基于單點(diǎn)輸入多點(diǎn)輸出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了檢測(cè)裝備的機(jī)械結(jié)構(gòu)損傷情況，采用模態(tài)參數(shù)進(jìn)行識(shí)別分析。設(shè)計(jì)了一種用于單輸入多輸出方法的模態(tài)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及部分軟件。該系統(tǒng)采用了多控制器方案，能夠按照使用要求輸出激勵(lì)和并行采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的海量存儲(chǔ)。該系統(tǒng)具有通用性，可以用于多種用途。
關(guān)鍵詞：模態(tài)分析；硬件結(jié)構(gòu)；激勵(lì)方法；并行采集

0 引言
    模態(tài)分析是在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試的基礎(chǔ)上，采用實(shí)驗(yàn)與理論相結(jié)合的方法來(lái)處理工程結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。隨著某裝備減重和確?？煽啃砸螅仨殞?duì)其進(jìn)行模態(tài)分析。在確定單輸入多輸出方法的模態(tài)分析方法基礎(chǔ)上，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)要求結(jié)構(gòu)上能夠滿足被分析的對(duì)象，即能在裝備平臺(tái)上施加相應(yīng)的激勵(lì)，可并行采集結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的即時(shí)存儲(chǔ)。本文根據(jù)這一要求，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)以PC機(jī)為主機(jī)進(jìn)行操作，以ARM控制器為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)輸出和采集過(guò)程進(jìn)行控制，輸出形式是激振力，輸入信號(hào)是加速度。

1 單點(diǎn)輸入多點(diǎn)輸出模態(tài)參數(shù)測(cè)試
    單點(diǎn)輸入多點(diǎn)輸出方法在實(shí)驗(yàn)時(shí)，激勵(lì)點(diǎn)是固定的，且可以同時(shí)測(cè)試多個(gè)點(diǎn)的響應(yīng)。該方法測(cè)試效率較高，廣泛用于中型機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。由于同時(shí)測(cè)量多個(gè)點(diǎn)，傳感器的質(zhì)量和要小，以減少附加質(zhì)量對(duì)結(jié)構(gòu)特性的影響。激勵(lì)方法可以采用錘擊法或激振器激勵(lì)法。本文采用了激振器激勵(lì)法。激振器激勵(lì)方法較好，可以克服錘擊法容易引起模態(tài)遺漏的問(wèn)題。
    該方法的系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 測(cè)試系統(tǒng)總統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    根據(jù)系統(tǒng)測(cè)試要求，本文設(shè)計(jì)了模態(tài)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)。該測(cè)試系統(tǒng)由PC機(jī)、輸出控制器、激振器、數(shù)據(jù)采集控制器、調(diào)理電路和多個(gè)振動(dòng)采集傳感器組成，如圖2所示。

    PC機(jī)作為該系統(tǒng)的主控計(jì)算機(jī)，用于向采集設(shè)備控制器發(fā)出控制命令(如開(kāi)始、結(jié)束等)，保存和分析數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生激振器所需的波形數(shù)據(jù)。輸出控制器接收波形信號(hào)，將波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)發(fā)送給激振器。激振器根據(jù)波形信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)的激振力作用于被測(cè)對(duì)象。振動(dòng)傳感器感受測(cè)試對(duì)象的振動(dòng)，產(chǎn)生電荷信號(hào)，調(diào)理電路將傳感器的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，發(fā)送給數(shù)據(jù)采集控制器。數(shù)據(jù)采集控制器用于采集控制，可以接收PC機(jī)發(fā)出的命令，同時(shí)對(duì)采集過(guò)程進(jìn)行控制。
    振動(dòng)傳感器要求測(cè)量試驗(yàn)響應(yīng)的傳感器除了體積小、重量輕，還必須具有低頻靈敏度高的特點(diǎn)。同時(shí)，要求傳感器有較好的線性度和相位特性，以便用兩個(gè)傳感器的信號(hào)相加或相減。目前，用于模態(tài)試驗(yàn)的傳感器有加速度計(jì)和應(yīng)變電橋兩大類。本文采用壓電式加速度傳感器，型號(hào)為DH130，靈敏度為1．08 pC／m·s2，工作頻率范圍為0～104Hz，橫向靈敏度小于3％，重量為9 g，安裝方式為磁座吸合。輸出控制器采用USB總線輸出卡，可以輸出兩路模擬信號(hào)。

3 激勵(lì)信號(hào)的產(chǎn)生
    激勵(lì)信號(hào)的類型根據(jù)模態(tài)分析方法的不同而不同。該系統(tǒng)采用了隨機(jī)子空間作為模態(tài)分析方法，該方法要求輸入信號(hào)為白噪聲信號(hào)，因此需要由PC機(jī)產(chǎn)生白噪聲序列給輸出控制器。
    在PC機(jī)上，采用LabVIEW軟件產(chǎn)生白噪聲序列。其基本思想是由隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生函數(shù)產(chǎn)生(0，1)區(qū)間內(nèi)的隨機(jī)數(shù)，將隨機(jī)數(shù)乘以一定系數(shù)后，使其符合輸出控制器要求的范圍，定時(shí)送往輸出控制器。其程序結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    程序執(zhí)行產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)序列送往輸出控制器后，產(chǎn)生的信號(hào)如圖4所示。

4 數(shù)據(jù)采集控制器
    數(shù)據(jù)采集控制器以ARM控制器為核心，其外圍電路包括USB總線控制器，數(shù)據(jù)采集控制電路，時(shí)鐘電路，存儲(chǔ)電路等。

    其基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。在該控制電路中，ARM(Advanced RISC Machine)作為總控制器，接收上位PC機(jī)命令，向采樣電路發(fā)出執(zhí)行采樣命令，向分頻器寫(xiě)入數(shù)據(jù)，確定采樣速率。當(dāng)采樣完畢后，發(fā)出停止采樣命令，并將數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)。該ARM芯片選用S3C44B0。USB總線控制器為MC34825，用于和上位PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令傳輸。精密時(shí)鐘電路是采樣時(shí)間控制電路，其發(fā)出的時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)可編程分頻器(8254)分頻后送往A／D轉(zhuǎn)換電路作為啟動(dòng)下一次采樣和向存儲(chǔ)器寫(xiě)入已采樣數(shù)據(jù)的信號(hào)。
    在采樣啟動(dòng)／數(shù)據(jù)寫(xiě)入控制器中，包括采樣允許／禁止控制電路，讀寫(xiě)控制電路。允許／禁止控制電路由ARM控制器控制其使能，決定信號(hào)的通過(guò)與否。讀寫(xiě)控制電路由加法器和控制邏輯組成，加法器輸出作為Buffer的地址信號(hào)，當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)來(lái)到，地址自動(dòng)加1，并向Buffer發(fā)出寫(xiě)入數(shù)據(jù)命令。該電路結(jié)構(gòu)原理如圖6所示。

5 應(yīng)用
    采用本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，對(duì)某裝備結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析實(shí)驗(yàn)，獲得了部分加速度數(shù)據(jù)，如圖7所示。

    經(jīng)應(yīng)用證明，該系統(tǒng)能夠完成所要求的模態(tài)參數(shù)測(cè)試功能，能對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)施加任意激勵(lì)，并能夠并行采集數(shù)據(jù)，具有廣泛的通用性，可以用于一般機(jī)械結(jié)構(gòu)的參數(shù)測(cè)量。如果更換系統(tǒng)前端傳感器，也可用于其他參量的并行測(cè)量。
    但該系統(tǒng)由于受到總線傳輸速度的限制，其采集速率將限制在O～100 KSPS范圍內(nèi)。