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模态空间系列(二十七)趣味解读模态世界--你能讲一讲模态试验采集数据的基本步骤吗?

发布时间:2022-05-26 13:59:55 浏览量:1707 作者:Peter Avitabile

摘要

模态空间是Peter Avitabile教授发表的系列模态解读文章。Peter Avitabile教授是美国麻省大学洛威尔校区UMASS Lowell机械工程系结构动力学和声学系统实验室的副主任,以及模态分析和控制实验室的主任。Peter Avitabile教授以略带口语化、生动而又幽默的语言,在每篇文章中集中介绍试验模态分析的一个主题,是非常好的试验模态分析的入门文章。它涉及到了试验模态分析的方方面面,是模态试验新手的入门极佳材料,学习它有助于理解什么是试验模态,以及取得高质量的模态参数。

在北京科尚仪器官网发布模态空间系列文章及其中文翻译,得到了Peter Avitabile教授的书面授权,Peter Avitabile教授拥有文章全部权利,北京科尚仪器只为学习教育目的而使用它们。如您转载此系列中文翻译,请保留本段的描述信息。


正文


模态空间系列(二十七)趣味解读模态世界--你能讲一讲模态试验采集数据的基本步骤吗?


在北京科尚仪器官网发布模态空间系列文章及其中文翻译,得到了Peter Avitabile教授的书面授权,Peter Avitabile教授拥有文章全部权利,北京科尚仪器只为学习教育目的而使用它们。如您转载此系列中文翻译,请保留本段的描述信息。



你能讲讲模态试验采集数据的基本步骤吗?

要讲的内容很多,但我们总结一下基本步骤吧。

2014年01月06日


基本的数据采集过程有好几个步骤。对于锤击试验和激振器试验这些步骤稍有不同,下面将分别讨论。


对于锤击试验,利用力锤或者某种冲击装置将激励施加到结构之上,其中传递到结构上的激振力需要测量。常用加速度计测量结构响应,但有时用激光或其他测量传感器。通常,在数据采集系统的最低通道上测量用于激励结构的力。尽管今天在很多系统上不做这样要求,但很多测量工程师依然遵从这个做法。在剩余通道上测量一个或多个响应信号(取决于在使用两通道抑或是多通道系统)。通常根据冲击装置的触发来启动测量。为了让数据采集系统启动测量过程,必须定义某个最小电平。所测力最大电压的10%~20%做触发电平是一个很好的数值,可用于大多数测试。很多数据采集系统中,定义一个预触发延迟来捕捉完整的冲击装置的瞬态信号。利用预触发延迟功能,不会丢失任何冲击力脉冲。


采集传感器数据,进行数字化之前这个数据总要通过一个低通、模拟滤波。这么做主要是为了滤除不感兴趣的高频,以防止混叠发生。这些模拟滤波器,常称为抗混滤波器,可以去掉高频成分,否则可能对所测频率分量造成污染。


接下来这个数据进入模数转换器(ADC)进行采样,转换为数字的形式。这时有两个注意事项。必须按照一定的频率采样来充分保留时域数据的特征以转换到频域。一般情况下,数据必须按照感兴趣的最高频率的至少2倍以上进行采样,以将其转换到频域表示。如果需要时域数据处理来评价结构的时域特征,那么应按照感兴趣的最高频率的至少10~20倍进行采样以充分描述系统特征。为了正确地描述信号的幅值特征,必须设定ADC至一个合适的电压量程。如果设置不正确,测量信号中的量化误差可能会带来问题。在很多数据采集系统中,一个称为自动量程的功能来帮助将所有数据采集通道设置到合适的电压量程。也可以手动设置ADC量程,但必须小心仔细以保证采集通道设置正确。另外,如果量程设置过高信号可能会产生量化误差,如果量程设置过低信号可能会削波和过载。


至此,描述冲击和响应的数据已经以原始的数字化的形式存在了。根据实际时域信号的特征,可能需要施加窗函数来减少泄漏。在冲击测试中,如果在采集样本数据的过程中没有捕捉到完整的瞬时信号,可能发生泄漏。如果在冲击通道中有明显的噪声存在,如有必要,则可以利用力窗来减少噪声。如果在采样时间段的尾端响应信号没有充分衰减到零,那么可能需要指数窗来避免因傅立叶变换过程带来的信号失真。



在加指数窗之前,应该用到另外两个信号处理功能。为了有更多的时间让响应信号自然衰减到零,可以减少测量带宽或者增加谱线条数;这两个参数最终都是增加测量要求的总时间。这将会允许有更多的时间让响应信号自然衰减,于是减少了施加大的阻尼窗函数的必要性。


对激振器测试,通常在采集系统的最低通道测量激振器激励信号(尽管也不要求这样,但很多人遵从这个做法)。数据采集系统的剩余通道测量响应传感器。触发根据所用的激励不同而发生变化。对于随机激励,常用“自由运行”模式。但其他激励(如猝发随机,正弦扫频,等)将根据信号源或者力触发来启动。另外,对于猝发随机激励有时要定义一个预触发延迟。


对于多种所用的激振器激励,不加窗函数,因为这些信号通常具有“专门”的特征,利用它是为了得到没有泄漏的测量结果,满足了FFT的要求。但是,如果用其他随机信号,如随机激励,那么可以用诸如汉宁窗的窗函数来减少泄漏影响。

对于锤击或激振器激励来说,采集的时域数据必须利用FFT转换到频域。变换算法FFT得到了输入和输出信号的线性谱。(注意这些函数是复数值。)下面得到输入谱 ( Gxx),输出谱( Gyy)和互谱 ( Gyx)接下来利用所有单独的数据采集记录来对这三个谱进行平均。一旦得到Gxx ,Gyy和Gyx ,就可以计算频响函数和相干。尽管有不同形式的频响函数,但H1是最常用的频响形式,用在了今天所进行的大多数的单输入模态试验中。图1和图2分别描述了锤击测试和激振器测试的H1测量流程。


尽管频响函数是试验模态模型推导所要求的唯一测量结果,但很多时候自谱和互谱以及相干也一并保存作为数据集合的一部分。(因为磁盘驱动存储的大量冗余,没有理由不保存所有的测量结果!)



显然可以探讨的还有很多,但我希望这有助于解释在试验模态试验的整体测量过程中的几个基本步骤。如果你有关于模态分析的任何其他问题,尽管问我好了。

在北京科尚仪器官网发布模态空间系列文章及其中文翻译,得到了Peter Avitabile教授的书面授权,Peter Avitabile教授拥有文章全部权利,北京科尚仪器只为学习教育目的而使用它们。如您转载此系列中文翻译,请保留本段的描述信息。


模态激励全新的解决方案-WaveHitMAX自动脉冲锤  




实验模态分析中必不可少的一环就是模态激励,昊量光电最新推出的这款智能冲击锤的发明为结构动力学应用提供了机械激励的新途径。智能意味着设备内部处理信号。模态锤WaveHitMAX保证了测试对象的全自动、可重复和高精度激励,而没有双重打击。用户可以根据不同的阻尼/延迟时间,设置撞击次数、冲击力和撞击之间的延迟时间。所有的预置,如零点或冲击力搜索,都是由锤子自动完成的。用户不再需要手动调整。


针对全自动冲击锤的研制,WaveHitMAX采用包括整个运动控制的闭环控制方法解决了这一问题。



图1. 用于脉冲锤内部运动控制的传感器-执行器控制回路示意图



对新型冲脉冲锤WaveHitMAX的系统设计进行了改进,使传感器信号作为运动控制单元的主要输入参数。这样,脉冲锤的手臂可以向上移动到试件的命中点,在那里,通过力传感器信号中的特征变化检测到接触事件,手臂的移动方向可以反转。


与半自动冲击锤相比,WaveHitMAX自动脉冲锤具有新的功能。内部信号处理的优点有:

• 全自动单击

• 自动搜索用户自定义的冲击力

• 自动零点搜索

• 确认对质量保证的影响

• 更改锤头与测试对象之间的位置,无需重新设置


WaveHitMAX自动模态力锤可以通过以太网在Windows设备(PC或平板电脑)上通过包含的软件快速、轻松地操作。



自动模态脉冲锤特点:

• 自动零点搜索

• 可重复的单击激发

• 内部传感器评估和过程控制

• 自动搜索和调整冲击力

• 位置的变化是自动预测的

• 通过附件配置脉冲特性

• 通过远程控制或集成到客户系统中来触发功能

• 在德国设计和组装

• CE认证



1.确保单次激发

双重撞击激励可以在时域和频域检测到



2.丰富的配件支持

不同的传感器-尖端-配重的组合。



综述上文介绍WaveHitMAX - 第一款用于全自动冲击测试的智能脉冲锤,在全新的AI智能脉冲领域实现真正意义上的全自动智能脉冲锤!


如果您对WaveHitMAX-全自动冲击测试的智能脉冲锤有兴趣,请访问上海昊量光电的官方网页:

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Gfai tech GmbH一直在生产和销售"德国制造"的声音和振动测量和分析创新产品超过15年。作为应用计算机科学促进会(GFai)的100%子公司,它始终以行业为导向和以应用为导向。

Gfai tech以第一台模块化和灵活的声学摄像机而闻名,用于声源的定位,可视化和分析。如今,该产品组合还包括实验模态分析的创新以及用于监测、分析和评估声学测量数据的完整软件解决方案。我们的测量解决方案应用于汽车、工业、空中交通、火车交通和研发领域的降噪、错误检测和声音设计。

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