量低频振动信号，因此特别适合于长期中低振动频率的测试。压电加速度传感器 工作原理：工作原理：压电加速度传感器根据压电晶体具有压电效应的特性制成，使得传感器的电信号输出与其遭受的振动力成比例。通常压电加速度传感器包括压电晶体、振动质量块、传感器基座和传感器外壳四部分。性能特点性能特点 电荷输出压电加速度传感器工作温度范围广、可测量频率和幅值范围广，但不适合测量静态信号。性能特点性能特点力平衡加速度传感器适合测量低频小幅值的振动信号，因此被广泛应用于周期较长的大跨度大跨空间结构健康监测系统中。工作原理工作原理力平衡加速度传感器选择加速度传感器需要注意的重要技术参数 灵敏度灵敏度：尽量选择灵敏度较高的加速度传感器，以提高其测量信号的信噪比；频率范围频率范围：应包括被测结构全部模态频率，工作温度范围工作温度范围：被测结构实际环境温度范围 幅值范围：幅值范围：根据被测结构可能的振动幅；测量系统信号放大器利用具有放大功能的电子电路，将传感器测量的微弱电压信号放大处理，转换成我们所需要的值 u 数据采集系统数据采集仪器：主要部件是A/D转换器数据采集软件：一般仪器自带 数据采集系统数据采集仪器 数据采集系统数据采集软件8.3 8.3 使用测量系统注意的一些问题使用测量系统注意的一些问题用腊、胶布等固定在试件上电缆从振动最小的点离开试件传感器u 电缆线的连接u 噪声干扰的抑制方法噪声来源：噪声表现形式：来自电源的工频50Hz正弦信号及其各次谐波成分来自其他方面的随机噪声电源、仪器内部电子线路、各种连接导线及其与仪器组成的网络以及大地0100200300400500-10-505频率(Hz)幅值20304050607080-6-5-4-3-2频率(Hz)幅值抑制噪声的方法：在测试系统中采用合理的减噪措施分析过程中采用平均技术测试系统中采用的减噪措施：使用稳压电源测试系统良好接地采用屏蔽线注意仪器开关顺序，测试过程中不要拨动开关仪器1仪器2仪器3单点串联接地仪器1仪器2仪器3单点并联接地接地方式单点接地接地方式多点接地仪器1仪器2仪器3多点接地地回路地回路多点接地形成一个或多个地回路，导致测量信号中产生大量的干扰信号u 传感器布置注意事项尽量不要布置在振型的节点处传感器数目不够怎么办？尽量均匀布置解决方法：选定参考点，移动传感器，分步测试。参考点参考点参考点对小型结构或模型，需要考虑传感器引起的附加质量或刚度。u 附加质量的影响8.4 8.4 激振器实验激振器实验信号放大器功率放大器信号发生器数据采集仪计算机加速度传感器激振器力传感器8.5 8.5 冲击实验冲击实验锤体力传感器锤帽锤柄附加质量锤帽材质：钢，铝，塑料，橡胶，充气锤帽钢、铝时间塑料橡胶、充气锤帽频率钢、铝塑料橡胶、充气锤帽信号放大器数据采集仪计算机加速度传感器8.6 8.6 实例实例012345-1012时间(s)幅值脉冲激励012345-10-50510时间(s)幅值加速度响应020040060080010001200-10-50510频率(Hz)幅值对数坐标下频响函数0102030405060708090-8-6-4-20246频率(Hz)幅值截取部分关注的模态00.20.40.600.20.40.60.8100.20.40.600.20.40.60.8116.194Hzf 10.0102217.5198Hzf 20.008FRF曲线拟合识别的模态参数结果00.20.40.600.20.40.60.8100.20.40.600.20.40.60.8100.20.40.600.20.40.60.81361.2514Hzf 30.0044476.5128Hzf 40.0041580.5551Hzf 50.0039FRF曲线拟合识别的模态参数结果