摘要：為了檢測裝備的機械結(jié)構(gòu)損傷情況，采用模態(tài)參數(shù)進行識別分析。設計了一種用于單輸入多輸出方法的模態(tài)參數(shù)測試系統(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和并行采集數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的海量存儲。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)；激勵方法；并行采集

0 引言
    模態(tài)分析是在對結(jié)構(gòu)進行實際測試的基礎上，采用實驗與理論相結(jié)合的方法來處理工程結(jié)構(gòu)的動力學問題。隨著某裝備減重和確保可靠性要求，必須對其進行模態(tài)分析。在確定單輸入多輸出方法的模態(tài)分析方法基礎上，需要設計相應的測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)要求結(jié)構(gòu)上能夠滿足被分析的對象，即能在裝備平臺上施加相應的激勵，可并行采集結(jié)構(gòu)的振動加速度，同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)的即時存儲。本文根據(jù)這一要求，設計了相應的測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)以PC機為主機進行操作，以ARM控制器為執(zhí)行機構(gòu)，對輸出和采集過程進行控制，輸出形式是激振力，輸入信號是加速度。

1 單點輸入多點輸出模態(tài)參數(shù)測試
    單點輸入多點輸出方法在實驗時，激勵點是固定的，且可以同時測試多個點的響應。該方法測試效率較高，廣泛用于中型機構(gòu)的實驗模態(tài)分析。由于同時測量多個點，傳感器的質(zhì)量和要小，以減少附加質(zhì)量對結(jié)構(gòu)特性的影響。激勵方法可以采用錘擊法或激振器激勵法。本文采用了激振器激勵法。激振器激勵方法較好，可以克服錘擊法容易引起模態(tài)遺漏的問題。
    該方法的系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 測試系統(tǒng)總統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計
    根據(jù)系統(tǒng)測試要求，本文設計了模態(tài)參數(shù)測試系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)由PC機、輸出控制器、激振器、數(shù)據(jù)采集控制器、調(diào)理電路和多個振動采集傳感器組成，如圖2所示。

    PC機作為該系統(tǒng)的主控計算機，用于向采集設備控制器發(fā)出控制命令(如開始、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，將波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬信號發(fā)送給激振器。激振器根據(jù)波形信號產(chǎn)生相應的激振力作用于被測對象。振動傳感器感受測試對象的振動，產(chǎn)生電荷信號，調(diào)理電路將傳感器的電荷信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，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機發(fā)出的命令，同時對采集過程進行控制。
    振動傳感器要求測量試驗響應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。同時，要求傳感器有較好的線性度和相位特性，以便用兩個傳感器的信號相加或相減。目前，用于模態(tài)試驗的傳感器有加速度計和應變電橋兩大類。本文采用壓電式加速度傳感器，型號為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。

3 激勵信號的產(chǎn)生
    激勵信號的類型根據(jù)模態(tài)分析方法的不同而不同。該系統(tǒng)采用了隨機子空間作為模態(tài)分析方法，該方法要求輸入信號為白噪聲信號，因此需要由PC機產(chǎn)生白噪聲序列給輸出控制器。
    在PC機上，采用LabVIEW軟件產(chǎn)生白噪聲序列。其基本思想是由隨機數(shù)產(chǎn)生函數(shù)產(chǎn)生(0，1)區(qū)間內(nèi)的隨機數(shù)，將隨機數(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)生的隨機數(shù)序列送往輸出控制器后，產(chǎn)生的信號如圖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，時鐘電路，存儲電路等。

    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機命令，向采樣電路發(fā)出執(zhí)行采樣命令，向分頻器寫入數(shù)據(jù)，確定采樣速率。當采樣完畢后，發(fā)出停止采樣命令，并將數(shù)據(jù)傳送到PC機。該ARM芯片選用S3C44B0。USB總線控制器為MC34825，用于和上位PC機進行數(shù)據(jù)和指令傳輸。精密時鐘電路是采樣時間控制電路，其發(fā)出的時鐘信號經(jīng)可編程分頻器(8254)分頻后送往A／D轉(zhuǎn)換電路作為啟動下一次采樣和向存儲器寫入已采樣數(shù)據(jù)的信號。
    在采樣啟動／數(shù)據(jù)寫入控制器中，包括采樣允許／禁止控制電路，讀寫控制電路。允許／禁止控制電路由ARM控制器控制其使能，決定信號的通過與否。讀寫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，當時鐘信號來到，地址自動加1，并向Buffer發(fā)出寫入數(shù)據(jù)命令。該電路結(jié)構(gòu)原理如圖6所示。

5 應用
    采用本文設計的系統(tǒng)，對某裝備結(jié)構(gòu)進行了模態(tài)分析實驗，獲得了部分加速度數(shù)據(jù)，如圖7所示。

    經(jīng)應用證明，該系統(tǒng)能夠完成所要求的模態(tài)參數(shù)測試功能，能對被測結(jié)構(gòu)施加任意激勵，并能夠并行采集數(shù)據(jù)，具有廣泛的通用性，可以用于一般機械結(jié)構(gòu)的參數(shù)測量。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)。