非接触式模态测试方法、装置和系统的利记博彩app
【专利摘要】本发明涉及一种非接触式模态测试方法、装置和系统。所述方法包括步骤：根据激光头获取的试验件的图像，布置试验件的各个测点；从各个测点中选取若干个测点，测量压电晶片在各个不同位置发生振动时若干个测点的振动响应信号，其中压电晶片在接收到信号发生器输出的激励信号时发生振动；根据若干个测点的振动响应信号确定压电晶片的固定位置；在压电晶片位于所述固定位置时，获取信号发生器输出的激励信号以及各个测点的振动响应信号；根据获取的激励信号以及各个测点的振动响应信号，获得各个测点相对于激励信号的频响函数；根据所述频响函数获得试验件的模态参数。本发明提高了激励能量利用率和振动响应信号的信噪比，同时测试现场噪音非常小。
【专利说明】
非接触式模态测试方法、装置和系统
技术领域
[0001]本发明涉及模态测试技术领域，特别是涉及一种非接触式模态测试方法、非接触式模态测试装置和非接触式模态测试系统。
【背景技术】
[0002]模态分析是研究各种动载荷作用下线性结构系统振动响应特性以及结构动态优化设计的基础。模态试验是通过试验来获取线性结构系统模态参数的过程，是验证或修正理论模态分析结果的主要工具。
[0003]传统的模态试验通常采用力锤或激振器施加激励，在结构上粘贴传感器，通过测量力锤或激振器的激励信号和结构的振动响应，获得结构频响函数，进一步识别结构模态参数。传统方法适用于大型结构，如尺寸大、质量大、刚度大的结构。但对于轻小型结构，如电路板、电子元器件、关键零部件等，传统方法会因激励源以及粘贴的传感器带来的附加质量和附加刚度影响而出现较大误差。
[0004]目前对轻小型结构模态试验通常采用非接触式声激励和激光测振系统测量振动响应来获得模态参数，该方法消除了附加质量和附加刚度影响，尤其适用于薄板类结构。但非接触式声激励存在激励能量损耗大，激励能量利用率低，测试现场噪音大，对不规则电子元器件、关键零部件等非薄板类结构振动响应信噪比低等缺点。
【发明内容】
[0005]基于此，有必要针对上述问题，提供一种非接触式模态测试方法、装置和系统，能够经济、高效、准确地获得各种轻小型结构(包括薄板在内)的模态参数，通过采用压电晶片接触式激励，解决了声音激励存在的激励能量利用率低、振动响应信噪比差、测试现场噪音大的问题。
[0006]为了达到上述目的，本发明采取的技术方案如下:
[0007]—种非接触式模态测试方法，包括步骤:
[0008]根据激光头获取的试验件的图像，布置试验件的各个测点；
[0009]从各个测点中选取若干个测点，测量压电晶片在各个不同位置发生振动时若干个测点的振动响应信号，其中压电晶片在接收到信号发生器输出的激励信号时发生振动；
[0010]根据若干个测点的振动响应信号确定压电晶片的固定位置；
[0011]在压电晶片位于所述固定位置时，获取信号发生器输出的激励信号以及各个测点的振动响应信号；
[0012]根据获取的激励信号以及各个测点的振动响应信号，获得各个测点相对于激励信号的频响函数；
[0013]根据所述频响函数获得试验件的模态参数。
[0014]一种非接触式模态测试装置，包括:
[0015]测点布置模块，用于根据激光头获取的试验件的图像，布置试验件的各个测点；
[0016]振动响应信号测量模块，用于从各个测点中选取若干个测点，测量压电晶片在各个不同位置发生振动时若干个测点的振动响应信号，其中压电晶片在接收到信号发生器输出的激励信号时发生振动；
[0017]固定位置确定模块，用于根据若干个测点的振动响应信号确定压电晶片的固定位置；
[0018]激励信号和振动响应信号获取模块，用于在压电晶片位于所述固定位置时，获取信号发生器输出的激励信号以及各个测点的振动响应信号；
[0019]频响函数获得模块，用于根据获取的激励信号以及各个测点的振动响应信号，获得各个测点相对于激励信号的频响函数；
[0020]模态参数获得模块，用于根据所述频响函数获得试验件的模态参数。
[0021]一种非接触式模态测试系统，包括压电晶片和激光测振系统，所述激光测振系统包括激光头、信号发生器以及所述的非接触式模态测试装置;所述压电晶片与所述信号发生器输出端相连，所述非接触式模态测试装置分别与所述激光头和所述信号发生器输出端相连。
[0022]本发明非接触式模态测试方法、装置和系统，与现有技术相互比较时，具备以下优占.V.
[0023](I)本发明利用压电晶片直接进行接触式激励，提高了激励能量利用率和振动响应信号的信噪比，同时测试现场噪音非常小；
[0024](2)本发明采用的压电晶片具有质量轻、激励幅值小的特点，可布置在试验件附属结构上进行激励，对轻小型结构的附加质量和附加刚度影响可以忽略，测量精度高；
[0025](3)本发明适用于各种轻小型结构(包括薄板在内)；
[0026](4)本发明直接利用信号发生器输出的激励信号计算频响函数，无需额外测量输入信号，方便简单。
【附图说明】
[0027]图1为本发明非接触式模态测试方法实施例的流程示意图；
[0028]图2为本发明试验件上布置的各个测点的示意图；
[0029]图3为本发明非接触式模态测试装置实施例的结构示意图；
[0030]图4为本发明固定位置确定模块实施例的结构示意图；
[0031]图5为本发明非接触式模态测试系统实施例的结构示意图；
[0032]图6为本发明压电晶片放置位置具体实施例的示意图；
[0033]图7为本发明气密封装结构的频响函数；
[0034]图8(a)?图8(h)为本发明气密封装结构的振型。
【具体实施方式】
[0035]为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及取得的效果，下面结合附图及较佳实施例，对本发明的技术方案，进行清楚和完整的描述。
[0036]如图1所示，一种非接触式模态测试方法，包括步骤:
[0037]S110、根据激光头获取的试验件的图像，布置试验件的各个测点；
[0038]S120、从各个测点中选取若干个测点，测量压电晶片在各个不同位置发生振动时若干个测点的振动响应信号，其中压电晶片在接收到信号发生器输出的激励信号时发生振动；
[0039]S130、根据若干个测点的振动响应信号确定压电晶片的固定位置；
[0040]S140、在压电晶片位于所述固定位置时，获取信号发生器输出的激励信号以及各个测点的振动响应信号；
[0041 ] SI50、根据获取的激励信号以及各个测点的振动响应信号，获得各个测点相对于激励信号的频响函数；
[0042]S160、根据所述频响函数获得试验件的模态参数。
[0043]在步骤SllO中，试验件包括各种轻小型结构(包括薄板在内)，例如电源模块的气密封装结构等。激光头为激光扫描头，沿激振方向布置，用于测量试验件的振动响应信号。激光头上有微型摄像头，可以拍摄试验件的图像。
[0044]通过摄像头获取到试验件的图像后，在试验件图像上布置各个测点。例如，如图2所示，为在气密封装结构图像上布置的各个测点(黑色圆点)的示意图，其中气密封装结构为长方体金属外壳，测点布置在金属外壳表面。
[0045]在步骤S120中，本发明采用体积较小的压电晶片。压电晶片的接线端与信号发生器的输出端口连接，连接的装置可以采用测试电缆。信号发生器直接将激励信号输入到压电晶片，使压电晶片产生振动，从而使试验件产生振动。
[0046]测试前，需要确定信号发生器输出的激励信号、采样参数以及激励频带带宽。激励信号包括随机白噪声或瞬态正弦扫频信号等。采样参数以及激励频带带宽可以根据分析频率需要设置。
[0047]信号发生器输出激励信号使压电晶片产生振动，从各个测点中选取若干个测点，调整压电晶片的位置，同步测量试验件的振动响应信号。
[0048]在步骤S130中，根据若干个测点的振动响应信号确定压电晶片的固定位置。在一个实施例中，根据若干个测点的振动响应信号确定压电晶片的固定位置的步骤可以包括:
[0049]S1301、从若干个测点的振动响应信号中选取曲线光滑且包含的频率信息最多的振动响应信号；
[0050]S1302、将获取的振动响应信号对应的压电晶片的位置确定为固定位置。
[0051]压电晶片的固定位置包括压电晶片位于试验件上或者试验件的附属结构上，其中试验件的附属结构包括试验件与夹具的连接处等。一般来说，对刚度大的试验件，压电晶片可以直接粘贴在试验件上，对于超薄板类试验件，压电晶片可以粘贴在试验件附属结构上。
[0052]由于压电晶片需要固定在试验件上或者试验件的附属结构上，所以压电晶片的尺寸一般小于试验件的结构尺寸。在固定压电晶片时，可以将压电晶片通过粘性材料粘贴在试验件或者试验件的附属结构上，粘性材料可以为胶水等。
[0053]在步骤S140中，将压电晶片固定在确定的固定位置上，测量此时信号发生器输出激励信号时各个测点的振动响应信号。
[0054]在步骤S150中，将信号发生器输出的激励信号作为参考信号，采用现有技术中已有的方法计算各个测点相对于参考信号的频响函数。
[0055]在步骤S160中，采用现有的模态识别方法识别频响函数，获得试验件的频率和振型等模态参数。
[0056]基于同一发明构思，本发明还提供一种非接触式模态测试装置，下面结合附图对本发明装置的【具体实施方式】做详细描述。
[0057]如图3所示，一种非接触式模态测试装置，包括:
[0058]测点布置模块110，用于根据激光头获取的试验件的图像，布置试验件的各个测占.V ，
[0059]振动响应信号测量模块120，用于从各个测点中选取若干个测点，测量压电晶片在各个不同位置发生振动时若干个测点的振动响应信号，其中压电晶片在接收到信号发生器输出的激励信号时发生振动；
[0060]固定位置确定模块130，用于根据若干个测点的振动响应信号确定压电晶片的固定位置；
[0061]激励信号和振动响应信号获取模块140，用于在压电晶片位于所述固定位置时，获取信号发生器输出的激励信号以及各个测点的振动响应信号；
[0062]频响函数获得模块150，用于根据获取的激励信号以及各个测点的振动响应信号，获得各个测点相对于激励信号的频响函数；
[0063]模态参数获得模块160，用于根据所述频响函数获得试验件的模态参数。
[0064]在一个实施例中，如图4所示，所述固定位置确定模块130可以包括:
[0065]振动响应信号选取单元1301，用于从若干个测点的振动响应信号中选取曲线光滑且包含的频率信息最多的振动响应信号；
[0066]固定位置确定单元1302，用于将获取的振动响应信号对应的压电晶片的位置确定为固定位置。
[0067]压电晶片的固定位置包括压电晶片位于试验件上或者试验件的附属结构上，其中试验件的附属结构包括试验件与夹具的连接处等。一般来说，对刚度大的试验件，压电晶片可以直接粘贴在试验件上，对于超薄板类试验件，压电晶片可以粘贴在试验件附属结构上。
[0068]由于压电晶片需要固定在试验件上或者试验件的附属结构上，所以压电晶片的尺寸一般小于试验件的结构尺寸。在固定压电晶片时，可以将压电晶片通过粘性材料粘贴在试验件或者试验件的附属结构上，例如粘性材料可以为胶水等。
[0069]本发明装置其它技术特征与本发明方法相同，在此不予赘述。
[0070]本发明还提供一种非接触式模态测试系统，下面结合附图对本发明系统进行简单介绍。
[0071]如图5所示，一种非接触式模态测试系统，包括压电晶片和激光测振系统，所述激光测振系统包括激光头、信号发生器以及所述的非接触式模态测试装置;所述压电晶片与所述信号发生器输出端相连，所述非接触式模态测试装置分别与所述激光头和所述信号发生器输出端相连。
[0072]非接触式模态测试装置具有信号采集存储、频响函数计算、模态识别的功能，具体技术特征与上述本发明非接触式模态测试装置的技术特征相同，在此不予赘述。信号发生器可以通过测试电缆与压电晶片、非接触式模态测试装置连接，激光头与非接触式模态测试装置可以通过测试电缆连接。
[0073]下面以某电源模块的气密封装结构模态试验为例说明本发明的实施过程。
[0074]气密封装结构的压电激励模态测试系统，包括压电晶片I个，PolytecPSV-500-3D-M激光测振系统I套。该激光测振系统包括激光头I个，双通道数据采集与分析模块(SP非接触式模态测试装置)、单通道信号发生器。数据采集与分析模块中安装了 PSV数据采集与分析软件及模态识别软件。选择直径尺寸35mm(毫米)，厚度小于Imm的压电晶片。压电晶片通过测试电缆与激光测振系统的信号发生器通道连接，激光测振系统的信号发生器通道同时与双通道数据采集与分析模块的其中一个通道连接，另一个通道通过测试电缆与激光头连接。激光头放置在气密封装结构的正前方。
[0075]气密封装结构的压电激励模态测试方法，包括以下步骤:
[0076](I)启动PSV数据采集与分析软件，通过激光头上的微型摄像头拍摄的试验件的图像，在图像区域布置测点，共90个测点，如图6所示(图6包含两个气密封装结构，每个气密封装结构上有45个测点)。
[0077](2)确定分析频率O?2000Hz，设置信号发生器输出为瞬态正弦扫频信号，扫频范围为O?2000Hz。
[0078](3)信号发生器输出信号使压电晶片发生振动，信号触发PSV数据采集与分析软件同步测量试验件的振动响应信号。选择若干个测点，调整压电晶片位置，获取若干个测点的振动响应信号曲线，找出测得的振动响应信号中曲线光滑、包含频率信息多的振动响应信号，将该振动响应信号对应的激励点作为压电晶片优化的激励位置。
[0079]由于气密封装结构非常薄，试验测试发现0.7g传感器会引起一阶频率降低12%，压电晶片不能直接粘贴在气密封装结构上，而且压电晶片相对于气密封装结构表面也比较偏大，最终确定将压电晶片布置在气密封装结构与夹具的连接处，如图6所示。
[0080](4)将压电晶片粘贴在气密封装结构与夹具的连接处，测量信号发生器输出瞬态正弦扫频信号时所有测点的振动响应信号。
[0081](5)PSV数据采集与分析软件将信号发生器的通道信号作为参考信号，计算所有测点相对于参考信号的频响函数，得到的频响参数如图7所示。
[0082](6)将频响函数数据导入模态识别软件，采用PolyMAX模态识别方法计算模态参数，共得到8阶固有频率及振型，如图8(a)?图8(h)所示。
[0083]本发明与现有技术相互比较时，具备以下优点:
[0084](I)本发明利用压电晶片直接进行接触式激励，提高了激励能量利用率和振动响应信号的信噪比，同时测试现场噪音非常小；
[0085](2)本发明采用的压电晶片具有质量轻、激励幅值小的特点，可布置在试验件附属结构上进行激励，对轻小型结构的附加质量和附加刚度影响可以忽略，测量精度高；
[0086](3)本发明适用于各种轻小型结构(包括薄板在内)；
[0087](4)本发明直接利用信号发生器输出的激励信号计算频响函数，无需额外测量输入信号，方便简单。
[0088]以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0089]以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
【主权项】
1.一种非接触式模态测试方法，其特征在于，包括步骤: 根据激光头获取的试验件的图像，布置试验件的各个测点； 从各个测点中选取若干个测点，测量压电晶片在各个不同位置发生振动时若干个测点的振动响应信号，其中压电晶片在接收到信号发生器输出的激励信号时发生振动； 根据若干个测点的振动响应信号确定压电晶片的固定位置； 在压电晶片位于所述固定位置时，获取信号发生器输出的激励信号以及各个测点的振动响应信号； 根据获取的激励信号以及各个测点的振动响应信号，获得各个测点相对于激励信号的频响函数； 根据所述频响函数获得试验件的模态参数。2.根据权利要求1所述的非接触式模态测试方法，其特征在于，根据若干个测点的振动响应信号确定压电晶片的固定位置的步骤包括: 从若干个测点的振动响应信号中选取曲线光滑且包含的频率信息最多的振动响应信号； 将获取的振动响应信号对应的压电晶片的位置确定为固定位置。3.根据权利要求1或2所述的非接触式模态测试方法，其特征在于，压电晶片的固定位置包括压电晶片位于试验件上或者试验件的附属结构上。4.根据权利要求3所述的非接触式模态测试方法，其特征在于，试验件的附属结构包括试验件与夹具的连接处。5.根据权利要求1或2所述的非接触式模态测试方法，其特征在于，压电晶片的尺寸小于试验件的结构尺寸。6.一种非接触式模态测试装置，其特征在于，包括: 测点布置模块，用于根据激光头获取的试验件的图像，布置试验件的各个测点； 振动响应信号测量模块，用于从各个测点中选取若干个测点，测量压电晶片在各个不同位置发生振动时若干个测点的振动响应信号，其中压电晶片在接收到信号发生器输出的激励信号时发生振动； 固定位置确定模块，用于根据若干个测点的振动响应信号确定压电晶片的固定位置；激励信号和振动响应信号获取模块，用于在压电晶片位于所述固定位置时，获取信号发生器输出的激励信号以及各个测点的振动响应信号； 频响函数获得模块，用于根据获取的激励信号以及各个测点的振动响应信号，获得各个测点相对于激励信号的频响函数； 模态参数获得模块，用于根据所述频响函数获得试验件的模态参数。7.根据权利要求6所述的非接触式模态测试装置，其特征在于，所述固定位置确定模块包括: 振动响应信号选取单元，用于从若干个测点的振动响应信号中选取曲线光滑且包含的频率息最多的振动响应ig号； 固定位置确定单元，用于将获取的振动响应信号对应的压电晶片的位置确定为固定位置。8.根据权利要求6或7所述的非接触式模态测试装置，其特征在于，压电晶片的固定位置包括压电晶片位于试验件上或者试验件的附属结构上;试验件的附属结构包括试验件与夹具的连接处。9.根据权利要求6或7所述的非接触式模态测试装置，其特征在于，压电晶片的尺寸小于试验件的结构尺寸。10.一种非接触式模态测试系统，其特征在于，包括压电晶片和激光测振系统，所述激光测振系统包括激光头、信号发生器以及如权利要求6至9任意一项所述的非接触式模态测试装置;所述压电晶片与所述信号发生器输出端相连，所述非接触式模态测试装置分别与所述激光头和所述信号发生器输出端相连。
【文档编号】G01M7/02GK106017834SQ201610363441
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月26日
【发明人】朱军华, 何小琦, 苏伟, 宋芳芳, 恩云飞, 刘人怀
【申请人】工业和信息化部电子第五研究所