测量振动激励和响应信号的基本方法
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摘要: 　　振动测量从本质上说属动态测量，测振传感器检测的信号是被测对象在某种激励下的输出响应信号。振动测量的一个主要目的就是通过对激励和响应信号的测试分析，找出系统的动态特性参数，包括固有频率、固有振型、模态质量、模态刚度 ...
&　　振动测量从本质上说属动态测量，测振检测的信号是被测对象在某种激励下的输出响应信号。振动测量的一个主要目的就是通过对激励和响应信号的测试分析，找出系统的动态特性参数，包括固有频率、固有振型、模态质量、模态刚度、模态阻尼比等。振动测量是结构模态分析和设备故障诊断的基础。限于篇幅的关系，本节只简单介绍测量振动激励和响应信号的基本方法。
　　1．机械阻抗与机械导纳
　　机械阻抗与机械导纳的一般定义为
　　　　　　　　　　　　　（1）
　　　　　　　　　　　　　（2）
　　机械系统的激励一般是力，系统的响应可用位移、速度和加速度来表示，故机械阻抗和机械导纳又各有三种形式。位移阻抗又称为动刚度，位移导纳称为动柔度，速度阻抗称为机械阻抗，速度导纳简称导纳，加速度阻抗又称为视在质量，加速度导纳又称为机械惯性。
　　机械阻抗是复量，可写成幅值、相角，或实部、虚部形式，也可用幅一相特性、奈奎斯特图表示。
　　在评价结构抗振能力时常用动刚度，在共振区动刚度仅为静刚度的几分之一到十几分之一；在分析振动对人体感受影响时，常用速度阻抗；在分析振动引起的结构疲劳损伤时，常用机械惯性；在分析车厢等振动、噪声时则常用速度导纳。
　　机械阻抗测试是在结构上施加激振力，同时测量力和响应，所得机械阻抗只决定于系统本身，而与激振力性质无关。
　　按激励方式的不同，测试方法通常分为稳态正弦激励测试、随机激励测试和瞬态激励测试三种。
　　2．稳态正弦激励测试
　　稳态正弦激励即施加在被测对象上的力是稳态正弦力，最常用的一种激励方式。它具有能量集中，精度高等优点，可分为单点激励和多点激励。所谓单点激励就是采用一个激振器，对结构上某一点进行激励；而多点激励则是用两个或两个以上的激振器对被测物同时进行激励。
　　图1是对某被测试件进行单点稳态正弦激励测试的原理框图。被测试件按实际工作条件固定。在其上选择激励点和测量点，激励点和测量点应避开各阶模态的节点或节线。激振器用橡皮绳悬吊，阻抗头与激振器之间用一个柔性杆连接（以减小激振器对试件非激励方向的附加刚度约束）。信号器输出的单一频率的正弦信号经功率放大器推动激振器，使试件产生受迫振动。振动信号与力信号分别通过电荷放大器放大，并转变为电压信号输入分析仪进行分析运算，结果由记录仪或打印机输出。改变激励频率，重复上述试验，即可获得有关频谱信息。改变激励点和测量点，重复上面的测量则可获得试件上各点的模态参数。
图1　稳态正弦激励测试原理框图
　　阻抗头是一个高精度的，由力传感器和加速度计同轴安装构成的传感器，如图2所示。它装在激振器顶杆和试件之间，前端是力传感器，后面为测量激振点响应的加速度计。在构造上应使两者尽量接近，质量块为钨合金制成，壳体用钛制造。为了使力传感器的激振平台具有刚度大、质量小的性能，采用铍来制造。
　　分析仪器的作用是对激励及响应信号进行采样、变换、运算，从而求出传递函数的幅值、相位或实部、虚部。稳态正弦激励测试常用的分析仪器有两类，即模拟量跟踪滤波器式和数字相关积分式分析仪，也可用FFT分析仪。
　　3．瞬态激励测试
图2　阻抗头1-力敏压电片；2-加速度信号输出；3-安装面；4-外壳；5-质量块；6-加速度敏压电片；7-力信号输出；8-硅橡胶密封圈；9-驱动端面
　　瞬态激励方法是在被测构件上施加一个瞬态力，使试件产生振动。瞬态激励属于一种宽频率激励，其力的频谱较宽，一次可以同时激出多阶模态，因此是一种快速测试技术。同时，由于它测试设备简单、灵活性大，因此在生产现场使用方便。
　　目前常用的瞬态激励方法为脉冲锤击法，它是用带有力传感器的手锤敲击试件，给试件一个脉冲力。用装在试件上的加速度计或位移传感器测量响应，将力及响应信号同时送入分析仪以求出传递函数。锤击法测试原理如图3所示。
图3　脉冲锤击法测试原理框图
　　脉冲锤是锤击法的主要激振设备，其结构如图4所示。它由锤头、测力计、附加配重和锤柄四部分组成。锤头装在测力计上，敲击时直接与试件接触。
图4　脉冲锤结构
　　为了得到不同的脉冲宽度，锤头可用不同的材料制成，根据测试频响要求，进行更换。锤头的材料越软，其脉冲频谱越窄；反之锤头材料越硬，则脉冲频带越宽。几种常用锤头材料及使用频率范围见表1。
　　脉冲锤的质量（包括锤头、力传感器及附加配重）大小与脉冲力的大小及激励频带宽度有关。若力锤太小，能量不够；力锤太大，灵敏度低。所以应根据试件刚度和质量大小、频率范围等选择力锤的适当大小。
表1　常用锤头材料及使用范围
　　4．随机激振
　　随机激振一般用白噪声或伪随机信号发生器作为信号源，也是一种宽带激振方法。白噪声发生器能产生连续的随机信号，其自相关函数也是在τ=0处形成陡峭的峰，只要τ稍偏离零，自相关函数就很快衰减，其自功率谱密度函数也接近为常值。当白噪声信号通过功率放大器控制激振器时，由于功放和激振器的通频带不是无限宽的，所得激振力频谱不再是在整个频域中保持常数，但它仍然是一种宽带激振，能够激起被测对象在一定的频率范围内的随机振动。配合频谱分析仪，利用式可以得到被测对象的频率响应。
　　随机激振测试系统虽有可实现快速甚至实时测试的优点，但其作用的设备较复杂，价格也较昂贵。
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正弦扫频振动
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4-1Ansys1211.2%26.9%ansys10.3%1/421.5%1/4分时快速稳态正弦扫频激振频响函数测量系统
本实用新型涉及一种分时快速稳态正弦扫频激振频响函数测量系统及方法，属于振动测试技术领域。本实用新型中的激振系统采用激振器、功率放大器。采用力传感器和振动传感器同时测量系统的激励力信号和振动响应信号。采用电荷放大器对信号进行调理滤波。数据采集系统通过高性能屏蔽电缆将数据采集卡和接线端子相连，连接通用计算机进行数据采集、发送。扫频信号的发生、激励响应信号的数据处理分析保存显示采用基于通用计算机的软件程序实现。本实用新型实现了快速稳态正弦扫频激振，激励响应信号整周期采样，得出的频响函数曲线精确可靠。该测试系统由计算机程序引导自动完成，测试方法严谨可靠，对于结构部件的动态性能测试具有重要的意义。
专利类型：
申请（专利）号：
申请日期：
公开(公告)日：
公开(公告)号：
主分类号：
G01M7/02,G01M7/00,G,G01,G01M,G01M7
G01M7/02,G01M7/00,G,G01,G01M,G01M7
申请（专利权）人：
北京工业大学
发明（设计）人：
伍良生,王永宾,周大帅
主申请人地址：
100124北京市朝阳区平乐园100号
专利代理机构：
北京思海天达知识产权代理有限公司
国别省市代码：
1、一种分时快速稳态正弦扫频激振频响函数测量系统，其特征在于：包括PC机、安装在PC机上的数据采集卡、以及功率放大器、电荷放大器、激振器、用于测量激励力信号的力传感器和用于测量振动响应信号的振动传感器；激振器、力传感器和振动传感器均安装在被测结构件上；数据采集卡通过接线端子与功率放大器的输入端相连，功率放大器的输出端与激振器相连，PC机发出的扫描信号经过功率放大器调理后驱动激振器激振；力传感器信号和振动传感器信号的输出端与电荷放大器的输入端相连，电荷放大器的输出端通过接线端子与数据采集卡相连，从相应传感器拾取的激振力信号和响应信号通过电荷放大器调理、滤波后通过接线端子传送到PC机中进行处理。
法律状态：
授权 ，专利权的终止
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&&8:00-11:30,13:00-17:00(工作日)[发明专利]基于扫频激励振动的梁裂纹故障检测装置及方法在审
申请/专利权人：
公开/公告号：CNA
发明/设计人：;;;
公开/公告日：
主分类号：
搜索关键词：
【说明书】：
技术领域本发明属于机械设备故障诊断与预示技术领域，具体涉及一种基于扫频激励振动的梁裂纹故障检测装置及方法的设计。背景技术近年来，机械结构健康监测越来越受到人们的关注，尤其是工业4.0和2025中国制造的提出，对机械设备运行状态的健康管理提出了更高的要求，采用简单、有效的方法实现机械设备的健康状态的评估已经成为机械设备健康管理的重要研究课题。疲劳裂纹是机械结构中常见的故障，微小裂纹具有不易察觉、难检测等特点。潜在的裂纹扩展将会产生灾难性的后果，必须对结构中的裂纹进行有效的检测和对裂纹程度的分类评估。对于裂纹的检测，目前主要采用超声波探伤、磁粉探伤、着色探伤等方法，这些手段通常用于静态检测，检测过程不激发被测系统，而且有些检测过程需要较多的辅助设备，实现成本较高。而对于结构故障分析，尤其是梁结构中的裂纹损伤，动态激励过程可以激发裂纹的动态响应特征，比静态检测过程具有明显的优势，通过有针对性的分析动态响应信号可以定性、定量的提取裂纹的损伤程度指标。目前采用振动激励实现裂纹损伤的识别，如桥梁的健康状况评估的模态分析方法，已经被广泛应用。然而，模态分析方法由于其理论分析和操作技巧均要求较高，需要比较熟练的工程技术人员才可以实现。而且选择不同的模态分析实现方法，也会对裂纹损伤故障指标的检测敏感性有较大制约，如常用的位移模态对裂纹并不敏感。所以，在动态激励过程检测裂纹的应用领域，需要有更多简易、准确的识别方法出现。发明内容本发明的目的是为了解决现有的动态激励裂纹检测技术对理论分析和操作技巧均要求较高，且通常对裂纹的敏感性较低的问题，提出了一种基于扫频激励振动的梁裂纹故障检测装置及方法。本发明的技术方案为：一种基于扫频激励振动的梁裂纹故障检测装置，包括信号采集单元、扫频信号发生器、激振器以及计算机数字信号采集分析单元，扫频信号发生器、激振器、信号采集单元、计算机数字信号采集分析单元顺次连接。优选地，扫频信号发生器与激振器通过线缆连接。优选地，扫频信号发生器用于生成正弦扫频激励，激振器用于实现激励过程。优选地，信号采集单元包括信号采集仪与加速度传感器；信号采集仪连接于计算机数字信号采集分析单元，加速度传感器连接于被测梁结构；信号采集仪与加速度传感器相互连接。优选地，计算机数字信号采集分析单元包括带通滤波器和数学计算分析处理软件MATLAB。本发明还提供了一种基于扫频激励振动的梁裂纹故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、利用激振器向梁结构施加一个正弦扫频激励信号；S2、利用加速度传感器获取梁结构振动时域信号；S3、根据正弦扫频激励信号的正弦周期性特点，对对应的振动时域信号进行等间距重采样；S4、利用带通滤波器对重采样后的信号进行滤波，滤掉正弦扫频成分，得到剩余信号；S5、对滤波后的剩余信号进行时域统计指标分析，诊断出梁结构的裂纹及其裂纹程度。进一步地，步骤S1中正弦扫频激励信号的振幅恒定，频率均匀变化。进一步地，步骤S3具体为：在正弦扫频激励信号的每一个单个正弦时间周期内选择相同采样点数n，依据采样点数n对采集到的振动时域信号进行重采样，并采用插值法构造新的数据序列。进一步地，步骤S5中的时域统计指标分析包括均方根值分析和峰度分析。进一步地，步骤S5中的时域统计指标分析为均方根值分析。本发明的有益效果是：(1)本发明选择了常用的正弦扫频激励激发故障梁结构，实现过程简单易行，并创造性地对振动响应信号进行重采样、滤波和统计分析计算，对梁结构的裂纹损伤检测和程度评估提供了新的思路和方法，具有广阔的工程应用前景。(2)本发明采用非平稳扫频激励对简支梁不同程度的裂纹故障进行检测和识别，是一种静态结构的动态响应特性分析方法。动态非平稳扫频激励更易激发结构损伤的响应特征，是传统静态检测方法的重要补充，同时也是大数据时代设备海量状态信息中，重要的结构健康评估的关键性信息，也为梁结构的裂纹检测提供了新的实现方法。附图说明图1为本发明提供的基于扫频激励振动的梁裂纹故障检测装置结构框图。图2为本发明提供的基于扫频激励振动的梁裂纹故障检测方法流程图。图3为不同程度梁裂纹示意图。图4为不同程度梁裂纹的振动时域信号图。图5为不同程度梁裂纹重采样数据序列的傅立叶变换谱图。图6为不同程度梁裂纹剩余数据序列的傅立叶变换谱图。图7为不同程度梁裂纹剩余数据统计指标图。具体实施方式下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。本发明提供了一种基于扫频激励振动的梁裂纹故障检测装置，如图1所示，包括信号采集单元、扫频信号发生器、激振器以及计算机数字信号采集分析单元，扫频信号发生器、激振器、信号采集单元、计算机数字信号采集分析单元顺次连接。其中，扫频信号发生器用于生成正弦扫频激励，激振器用于实现激励过程。扫频信号发生器与激振器通过大功率线缆连接，实现对梁结构施加正弦扫频激励。信号采集单元与计算机数字信号采集分析单元通过1394信号线连接。信号采集单元包括信号采集仪与加速度传感器，用于采集梁振动信号。信号采集仪连接于计算机数字信号采集分析单元，加速度传感器连接于被测梁结构；信号采集仪与加速度传感器之间通过信号线连接。计算机数字信号采集分析单元包括带通滤波器和数学计算分析处理软件MATLAB，用于实现数字滤波及统计分析。本发明还提供了一种基于扫频激励振动的梁裂纹故障检测方法，如图2所示，包括以下步骤：S1、利用激振器向梁结构施加一个正弦扫频激励信号。其中，正弦扫频激励信号的振幅恒定，频率均匀变化。本发明实施例中，设定扫频增加速率为2Hz/s。S2、利用加速度传感器获取梁结构振动时域信号。由于实际情况梁裂纹位置未知，需要在重要监测点布置加速度传感器进行监测。本发明实施例中，选择距梁裂纹较近处的传感器信号进行后续分析，实际情况中可以连续监测不同关键点的振动信号进行多点的比较。S3、根据正弦扫频激励信号的正弦周期性特点，对对应的振动时域信号进行等间距重采样。本发明实施例中，利用Matlab软件平台对对应的振动时域信号进行等间距重采样，其具体过程为：在正弦扫频激励信号的每一个单个正弦时间周期内选择相同采样点数n，依据采样点数n对采集到的振动时域信号进行重采样，并采用插值法(如线性插值法)构造新的数据序列。本发明实施例中，采样点数n＝100。S4、利用带通滤波器对重采样后的信号进行滤波，滤掉正弦扫频成分，得到剩余信号。由于扫频激励信号经过每个正弦周期内的数据重采样后，其变频特性已经转化成了定频，相应的梁振动信号也进行了重组，因此利用Matlab软件平台的带通滤波器可以过滤出重采样后的数据主频率成分，此部分振动主要由扫频激励产生。对步骤S3中构造的新数据序列，利用带通滤波器过滤掉新数据序列的主频率成分，即正弦扫频成分，得到剩余信号数据序列。由于对每一单个正弦信号进行等点数重采样，因此每个正弦周期所对应的采样点数相同，新数据序列的主频率成分为扫频激励产生，剩余数据序列则主要包含由于梁裂纹等量结构缺陷所产生的振动响应信息。S5、对滤波后的剩余信号进行时域统计指标分析，诊断出梁结构的裂纹及其裂纹程度。这里的时域统计指标分析包括均方根值(RMS)分析和峰度分析(Kurtosis)。本发明实施例中，为了实现简易的统计指标分析同时也考虑到裂纹会增加振动响应的噪声成分的特点，因此选择了均方根值(RMS)指标对梁裂纹进行评价。通过对比健康梁和故障梁的峰度指标及对剩余数据的傅立叶变换分析结果，则可以对梁裂纹进行故障损伤诊断和故障程度的分类分析。下面以一具体实施例对上述基于扫频激励振动的梁裂纹故障检测方法作进一步说明：如图3所示，在实验梁上利用线切割的方法，制作了三根与健康梁结构一致、不同故障程度的损伤梁。选用结构钢制作了4根梁板进行实验，梁长587.5mm，横截面50mm×5.5mm，在梁的两端有两对直径为9mm的安装孔。裂纹为线性切割距离梁左端128mm处切割一条宽0.5mm，深度分别为1mm、2mm、3.5mm的缝隙来模拟裂纹损伤。S1、利用激振器向梁结构施加一个正弦扫频激励信号。S2、利用加速度传感器获取梁结构振动时域信号。扫频激励下不同程度梁裂纹的振动时域信号如图4所示，图示分别为无裂纹、1mm、2mm及3.5mm裂纹梁的扫频振动时域信号，可以看到，几种情况的振动时域信号均出现了峰值，由于几次实验的扫频激励设定相同，因此很难通过时域波形的方法对梁进行故障损伤的识别及定量分析。
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