基于单点输入多点输出系统的模态参数测试系统设计

摘要：为了检测装备的机械结构损伤情况，采用模态参数进行识别分析。设计了一种用于单输入多输出方法的模态参数测试系统，给出了系统硬件结构及部分软件。该系统采用了多控制器方案，能够按照使用要求输出激励和并行采集数据，实现数据的海量存储。该系统具有通用性，可以用于多种用途。
关键词：模态分析；硬件结构；激励方法；并行采集

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。

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。

    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。

3 激励信号的产生
    激励信号的类型根据模态分析方法的不同而不同。该系统采用了随机子空间作为模态分析方法，该方法要求输入信号为白噪声信号，因此需要由PC机产生白噪声序列给输出控制器。
    在PC机上，采用LabVIEW软件产生白噪声序列。其基本思想是由随机数产生函数产生(0，1)区间内的随机数，将随机数乘以一定系数后，使其符合输出控制器要求的范围，定时送往输出控制器。其程序结构如图3所示。

    程序执行产生的随机数序列送往输出控制器后，产生的信号如图4所示。

4 数据采集控制器
    数据采集控制器以ARM控制器为核心，其外围电路包括USB总线控制器，数据采集控制电路，时钟电路，存储电路等。

    其基本结构如图5所示。在该控制电路中，ARM(Advanced RISC Machine)作为总控制器，接收上位PC机命令，向采样电路发出执行采样命令，向分频器写入数据，确定采样速率。当采样完毕后，发出停止采样命令，并将数据传送到PC机。该ARM芯片选用S3C44B0。USB总线控制器为MC34825，用于和上位PC机进行数据和指令传输。精密时钟电路是采样时间控制电路，其发出的时钟信号经可编程分频器(8254)分频后送往A／D转换电路作为启动下一次采样和向存储器写入已采样数据的信号。
    在采样启动／数据写入控制器中，包括采样允许／禁止控制电路，读写控制电路。允许／禁止控制电路由ARM控制器控制其使能，决定信号的通过与否。读写控制电路由加法器和控制逻辑组成，加法器输出作为Buffer的地址信号，当时钟信号来到，地址自动加1，并向Buffer发出写入数据命令。该电路结构原理如图6所示。

5 应用
    采用本文设计的系统，对某装备结构进行了模态分析实验，获得了部分加速度数据，如图7所示。

    经应用证明，该系统能够完成所要求的模态参数测试功能，能对被测结构施加任意激励，并能够并行采集数据，具有广泛的通用性，可以用于一般机械结构的参数测量。如果更换系统前端传感器，也可用于其他参量的并行测量。
    但该系统由于受到总线传输速度的限制，其采集速率将限制在O～100 KSPS范围内。