第三章 试验模态测试技术

力传感器 锤帽
之后就下降，再后就不定值变化了。因此需要对其进行控
制。这主要是靠锤帽的来控制，锤帽一般有钢制的、铝制
的、塑料制作的以及橡皮制作的四种。另外操作的技巧也 很有关系。
3.4
传感器和放大器
现代传感器的功能可以定义为：将我们要测量的物 理量转换成电量（电压、电阻、电荷、电流等）。
目前工程上一般都要转换为电压，因为计算机、记
频率响应分析仪器的最大优点是测量的结果精确， 其最大的缺点是试验花费的时间非常大。目前工程上使 用渐渐少了，目前工程上主要用的是谱分析仪。
3.5.3谱分析仪
谱分析仪主要用于瞬态信号和随机信号的分析处理。 象我们学校动态中心的 SD380、美国的5451C、英国的
1125谱分析仪器等都是这一类仪器。它们也是属于数字
频率响应分析仪器是由跟踪滤波器发展而来的，它 是用于激励方式为稳态正弦激励，即激励的力是单一频 率的正弦力，然后一个频率，一个频率进行频率扫描， 从而得到各种频率下的响应。但在这个装置中，处理的 核心部分是以数字方式进行的而不是象早期的跟踪滤波 分析仪器那样使用模拟电路。我们实验室的1170频响分
析仪器就是这一类仪器。
惯性力才能改变激励力的幅值，故在振动过程中是无法调
整的。早期有这类装置，目前使用不多。
3.3.2电磁式激振器
电磁式振动台是最流行的一种激励装置，在这种激 励装置中，输入信号转换成交变磁场，在磁场中放置一 个线圈，该线圈与装置的驱动部分连接，驱动部分与结
构相连。在这种情况下，激励的频率和幅值彼此是独立
3.5 分析仪 3.5.1 分析仪的作用
从测试系统中可以看出Βιβλιοθήκη Baidu二次仪表将被测信号转
换成电压信号后必须要对所获得的信号根据我们问题 要求进行分析处理。 早期还有一种称为跟踪滤波器，它是一种模拟信 号分析仪器，现在已淘汰。后来常用的主要是频率响
应分析仪和谱分析仪，这两种仪器现在都属数字分析
仪器。
3.5.2 频率响应分析仪
F
晶体
3.4.1 力传感器
力传感器是最简单的压电 式传感器，其结构如图所示。 将被测的力直接作用在压 电晶体的端面上，因此就产 生一个与力 F 成正比的的电 荷 q 。为了提高传感器的灵 敏度，通常力传感器用两片 晶体，并且使两晶体的负电 荷面与壳体相接，而两晶体 的正电荷面相互接触成为内 表面。并引出导线。这种设 计方法可使壳体的两端不一 定要绝缘。设计力传感器的 q
3.3
结构的激励
做试验模态分析必须使构件动起来，故做试验模态
分析必须要有激励装置。激励装置从激励方式来分有：接 触式和非接触式；从激励的信号类型看有：稳态激励（它 包括周期激励，正弦慢扫描激励）；另外还有：随机激励； 瞬态激励。根据测试的不同需要采用不同激励信号。狭义
的说我们结构动态试验常用的是瞬态激励。
弯曲模态，其值还是很低的。这里要注意的是悬挂系
统可能对各种小阻尼试件有增加阻尼的影响。
理论上讲模态试验应该在自由支承条件下进行，但 在实际情况中，这种方法有时是行不通的。 另一种支承为称为地面支承（固定支承），即设想将
结构上的某些点与地面固定连接。在理论上分析这个条件
是非常容易实现的，即简单的删去对应点的坐标即可。但 在做试验时很困难因为我们很难提供一个基础或地基固定 试验构件，使其完全与地面固定。
控制的具有较大的可控性。这在通过共振点，需要改变 激励电平时特别实用。
3.3.3电液激振器
所谓电液激振器实际上就是液压激振器。（在工程 中又称为伺服器）在这种装置中，利用液压原理进行功 率放大以产生很大的激振力。其一个很大的优点是可以 模拟实际载荷进行试验，因为它可以在加静载荷的同时
又加动载荷。当被试验的结构在工作承受振动时，又承
试结果。 3、加速度传感器的灵敏度大小 一般说，传感器的灵敏度愈大愈好，但要注意灵敏度 大的传感器质量也大，体积也大，对结构的影响也大。
3.4.5 电荷放大器
压电式传感器的优点之一是它为一个有源装置，即
工作时不要求电源。然而，这也是说它不能测量真正意 义上的静态量。故存在一个测量频率的下限，低于该频 率时测量是无效的。这个频率下限不但取决于传感器本 身的特性，而且还取决于所用的放大器。放大器的作用
对于搞力学专业的人较重视的。理论上要求被测对象
是处于“自由”状态，故所试验的结构是处于“自 由”，有两种方法来实现，即“悬挂”式和“地面支 承”式。
悬挂式是将被测对象自由地悬挂在空间。在这种 状态下结构将呈现由其质量和惯性所确定的刚体模态，
既无弯曲又无变形。对处于这种自由状态下的结构，
我们可以确定其刚体模态，乃至质量和惯性特性，这 些都是非常重要的数据。 当然，实际上不可能提供真正的自由支承条件， 结构必须用某种方法支撑，在试验中提供一个十分接 近这种状态的悬挂系统是可能的。就是把试件支承在 很软的“弹簧”上，例如用很轻的弹性绳把试件吊起 来。这时刚体模态的固有频率不再为零，但相对那些
被测 对象
信号分析数据处理仪器 （如频谱分析仪器）
分析系统
传感器 （如加速度传感器）
二次仪表 （如电荷放大器）
记录显示器 （如磁带记录仪）
响应测试系统
3.2 结构准备工作 导纳测量全过程的一个重要准备工作是在试验结 构本身，一般人常常没有给予足够的注意，致使整个 试验的价值引起不必要的降低。实际上是一个所做试 验的边界条件是否与理论假设相符合（或近似），这
F
壳体
一个重要特性在于晶体与 外壳的相对刚度值（轴 向），因为我们希望所测 的力直接、全部传到晶体 上，故力传感器两端面的 厚度是不一样的，较薄的 一面应该连接到被测构件 上。所以在使用力传感器 时一般要注意“正反”面。
3.4.2 加速度传感器
在压电加速度传感器中，信号的转换是间接的。它是 利用一个辅助的惯性质量来实现的。其结构如图所示。
予压弹簧
m
惯性质量 q
x
k
晶体
M
z
z ）。 在结构中，施加到晶体上的力是惯性力（即 m
由于壳体与惯性质量是一起运动的，故
是相同的。 x z 与
传感器的输出将和壳体的加速度 成正比，因而也和安 x 装传感器结构的加速度成正比。
3.4.3 加速度传感器的选择
加速度传感器的选择主要要考虑以下三个问题
1、加速度传感器的频带宽度。因此在选用传感器时， 要注意传感器的可测频带是否复盖我们所关心的被测对象 的频带。 2、加速度传感器本身的质量对测量结构的影响。如果
被测对象的质量很大则影响不大，如果被测对象的质量较
小则必须选用质量较小的传感器，不然会影响测试结果。 3、加速度传感器的灵敏度大小。一般来说，传感器的 灵敏度愈大愈好，但要注意灵敏度大的传感器质量也大， 体积也大，对结构的影响也大。
3.1基本测量系统
尽管测试问题各种各样、测量仪器各不相同，但基
本测试系统还是十分简单的。可分为三大部分：即激励
系统、响应测试系统和信号分析系统。这三个系统可由 如下的简图来表示： （论文撰写时测试方案一般也应用测试框图来表示）
传感器 （如力传感器）
放大器 （如功率放大器）
激励系统
信号源 （如信号发生器）
分析仪器，这种仪器可以根据需要对输入信号进行多种 特性的分析，如普通谱分析、功率谱分析、相干分析、
倒谱分析等。所有这些分析都是基于离散的傅立叶变换。
这些激励信号都要通过一个激励装置来实现。一个激 励装置工作指标有：激励力的大小，激励频率的范围，以 及他们的可控程度。下面我们就几种常见的激励装置的特 点和优缺点 简单介绍一下。
3.3.1机械式激振器 机械式激励装置是利用转动时不平衡质量惯性力作 为激励力的。在使用中灵活性较小，调节不方便。但他能 产生频率可变的常力。力的大小与惯性力有关，只有调节
3.4.3 加速度传感器的选择 加速度传感器的选择主要要考虑以下三个问题 1、加速度传感器的频带宽度 因此在选用传感器时，要注意传感器的可测频带是否 复盖我们所关心的被测对象的频带。 2、加速度传感器本身的质量对测量结构的影响 如果被测对象的质量很大则影响不大，如果被测对象
的质量较小则必须选用质量较小的传感器，不然会影响测
受较大的静载荷。用这种电液激振器最好。 电液激振器的另一优点是可以产生较大的振幅这是
电磁激振器所达不到的。
电液激振器的工作频率范围是超低频的，一般是0~1kHz 的范围内。而电磁激振器的频率范围是 30~50KHz 。电
液激振器的主要缺点是价格昂贵，试验费用高。
3.3.4 手锤冲击器激励
另一种最常用的 激励方法是手锤冲击 法 。从信号形式来看 是属于瞬时激励。 理论上讲如果给 一个脉冲激励该脉冲 激励所含的频率成分 有无穷多个 。 但在实 际激励时我们是激不 出用时为零幅值无穷 大面积为 1 的理论脉冲 信号的。
(t )
1 H(f)
t
0 0
f
F(t)
H(f)
fc
f
t 0 Tc
1ms
0
1000Hz
手锤的结构如图所示，它由锤头、 锤帽、锤把以及力传感器组成。手 锤冲击法激出的信号、和其频谱图
锤头
如图所示。从图中可以看出，当锤
帽撞击被测试件时，结构将承受一 个相当于半正弦波的力脉冲，而它 的频谱图在低频基本上是平坦的，
2 、已知输出和系统的特性，要研究系统的输入 —— 动载荷识别（作载荷谱）或环境测试问题。 例如汽车工业中的路面谱分析问题，这对汽车工 业是很重要的问题。 噪声对人体的影响问题，就要分析噪声的频率成
分，即噪声测量问题，也就是环境测试问题。
3、已知系统输入和输出要识别或研究系统的动态特 性——系统识别问题（试验模态分析） 也就是说我们要根据测得的输入、输出来确定系统的物 理参数。试验模态分析就是要解决这类问题。有时这类 测量统称为“导纳测量”
3.0引言
本章将讨论模态试验所用的测量技术对于我们所研究 的对象（系统）与外界的关系一般可用如下的图来表示：
f (t )
输入
x(t ) h(t )
系统
输出
这里： f (t ) ——输入激励（狭义地说是力，广义地说就不一定了）
x(t ) ——输出响应（位移、速度、加速度等）
h(t ) ——系统转换函数（特性）（注意自变量是时间）
例如，很大的试件，像发电机或土木结构就不能 在自由支承条件下试验。而自由支承条件试验在有的 实际情况下是不合理的。 再例如，我们考虑涡轮叶片的动态特性时，就我 们感兴趣的是叶片相对轴的振动模态，故完全可以用 固定支承。
对于测量导纳来说，哪种形式的支承的试验是最
好方式，没有万能的方法可以适合每个试验，须根据 具体情况以及所研究问题的性质来确定。
使用其他类型的传感器。因此我们将讨论限制在这些压
电型传感器上。 用于导纳测量的压电式传感器有三种：力传感器、
加速度传感器、以及阻抗头（所谓阻抗头实际上就是将
力传感器和加速度传感器组合在一个装置中）。 压电式传感器的基本工作原理是用压电材料（天 然的或人工的晶体，等等）做成的压电元件。压电材料 主要有这样的物理特性：当其承受机械应力时，在其端 面会产生电荷。故通过适当的设计，可以将晶体元件放 到一个装置中去，在这装置中产生一个与被测物理量 （也就是力和加速度）成正比电荷量。
录仪器、信号分析仪器一般是接受电压信号。这种转换 大多由二次仪表来完成，如电阻应变片是将应变这物理 量转换为电阻量，再由应变仪将电阻转换为电压信号； 压电传感器是将被测的力、加速度等物理量转换为电荷
信号，再由电荷放大器将电荷信号转换为电压信号。
压电式传感器是目前最流行的，也是试验模态测量 中使用最广泛的一种传感器，只有在一些特殊情况下才
就是将压电晶体所产生的很小的电荷转换成足够用于分
析仪器的电压。
完成这功能有两种放大器一种是电压放大器，一 种是电荷放大器。目前常用的是电荷放大器，电压放大
器已淘汰了。电荷放大器的主要优点是可以放大频率较
低的电荷信号，连接导线对传感器的灵敏度影响较小。 但价格较贵。 但近几年随着电子元气件的发展这个问题已解决。
用公式可表示为：
响应
=
特性

输入
由此可见，只有当测定方程中的两项时，才能完全测出 试验对象的振动情况。 从机构的动态分析这角度来说，基本问题可以分成三类： 1、已知系统的特性和输入，求响应———振动分析问题 例如，一机器由于转动轴的偏心产生振动，这时输入 激励是已知的，机器本身结构的特性也是已知的现在要 求系统的位移、速度、加速度。这称为振动分析问题。。