40.模态空间04.08 – 我发现数字化仪的过载、欠载和量程设置难于理解。

MODAL SPACE – IN OUR OWN LITTLE WORLD

模态空间 – 在我们自己的小世界中  Peter Avitabile() KSI科尚仪器董书伟(译)

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我发现数字化仪的过载、欠载和量程设置难以理解。

我们讨论一下这个问题

2014年09月07日 发布 ver1.0

这是个很好的讨论话题。之前我们曾经讨论过锤击试验中关于锤头、触发延迟和双击等问题。还有其他关于模数转换器的过载/欠载,数字化仪不理想的量化,测试非线性结构的难题等其他隐忧。为了节省量程设置的问题以及它们对数模转换器ADC设置的影响(无他意),将使用之前讨论过的几个典型测量结果。

锤击测量结果如图1所示,其中输入激振力没有充分激起感兴趣的全部频率范围。大约一半的频率范围没有经受足够的力输入以激起结构,因此在这个频率范围内输入信号和输出信号二者都非常低。但是在低频,输入力信号跟响应信号一样强。

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图 1 – 力锤输入,仅激起部分频谱

信号能量中低频分量占有优势。现在真正的问题是在频率范围内能量如何分布(为了讨论的目的,它实际上是曲线面积的评估)。为了便于讨论,我们假设在低频范围内输入力谱(蓝色)大约有4V,高频范围0.1V,共有4.1V。我们也可以假设响应(红色)在低频和高频范围内分别分布为9V和0.5V。显然,总电压以低频范围为主。在本例中,在每个通道上,输入通道和输出通道可以设置为5V和10V的可能量程。

那么这是什么意思。我们用一个简单的正弦波来解释分辨率。举个例子,设置一个简单的6位ADC到满量程,接着再设置为一个更低的量程,来清楚地说明数字化仪如何影响测量的幅度。(请注意,作为参考,所有的值都是近似的,做了舍入。)一个1.5V峰值的正弦波如图1所示,ADC设置为大约10V。图2仅显示出含有这个信号的ADC部分。注意分辨率不理想,因为量化误差的原因,没有正确地识别出正弦波的实际幅值。如果ADC量程设置的比实际待测的信号大很多,会发生这种情况(本例中,ADC的满量程是10V)。

现在ADC的量程如果设置为2.0V,如图3所示,信号的分辨率好多了。这是因为ADC的全部动态范围为感兴趣的信号而设(ADC设置为2.0V来测量1.5V的信号)。

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图 2 – 正弦波,分辨率不理想图                           3 – 正弦波,分辨率好

现在我们再考虑一个例子,其中有不同频率、不同幅值的两个正弦波要同时测量。同样使用2.0V量程。图4中,很显然,ADC设置以两正弦波中较大的那个为主。但是,值得注意的是,两信号中较小的信号受量化误差之害甚于较大的信号。在结构系统上所作的频率测量中,这种情况很普遍。无法避免。但是,如果ADC设置为10V最大量程,想想看量化误差将会多么糟糕。

既然我们对于一个简单的正弦波的量程设置有所了解了,我们可以更好地理解图1中的测量结果的问题。没有很好地激起高频,高频模态响应少。高频测量结果有量化误差。图1中高频部分的这个问题类似于图4中举例的问题。

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图 4 – 两正弦波,可能有分辨率问题

现在我们考虑另一个例子,其中加于结构的锤击很好地激起了感兴趣频率范围(128Hz)之外的模态,如图5所示。为了便于讨论,假设能量分布在希望的(低的)频率和高频(激起了,但超出了感兴趣的范围)之间。注意传感器将测量系统的全部响应(能量),即使在频率信息的量程中实际上只使用这个能量的一部分。因为传感器的总电压实际上受高频严重影响,ADC必须设置的比实际需要的更高,那么情况会怎样。这意味着ADC将设置的比实际需要的更高,以容纳这些高频 – 结果是低频会有量化误差。

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图 5 – 激起了感兴趣频带之外的模态

我利用结构系统中可能采集的典型测量结果,采用间接的方式回答了你关于数字化仪的设置问题。我希望这有助于解释进行测量的这个非常重要的部分。如果你有关于模态分析的任何其他问题,尽管问我好了。

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