基于单点输入多点输出系统的模态参数测试系统设计

　　0 引言

　　模态分析是在对结构进行实际测试的基础上，采用实验与理论相结合的方法来处理工程结构的动力学问题。随着某装备减重和确保可靠性要求，必须对其进行模态分析。在确定单输入多输出方法的模态分析方法基础上，需要设计相应的测试系统。该系统要求结构上能够满足被分析的对象，即能在装备平台上施加相应的激励，可并行采集结构的振动加速度，同时实现数据的即时存储。本文根据这一要求，设计了相应的测试系统。该系统以PC机为主机进行操作，以ARM控制器为执行机构，对输出和采集过程进行控制，输出形式是激振力，输入信号是加速度。

　　1 单点输入多点输出模态参数测试

　　单点输入多点输出方法在实验时，激励点是固定的，且可以同时测试多个点的响应。该方法测试效率较高，广泛用于中型机构的实验模态分析。由于同时测量多个点，传感器的质量和要小，以减少附加质量对结构特性的影响。激励方法可以采用锤击法或激振器激励法。本文采用了激振器激励法。激振器激励方法较好，可以克服锤击法容易引起模态遗漏的问题。

　　该方法的系统原理结构如图1所示。

图1 单点输入多点输出模态参数测试系统原理结构

　　2 测试系统总统结构设计

　　根据系统测试要求，本文设计了模态参数测试系统。该测试系统由PC机、输出控制器、激振器、数据采集控制器、调理电路和多个振动采集传感器组成，如图2所示。

图2 系统组成结构

　　PC机作为该系统的主控计算机，用于向采集设备控制器发出控制命令(如开始、结束等)，保存和分析数据，并产生激振器所需的波形数据。输出控制器接收波形信号，将波形数据转换成模拟信号发送给激振器。激振器根据波形信号产生相应的激振力作用于被测对象。振动传感器感受测试对象的振动，产生电荷信号，调理电路将传感器的电荷信号转换成电压信号，发送给数据采集控制器。数据采集控制器用于采集控制，可以接收PC机发出的命令，同时对采集过程进行控制。

　　振动传感器要求测量试验响应的传感器除了体积小、重量轻，还必须具有低频灵敏度高的特点。同时，要求传感器有较好的线性度和相位特性，以便用两个传感器的信号相加或相减。目前，用于模态试验的传感器有加速度计和应变电桥两大类。本文采用压电式加速度传感器，型号为DH130，灵敏度为1.08 pC/m·s2，工作频率范围为0～104Hz，横向灵敏度小于3%，重量为9 g，安装方式为磁座吸合。输出控制器采用USB总线输出卡，可以输出两路模拟信号。