机械系统建模与仿真第三章

第三讲 时间历程的测量
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。 二、固定支撑 固定支撑用于结构承受刚性约束的情形，故又称刚性支 撑，加高层建筑、大坝的模型试验需采用固定支撑。 三、 原装支撑 原装支撑是广泛应用的一种支撑方式。事实上，自由支撑 和固定支撑都是原装支撑的特殊情况。对完整结构来说， 原装支撑是最优边界模拟。 以上三种支撑方式并无优劣之分，而是视具体问题而定。
第三讲 时间历程的测量
3.2 激励方式
在模态实验中，不同的参数识别方法对频响函数测试的要求 不同，因而所选激励方式也不同。一般来讲，激励方式有单 点激励、多点激励和单点分区激励。 一、 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。 二、 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，向时，也增加了激振的 复杂性。
第三讲 时间历程的测量
试验结构分为原型和模型两种。 不管是原型试验还是模型试验，试验结构边界条件都是要考 虑的重要因素，不同边界条件的结构特性可能完全不同。 从力学意义上考虑，边界条件可分为几何边界条件、力边界 条件、运动边界条件等；在模态实验中，对系统固有特性影 响最大的是几何边界条件，也即试验结构的支撑条件。支撑 条件一般有自由支撑、固定支撑和原装支撑。 一、自由支撑 事实上，根难达到完全自由的约束状态。为此，采用的支撑 应尽量柔软，即具有较低的支撑刚度和阻尼。这样的支撑称 为自由支撑。经常采用的方式有橡皮绳悬挂、弹簧悬挂、气 垫支撑、空气弹簧支撑、螺旋弹簧支撑等等。
图 测 量 系 统 3—3
第三讲 时间历程的测量
传感器 传感器是能感受规定的被测量、并按照一定的规律转换成 可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换元件 组成(GB766-87)。 • 分类：接触式和非接触式 • 按壳体的固定方式可分为相对式和绝对式。 • 机械振动是一种物理现象，而不是一个物理参数，和 振动相关的物理量有振动位移、振动速度、振动加速 度等，所以振动测试是对这些振动量的检测，它们反 映了振动的强弱程度。
第三讲 时间历程的测量
压电式传感器
1.变换原理:
压电效应
某些物质，如石英，当 受到外力作用时，不仅几何 尺寸会发生变化，而且内部 被极化，表面会产生电荷； 当外力去掉时，又重新回到 原来的状态，这种现象称为 压电效应。
第三讲 时间历程的测量
压电效应
压 电 式 传 感 器
q=DF
第三讲 时间历程的测量
第三讲 时间历程的测量
图3-2 快速扫频正弦信号
(a)线性扫频；(b)对数扫频
第三讲 时间历程的测量
2．伪随机信号 它是一种有周期性的随机信号，它在一个周 期内的信号是纯随机的，但各个周期内的信号是完全相同的。 这种方法的优点在于试验的可重复性。 将白噪声在T内截断，然后按周期T反复重复，即形成伪随 机信号。
第三讲 时间历程的测量
1) 工作原理
金属应变片的电阻R为
R
d
l
A
R A
电 阻 式 传 感 器
dR
R l
dl
2
R
dA
A r dA 2 rdr
dR R
dr r

l l
dl l

d

2
d
dr r

dR R
,

E
(1 2 E )
第三讲 时间历程的测量
(1)
金属应变片（不变）
电 阻 式 传 感 器
dR
R S 1.7 3.6
(1 2 )
金属应变计
(2)
半导体应变片（变化）
半导体应变计
dR
R S 60 170
E
应变计
第三讲 时间历程的测量
2) 金属应变计
图3-1 激振器激励系统
第三讲 时间历程的测量
二、 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。 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。 冲击锤锤头可有不同的重量，以得到不同能量的激励信号。 冲击锤激励，使用方便、对工作环境适应性较强且能得到 相当满意的结果，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。 三、 阶跃激励装置
第三讲 时间历程的测量
3 响应特性
传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持不失真的测量 条件。 实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但总希望延迟 的时间越短越好。
原理 将物品重量通过悬臂梁转化结 构变形再通过应变片转化为电 量输出。
第三讲 时间历程的测量
磁电式传感器
1.变换原理: 磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动 势的一种转换器。 感应线圈的感应电动势U为
U N
d dt
, B S cos ,
d dt
(B , Rm , )
第三讲 时间历程的测量
多点激励具有以下主要特点： ①不易遗漏模态； ②输入能量大且传递均匀，获得的频响函数信噪比高； ③一次性获得频响函数矩阵，比单点激励分别求出的频响函 数矩阵一致性要好。
三、 单点分区激励
对较大型结构，采用多点激励能获得满意的频响函数。 然而，由于激励设备复杂，许多测试单位并不具备多点 激励的条件。为此，可采用单点分区激励技术。
第三讲 时间历程的测量
试验结构的支撑方式
激励方式、装置和信号
测量系统 激振器试验 冲击试验
第三讲 时间历程的测量
3.1 试验结构的支撑方式
进行实验模态分析的第一步，是获得被测结构激励和响应 的时域信号，即时间历程。 获得振动结构所受激励和振动响应的时域信号是振动测试 技术的基本内容。 对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； ①激振部分，包括信号源、功率放大器、激振装置； ②拾振部分，包括力传感器、响应传感器、适调放大器； ③分析、显示、记录部分，包括各种分析仪及其外围设备 (显示、记录仪器等）。
第三讲 时间历程的测量
3-1
第三讲 时间历程的测量
3.5 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关心机 械量的电压信号。测量系统由传感器及其配套测量电路组成， 如图3-2所示。 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。
3．周期随机信号 它实际是一种统计特性变化的伪随机 信号；在每个周期内，都是一种伪随机信号，但各个周期 内的伪随机信号统计特性不同，即各周期内的伪随机信号 互不相关。 周期随机信号综合了纯随机信号和伪随机信号的优点，既 具周期性，又具随机性，从而也避免了两种信号的缺点。
第三讲 时间历程的测量
四、 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。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。 猝发激励有两个特点：一是仅在短暂时间内激励试验结构， 具有周期激励的性质；二是在采样时间内，试验结构几乎 消耗掉激励的全部能量，使自由响应趋于零。
b) 测速电机
第三讲 时间历程的测量
传感器选用原则
选择传感器主要考虑灵敏度、线性范围、响应特性、 稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。 1、灵敏度 一般说来，传感器灵敏度越高越好，但在确定灵敏度时， 要考虑以下几个问题。 a)灵敏度过高引起的干扰问题； b)量程范围； c)交叉灵敏度问题。 2 线性范围 任何传感器都有一定的线性工作范围。在线性范围内输 出与输入成比例关系。传感器工作在线性区域内，是保证测 量精度的基本条件。
磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关， 改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。
第三讲 时间历程的测量
2 分类 线速度型 动圈式 磁 电 式 磁阻式 3 动 圈 式 传 感 器 角速度型
磁 电 式 传 感 器
N
第三讲 时间历程的测量
4 磁阻式传感器
磁 电 式 传 感 器
5 应用
a)磁电式车速传感器
电 阻 式 传 感 器
• 金属应变计有： 丝式和箔式 • 优点：稳定性和 温度特性好. • 缺点：灵敏度系 数小.
第三讲 时间历程的测量
3) 半导体应变计
电 阻 式 传 感 器
• 优点：应变灵敏度大；体积小；能制成具有一定 应变电阻的元件. • 缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。
德国HBM电阻应变式传感器
第三讲 时间历程的测量
单点分区激励的基本假设是，单点激励仍能激发出系统的 各阶模态，但只在激振点附近的响应较大，远离激振点的 响应可以较小。 该方法的基本思想是，将被测结构分成几个区，在每个区 域内实施单点激励并测出该区内各点之间的频响函数；最 后，再测出各区域激励点之间的频响函数，将各区频响函 数联系起来。各区频响函数组成整体结构的频响函数，以 此识别整体模态振型。 用单点分区激励做模态分析的方法相当于在原装支撑下子 结构模态综合法，但比一般的子结构方法要简单得多，且 不存在联接条件处理上的误差，是一种值得推广的方法。
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。阶跃激励的 特点是能给结构输入很大的能量，适于大型、重型结构的模 态分析，一般只能激励出系统的较低几阶主振动。