MODAL SPACE – IN OUR OWN LITTLE WORLD
模态空间 – 在我们自己的小世界中 Peter Avitabile(著) KSI科尚仪器董书伟（译）
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。
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）。
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。
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。
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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