微小网壳结构模态测试方法、装置和系统的制作方法

微小网壳结构模态测试方法、装置和系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种微小网壳结构模态测试方法、装置和系统。所述方法包括步骤：根据激光头获取的待测网壳结构的图像，布置待测网壳结构的各个测点，其中待测网壳结构固定在压电晶片上；获取信号发生器输出到所述压电晶片的激励信号；在所述压电晶片接收到所述激励信号发生振动时，测量各个测点的振动响应信号；根据所述激励信号和各个测点的振动响应信号，获得各个测点相对于所述激励信号的频响函数；根据所述频响函数获得待测网壳结构的模态参数。本发明解决了20KHz以上的模态测试问题，减少了激励能量损耗，利用率高、提高了振动响应的信噪比差，测试过程中的噪声小，无需额外测量输入信号，方便简单。
【专利说明】
微小网壳结构模态测试方法、装置和系统
技术领域
[0001] 本发明涉及模态测试技术领域，特别是涉及一种微小网壳结构模态测试方法、微 小网壳结构模态测试装置和微小网壳结构模态测试系统。
【背景技术】
[0002] 微小网壳结构以其独特的力学特性而常作为高端精密电子产品的关键部件，如精 密仪表的敏感元件、栅控行波管的栅网等。正因如此，其动力学特性对精密电子产品的性能 及可靠性有着重要影响。微小网壳结构模态测试是通过试验手段获取结构固有频率与振型 等模态参数，借以准确预测结构在各种动载荷作用下的响应特性，达到验证其结构动态设 计的目的，对保证电子产品的性能及可靠性具有重要作用。
[0003] 高端精密电子产品中的微小网壳结构具有结构尺寸小、重量轻、频率高等特点，这 些特点决定了开展模态测试面临着激励难、测试难的问题。目前一般采用非接触式声激励 和激光测振仪测量响应的方法获得微小网壳结构的模态参数。然而，由于声音的频带宽为 20Hz (赫兹）~20KHz (千赫兹），理论上只能激发出结构20KHz以内的频率信息，无法获取 20KHz以上的结构固有频率及振型。以行波管栅网结构为例，其一阶固有频率超过IOKHz， 20KHz以内仅有两阶模态，相对而言，有效频带宽度窄，获得的模态参数有限，获得的模态参 数可信度较低。另外，声音激励为非接触式激励，存在激励能量损耗大、利用率低、振动响应 的信噪比差以及测试现场噪音大等缺点。

【发明内容】

[0004] 基于此，有必要针对上述问题，提供一种微小网壳结构模态测试方法、装置和系 统，能够经济、高效、准确地获得微小网壳结构的模态参数，通过采用压电晶片接触式激励 方法，解决了声音激励存在的频带窄、激励能量利用率低、响应信噪比差以及测试现场噪音 大的问题。
[0005] 为了达到上述目的，本发明采取的技术方案如下：
[0006] -种微小网壳结构模态测试方法，包括步骤：
[0007] 根据激光头获取的待测网壳结构的图像，布置待测网壳结构的各个测点，其中待 测网壳结构固定在压电晶片上；
[0008] 获取信号发生器输出到所述压电晶片的激励信号；
[0009] 在所述压电晶片接收到所述激励信号发生振动时，测量各个测点的振动响应信 号；
[0010] 根据所述激励信号和各个测点的振动响应信号，获得各个测点相对于所述激励信 号的频响函数；
[0011] 根据所述频响函数获得待测网壳结构的模态参数。
[0012] -种微小网壳结构模态测试装置，包括：
[0013] 测点布置模块，用于根据激光头获取的待测网壳结构的图像，布置待测网壳结构 的各个测点，其中待测网壳结构固定在压电晶片上；
[0014] 激励信号获取模块，用于获取信号发生器输出到所述压电晶片的激励信号；
[0015] 振动响应信号测量模块，用于在所述压电晶片接收到所述激励信号发生振动时， 测量各个测点的振动响应信号；
[0016] 频响函数获得模块，用于根据所述激励信号和各个测点的振动响应信号，获得各 个测点相对于所述激励信号的频响函数；
[0017] 模态参数获得模块，用于根据所述频响函数获得待测网壳结构的模态参数。
[0018] -种微小网壳结构模态测试系统，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微小网壳结构模态测试装置;所述压电晶片与所 述信号发生器输出端相连，所述微小网壳结构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。
[0019] 本发明微小网壳结构模态测试方法、装置和系统，与现有技术相互比较时，具备以 下优点：
[0020] (1)本发明采用压电晶片施加激励，激励频带宽达1MHz，甚至更高，解决了 20KHZ以 上的模态测试问题，获得的模态参数较多，可信度高；
[0021] (2)本发明采用待测网壳结构与压电晶片直接连接的接触式激励方法，减少了激 励能量损耗，利用率高、提高了振动响应的信噪比差；
[0022] (3)本发明采用压电晶片激励，测试过程中的噪声小；
[0023] (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】
[0024] 图1为本发明微小网壳结构模态测试方法实施例的流程示意图；
[0025] 图2为本发明待测网壳结构上布置的各个测点具体实施例的示意图；
[0026] 图3为本发明微小网壳结构模态测试装置实施例的结构示意图；
[0027] 图4为本发明微小网壳结构模态测试系统实施例的结构示意图；
[0028] 图5为本发明微小网壳结构模态测试系统具体实施例的结构示意图；
[0029] 图6为本发明瞬态正弦扫频信号及栅网振动响应信号曲线的示意图；
[0030] 图7为本发明栅网结构频响函数曲线的示意图；
[0031 ]图8为本发明栅网结构振型的示意图。
【具体实施方式】
[0032]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。
[0033] 如图1所示，一种微小网壳结构模态测试方法，包括步骤：
[0034] SI 10、根据激光头获取的待测网壳结构的图像，布置待测网壳结构的各个测点，其 中待测网壳结构固定在压电晶片上；
[0035] S120、获取信号发生器输出到所述压电晶片的激励信号；
[0036] S130、在所述压电晶片接收到所述激励信号发生振动时，测量各个测点的振动响 应信号；
[0037] S140、根据所述激励信号和各个测点的振动响应信号，获得各个测点相对于所述 激励信号的频响函数；
[0038] S150、根据所述频响函数获得待测网壳结构的模态参数。
[0039] 在步骤SllO中，网壳结构包括栅控行波管金属栅网结构等。激光头为激光扫描头， 沿激振方向布置，激光头上有微型摄像头，可以拍摄待测网壳结构的图像。在测试前需要将 网壳结构固定在压电晶片上，另外还可以固定压电晶片，例如将压电晶片固定在平台上，以 免其晃动造成模态测试误差。
[0040] 由于需要将网壳结构固定在压电晶片上，所以选取体积较大的压电晶片，例如，在 一个实施例中，所述压电晶片为压电激励器(如压电陶瓷激励器等）。另外，待测网壳结构的 尺寸小于等于所述压电晶片的接触面的尺寸，所述接触面为待测网壳结构与所述压电晶片 接触的表面。将待测网壳结构固定在压电晶片上有多种方法，例如，在一个实施例中，待测 网壳结构可以通过粘性材料固定在压电晶片上，粘性材料可以为胶水等。
[0041]获取到待测网壳结构的图像后，可以在待测网壳结构的各个节点处布置相应的测 点。例如，如图2所示，软件中的图像为激光头获取的待测网壳结构的图像，栅网结构即为待 测网壳结构，栅网结构上的各个黑色即为布置的各个测点。
[0042]在步骤S120中，正式测试前，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。
[0043] 压电晶片的接线端与信号发生器的输出端口连接。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，从而使待测网壳结构产生振动。
[0044] 在步骤S130中，压电晶片在振动时，按照布置的测点逐点扫描式进行测量各个测 点的振动响应信号。
[0045]在步骤S140中，将信号发生器输出的激励信号作为参考输入信号，各个测点的振 动响应信号作为输出信号，采用现有技术中已有的方法计算各个测点相对于参考输入信号 的频响函数。
[0046] 在步骤S150中，采用现有的模态识别方法识别频响函数，获得待测网壳结构的频 率和振型等模态参数。
[0047] 基于同一发明构思，本发明还提供一种微小网壳结构模态测试装置，下面结合附 图对本发明装置的【具体实施方式】做详细描述。
[0048] 如图3所示，一种微小网壳结构模态测试装置，包括：
[0049] 测点布置模块110,用于根据激光头获取的待测网壳结构的图像，布置待测网壳结 构的各个测点，其中待测网壳结构固定在压电晶片上；
[0050] 激励信号获取模块120,用于获取信号发生器输出到所述压电晶片的激励信号；
[0051] 振动响应信号测量模块130,用于在所述压电晶片接收到所述激励信号发生振动 时，测量各个测点的振动响应信号；
[0052]频响函数获得模块140,用于根据所述激励信号和各个测点的振动响应信号，获得 各个测点相对于所述激励信号的频响函数；
[0053]模态参数获得模块150,用于根据所述频响函数获得待测网壳结构的模态参数。
[0054] 本发明所用压电晶片可以选取体积较大的压电晶片，例如，在一个实施例中，所述 压电晶片为压电激励器(如压电陶瓷激励器等）。另外，待测网壳结构的尺寸小于等于所述 压电晶片的接触面的尺寸，所述接触面为待测网壳结构与所述压电晶片接触的表面。
[0055] 将待测网壳结构固定在压电晶片上有多种方法，例如，在一个实施例中，待测网壳 结构可以通过粘性材料固定在压电晶片上，粘性材料可以为胶水等。
[0056] 获取到待测网壳结构的图像后，在一个实施例中，所述测点布置模块110可以在待 测网壳结构的各个节点处布置相应的测点。
[0057] 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。
[0058] 本发明还提供一种微小网壳结构模态测试系统，下面结合附图对本发明系统进行 简单介绍。
[0059] 如图4所示，一种微小网壳结构模态测试系统，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、信号发生器以及上述的微小网壳结构模态测试装置;所述压 电晶片与所述信号发生器输出端相连，所述微小网壳结构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。
[0060] 为了更好的理解本发明的技术方案以及达到的技术效果，下面以栅控行波管金属 栅网结构模态测试进行介绍。
[0061] 如图5所示，栅控行波管金属栅网结构通过502胶粘贴在压电陶瓷激励器上;压电 陶瓷激励器固定在铝合金材料的固定平台，其两接线端连接至激光测振系统PSV500-3D-M 的信号发生器输出端口；激光头沿激振方向布置;微小网壳结构模态测试装置安装有PSV数 据采集与分析软件以及模态识别软件。
[0062]启动PSV数据采集与分析软件，在激光头拍摄的栅网图像的各节点处共布置100个 测点，分析频带宽50KHz，采样频率128KHz，谱线数为12800条。
[0063] 进行模态参数测试时，信号发生器输出瞬态正弦扫频信号至压电陶瓷激励器，扫 频信号频率范围为〇~50KHz，同时按照设定的测点逐点扫描式进行测量栅网结构振动响应 信号，测量的振动响应信号如图6所示。利用PSV数据采集与分析软件计算各测点相对于正 弦扫频信号的传递函数，获得所有测点的频响函数。获得的频响函数如图7所示，频响函数 曲线平滑说明信号的信噪比较高。将频响函数数据导入模态识别软件，采用PolyMAX模态识 别方法识别栅网的频率和振型，共识别出50KHz以内11阶固有频率和振型，其中固有频率及 振型模态置信因子值如表1所示，从表1可以看出各阶振型彼此正交，11阶振型如图8所示。
[0064] 表1栅网固有频率及模态置信因子值
[0066]本发明与现有技术相互比较时，具备以下优点：
[0067] (1)本发明采用压电晶片施加激励，激励频带宽达IMHz，甚至更高，解决了 20KHz以 上的模态测试问题，获得的模态参数较多，可信度高；
[0068] (2)本发明采用待测网壳结构与压电晶片直接连接的接触式激励方法，减少了激 励能量损耗，利用率高、提高了振动响应的信噪比差；
[0069] (3)本发明采用压电晶片激励，测试过程中的噪声小；
[0070] (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。
[0071] 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。
[0072] 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. 一种微小网壳结构模态测试方法，其特征在于，包括步骤： 根据激光头获取的待测网壳结构的图像，布置待测网壳结构的各个测点，其中待测网 壳结构固定在压电晶片上； 获取信号发生器输出到所述压电晶片的激励信号； 在所述压电晶片接收到所述激励信号发生振动时，测量各个测点的振动响应信号； 根据所述激励信号和各个测点的振动响应信号，获得各个测点相对于所述激励信号的 频响函数； 根据所述频响函数获得待测网壳结构的模态参数。2. 根据权利要求1所述的微小网壳结构模态测试方法，其特征在于，待测网壳结构通过 粘性材料固定在压电晶片上。3. 根据权利要求2所述的微小网壳结构模态测试方法，其特征在于，待测网壳结构的尺 寸小于等于所述压电晶片的接触面的尺寸，所述接触面为待测网壳结构与所述压电晶片接 触的表面。4. 根据权利要求1所述的微小网壳结构模态测试方法，其特征在于，在待测网壳结构的 各个节点处布置相应的测点。5. 根据权利要求1至4任意一项所述的微小网壳结构模态测试方法，其特征在于，所述 压电晶片为压电激励器。6. -种微小网壳结构模态测试装置，其特征在于，包括： 测点布置模块，用于根据激光头获取的待测网壳结构的图像，布置待测网壳结构的各 个测点，其中待测网壳结构固定在压电晶片上； 激励信号获取模块，用于获取信号发生器输出到所述压电晶片的激励信号； 振动响应信号测量模块，用于在所述压电晶片接收到所述激励信号发生振动时，测量 各个测点的振动响应信号； 频响函数获得模块，用于根据所述激励信号和各个测点的振动响应信号，获得各个测 点相对于所述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待测网壳结构的模态参数。7. 根据权利要求6所述的微小网壳结构模态测试装置，其特征在于，待测网壳结构通过 粘性材料固定在压电晶片上；待测网壳结构的尺寸小于等于所述压电晶片的接触面的尺 寸，所述接触面为待测网壳结构与所述压电晶片接触的表面。8. 根据权利要求6所述的微小网壳结构模态测试装置，其特征在于，所述测点布置模块 在待测网壳结构的各个节点处布置相应的测点。9. 根据权利要求6至8任意一项所述的微小网壳结构模态测试装置，其特征在于，所述 压电晶片为压电激励器。10. -种微小网壳结构模态测试系统，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任意一项所述的微小网壳结 构模态测试装置;所述压电晶片与所述信号发生器输出端相连，所述微小网壳结构模态测 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】G01M7/02GK105841907SQ201610364081
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月26日
【发明人】朱军华, 宋芳芳, 恩云飞
【申请人】工业和信息化部电子第五研究所