对比移动力锤固定传感器和移动传感器固定力锤两种方法优缺点

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锐达公司使用Spider-80Xi 与EDM-Modal 做锤击法模态试验培训图

锤击法模态试验可以分为两类：移动力锤固定传感器和移动传感器固定力锤。每种方法都有各自的优点和缺点。

在一个方向上用单轴加速度传感器做模态锤击试验，当我们采用移动力锤固定传感器方法时得到频响函数FRF矩阵的一行，当采用移动传感器固定力锤方法时得到FRF矩阵的一列。当得到FRF矩阵的一列时，我们可以交换每个FRF响应和激励的位置，从而得到FRF矩阵的一行。接着用曲线拟合一列FRF矩阵元素，可以求得试验结构的模态参数。
然而，一些测试使用多个加速度计或在多个方向测量数据。尽管基本原理和采用一个单轴加速度传感器相同，但在进行试验时必须确保FRF矩阵有完整的行或完整的列。如果所得到的FRF矩阵不包含完整的行或完整的列，则无法得到结构的固有频率、振型和阻尼。

一个单轴和三轴加速度传感器的不同的锤击试验方法

1.移动力锤固定传感器
响应测量点固定在图1点3，力锤可以敲击整个结构任意位置。这种方法的缺点是测量时间长。另一个缺点是难以激励起复杂的被测结构的模态。这种方法的优点是不会引入的附加质量效应。

图1 移动力锤试验

2.移动传感器固定力锤
激励点固定在图2点1，加速度传感器可以在整个结构上移动。这种方法有助于激励起复杂的结构的模态。如果使用多个加速度传感器可以缩短试验次数。然而，移动传感器会引入附加质量效应，影响结果的准确性。

图2 移动传感器试验

                               
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现在我们来看一个例子，目的是测试结构的三维模态。获取一个结构的三维模态需要从三个方向获取数据。

1.移动响应点（三轴加速度传感器）固定激励点
在固定点（如点1）对结构进行激励，移动三轴加速度传感器，采集结构在x、y和z三个方向上的响应，从而获得FRF矩阵完整的一列。这个方法的优点是比较容易激励起结构的模态。然而，移动三轴加速度传感器会产生质量附加效应。为了减轻这种效应的影响，可以使用质量小的三轴加速度传感器。

图3 移动响应点（三轴加速度传感器）

2.移动激励点固定响应点（三轴加速度传感器）

将三轴加速度传感器固定在一个位置（如点1），移动力锤在z方向激励结构，得到如图4的FRF矩阵元素（黑色）。

图4移动激励点（只在z方向激励）固定响应点（三轴加速度传感器）

上述FRF矩阵是不完整的，因为没有得到传递函数矩阵的一行。因此用曲线拟合不能够得到结构的模态参数。
为了得到完整的矩阵，每个激励点都必须在x、y、z三个方向上进行激励。

图5移动激励点（在x、y、z三个方向激励）固定响应点（三轴加速度传感器）

现在FRF矩阵有三个完整的行，这是一个多输入多输出的案例。在曲线拟合之前要交换激励和响应的位置。该方法的一个缺点是不能对一个扁平的表面进行三个方向激励。解决这一问题的方法是在每个激励点附加一个块，作为试件的突出结构，可以在x、y、z三个方向激励附加的块，从而获得所有自由度的数据。该方法的另一个缺点是每个激励点都要在x、y、z三个方向激励，测试需要的时间较长。

这样我们已经讨论了分别使用一个单轴和三轴加速度传感器的不同的锤击试验方法。

多个加速度传感器的锤击试验方法

接着我们讨论一下锤击试验中使用多个加速度传感器会发生什么情况。对大型结构进行模态锤击试验时使用一个传感器，试验时间会很长，使用多个传感器可以缩短试验时间。通常，所有的锤击试验都是单输入多输出的试验。在上述移动激励点并使用一个单轴加速度传感器的例子中，力锤在整个被测结构上移动，加速度传感器固定在一个自由度上，这可以看做是单参考点多输出的例子。类似的，激励点固定，一个单轴加速度传感器在整个被测结构上移动，也可以看做是单参考点多输出的例子。当使用三轴加速度传感器时，移动传感器可以获得FRF矩阵的一列，这也是单输入多输出的例子。然而，移动激励点并使用三轴传感器是一个多输入多输出的例子，因为在x、y、z三个方向上都有参考点。
当移动激励点并使用多个单轴加速度计进行试验时，由于多个传感器存在多个参考点，FRF矩阵本质上是多输入多输出的。

1.移动激励点并使用多个单轴加速度传感器

图6移动激励点并使用做个单轴加速度传感器

使用两个固定在点1和点2的单轴加速度传感器，移动激励点，得到的FRF矩阵（图6）有完整的两行。通过观察我们知道矩阵有多个参考点，所以这是一个多输入多输出的案例。

2.移动响应点并使用多个单轴加速度传感器

图7 移动响应点并使用多个单轴加速度传感器

对于移动响应点的锤击试验，因为只有一个参考点（激励点1），所以得到的FRF矩阵本质上是单输入多输出的。如前所述，使用多个传感器可以减少试验的次数，但是会引入质量附加效应。另一种抵消该效应的方法是在试件的其它测量自由度上粘贴附加的质量块，确保在整个试验过程中没有时间变量。

结论

总而言之，有两种锤击试验的方法。我们可以使用单轴或三轴加速度传感器。试验时必须保证获得的FRF矩阵有完整的行或列。如果不能做到这一点，就无法得到试验结构的模态参数。为了减小质量附加效应的影响，应该使用质量轻的加速度传感器，此外也可以在其它自由度上粘贴附加的质量块。当需要对试件三个方向做激励时，可以在三个方向上锤击粘贴在试件上的附加质量块。使用多个加速度传感器可以减少试验次数。FRF矩阵是单输入多输出还是多输入多输出，取决于有一个参考点还是多个参考点。

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