27.模态空间02.06 — 你能讲一讲模态试验采集数据的基本步骤吗?

MODAL SPACE – IN OUR OWN LITTLE WORLD

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

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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、模拟滤波器。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。

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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!)

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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。

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