模态测试技术

塑料 橡胶、充气锤帽
时间 钢、铝 塑料
橡胶、充气锤帽
频率
加速度传 感器
信号放大器
数据采 集仪
计算机
8.6 实例
2 1 0 -1 0 1 2 3 4 5
幅值
时间(s)
脉冲激励
10 5
幅值
0 -5 -10 0 1 2 3 4 5
时间(s)
加速度响应
对数坐标下频响函数
10
5
幅值
0
-5
-10 0
（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。
4
600
Amplitude
Amplitude
5 10 Time (s) 15 20
2 0 -2 -4 0
400 200 0 0
50
100 150 Frequency (Hz)
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
测量系统
测量系统——传感器 压电式加速度传感器 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
压阻式加速度传感器
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 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。
激励系统
激励设备——力锤
m/s2
0
t
激励设备——激振器 功率放大器
激振器
信号发生器
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wk.baidu.com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。
0.4
0.6
0
0.2
0.4
0.6
f1 6.194Hz
1 0.0102
f 2 17.5198Hz 2 0.008
FRF曲线拟合识别的模态参数结果
1 0.8 0.6 0.4 0.2 0
1 0.8 0.6 0.4 0.2
0 0.2 0.4 0.6
1 0.8 0.6 0.4 0.2 0
5 0 -5 -10 0 100 200 300 频率(Hz) 400 500
幅值
-2
幅值
-3 -4 -5 -6 20 30 40 50 60 频率(Hz) 70 80
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
8.3 使用测量系统注意的一些问题
电缆线的连接
传感器
用腊、胶布等固 定在试件上 电缆从振动最小 的点离开试件
噪声干扰的抑制方法
噪声来源： 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
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
② 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。
③ 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
• 工作温度范围：被测结构实际环境温度范围
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
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
力平衡加速度传感器
工作原理
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。
选择加速度传感器需要注意的重要技术参数
• 幅值范围：根据被测结构可能的振动幅； • 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：应包括被测结构全部模态频率，
接地方式——单点接地 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——多点接地
仪器1
仪器2
地回路
仪器3
地回路
多点接地 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
传感器布置注意事项 尽量均匀布置 尽量不要布置在振型的节点处 传感器数目不够怎么办？ 解决方法：选定参考点，移动传感器， 分步测试。
课程名称《结构损伤识别与健康监测》
第8章 模态测试技术
讲课教师：鲍跃全 博士/副教授 2013.6.24 哈尔滨工业大学
8.1 引言
实验模态测试技术
正常工作条件下模态测试技术
应用领域 机械、结构动态分析与设计 机械、结构振动与噪声控制
机械故障诊断
结构健康监测
8.2 实验模态测试技术
激励系统 测量系统 数据采集系统
参考点
参考点
参考点
附加质量的影响 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。
8.4 激振器实验
加速度传 感器
信号放大器
数据采 集仪
计算机
激 振 器
功率放大器
信号发生器
力传感器
8.5 冲击实验
附加质量 锤体 锤柄
力传 感器 锤帽 锤帽材质：钢，铝，塑料，橡胶，充气锤帽
钢、铝
200
400
600 频率(Hz)
800
1000
1200
截取部分关注的模态
6 4 2
幅值
0 -2 -4 -6 -8 0 10 20 30 40 50 频率(Hz) 60 70 80 90
FRF曲线拟合识别的模态参数结果
1 0.8 0.6 0.4 0.2 0
1 0.8 0.6 0.4 0.2 0
0
0.2
0
0
0.2
0.4
0.6
0
0.2
0.4
0.6
f3 61.2514Hz
f 4 76.5128Hz
f5 80.5551Hz
3 0.0044
4 0.0041
5 0.0039
压电加速度传感器
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 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。
200
250
（b）激励信号——周期信号 ① 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
线性扫频正弦信号
1
Amplitude
0.5 0 -0.5 -1 0 2 4 6 8 10
Time (s)
500 400
Frequency
300 200 100 0 1 2 3 4 5 6 Time (s) 7 8 9
对数扫频正弦信号
1
Amplitude
0.5 0 -0.5 -1 0 2 4 6 8 10
Time (s)
500 400
Frequency
300 200 100 0 1 2 3 4 5 6 Time (s) 7 8 9