試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試技術(shù)課件

試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析第三章結(jié)構(gòu)模態(tài)（導(dǎo)納）測(cè)試技術(shù)試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析第三章結(jié)構(gòu)模態(tài)（導(dǎo)納）測(cè)試技術(shù)3.0引言本章將討論模態(tài)試驗(yàn)所用的測(cè)量技術(shù)對(duì)于我們所研究的對(duì)象（系統(tǒng)）與外界的關(guān)系一般可用如下的圖來表示：輸入輸出系統(tǒng)這里：——輸入激勵(lì)（狹義地說是力，廣義地說就不一定了）——輸出響應(yīng)（位移、速度、加速度等）

——系統(tǒng)轉(zhuǎn)換函數(shù)（特性）（注意自變量是時(shí)間）3.0引言輸入輸出系統(tǒng)這里：——輸入激勵(lì)（用公式可表示為：響應(yīng)特性輸入=

由此可見，只有當(dāng)測(cè)定方程中的兩項(xiàng)時(shí)，才能完全測(cè)出試驗(yàn)對(duì)象的振動(dòng)情況。從機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)分析這角度來說，基本問題可以分成三類：1、已知系統(tǒng)的特性和輸入，求響應(yīng)———振動(dòng)分析問題例如，一機(jī)器由于轉(zhuǎn)動(dòng)軸的偏心產(chǎn)生振動(dòng)，這時(shí)輸入激勵(lì)是已知的，機(jī)器本身結(jié)構(gòu)的特性也是已知的現(xiàn)在要求系統(tǒng)的位移、速度、加速度。這稱為振動(dòng)分析問題。。用公式可表示為：響應(yīng)特性輸入=由此可見，只有2、已知輸出和系統(tǒng)的特性，要研究系統(tǒng)的輸入——?jiǎng)虞d荷識(shí)別（作載荷譜）或環(huán)境測(cè)試問題。3、已知系統(tǒng)輸入和輸出要識(shí)別或研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性——系統(tǒng)識(shí)別問題（試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析）

例如汽車工業(yè)中的路面譜分析問題，這對(duì)汽車工業(yè)是很重要的問題。噪聲對(duì)人體的影響問題，就要分析噪聲的頻率成分，即噪聲測(cè)量問題，也就是環(huán)境測(cè)試問題。

也就是說我們要根據(jù)測(cè)得的輸入、輸出來確定系統(tǒng)的物理參數(shù)。試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析就是要解決這類問題。有時(shí)這類測(cè)量統(tǒng)稱為“導(dǎo)納測(cè)量”2、已知輸出和系統(tǒng)的特性，要研究系統(tǒng)的輸入—3.1基本測(cè)量系統(tǒng)

盡管測(cè)試問題各種各樣、測(cè)量儀器各不相同，但基本測(cè)試系統(tǒng)還是十分簡(jiǎn)單的。可分為三大部分：即激勵(lì)系統(tǒng)、響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)和信號(hào)分析系統(tǒng)。這三個(gè)系統(tǒng)可由如下的簡(jiǎn)圖來表示：（論文撰寫時(shí)測(cè)試方案一般也應(yīng)用測(cè)試框圖來表示）3.1基本測(cè)量系統(tǒng)盡管測(cè)試問題各種各樣、測(cè)量儀器各不相信號(hào)源（如信號(hào)發(fā)生器）放大器（如功率放大器）傳感器（如力傳感器）記錄顯示器（如磁帶記錄儀）二次儀表（如電荷放大器）傳感器（如加速度傳感器）響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)被測(cè)對(duì)象信號(hào)分析數(shù)據(jù)處理儀器（如頻譜分析儀器）分析系統(tǒng)激勵(lì)系統(tǒng)信號(hào)源放大器傳感器記錄顯示器二次儀表傳感器響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)被測(cè)信3.2結(jié)構(gòu)準(zhǔn)備工作

導(dǎo)納測(cè)量全過程的一個(gè)重要準(zhǔn)備工作是在試驗(yàn)結(jié)構(gòu)本身，一般人常常沒有給予足夠的注意，致使整個(gè)試驗(yàn)的價(jià)值引起不必要的降低。實(shí)際上是一個(gè)所做試驗(yàn)的邊界條件是否與理論假設(shè)相符合（或近似），這對(duì)于搞力學(xué)專業(yè)的人較重視的。理論上要求被測(cè)對(duì)象是處于“自由”狀態(tài)，故所試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)是處于“自由”，有兩種方法來實(shí)現(xiàn)，即“懸掛”式和“地面支承”式。3.2結(jié)構(gòu)準(zhǔn)備工作導(dǎo)納測(cè)量全過程的一個(gè)重

懸掛式是將被測(cè)對(duì)象自由地懸掛在空間。在這種狀態(tài)下結(jié)構(gòu)將呈現(xiàn)由其質(zhì)量和慣性所確定的剛體模態(tài)，既無彎曲又無變形。對(duì)處于這種自由狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)，我們可以確定其剛體模態(tài)，乃至質(zhì)量和慣性特性，這些都是非常重要的數(shù)據(jù)。

當(dāng)然，實(shí)際上不可能提供真正的自由支承條件，結(jié)構(gòu)必須用某種方法支撐，在試驗(yàn)中提供一個(gè)十分接近這種狀態(tài)的懸掛系統(tǒng)是可能的。就是把試件支承在很軟的“彈簧”上，例如用很輕的彈性繩把試件吊起來。這時(shí)剛體模態(tài)的固有頻率不再為零，但相對(duì)那些彎曲模態(tài)，其值還是很低的。這里要注意的是懸掛系統(tǒng)可能對(duì)各種小阻尼試件有增加阻尼的影響。懸掛式是將被測(cè)對(duì)象自由地懸掛在空間。在這種狀態(tài)

另一種支承為稱為地面支承（固定支承），即設(shè)想將結(jié)構(gòu)上的某些點(diǎn)與地面固定連接。在理論上分析這個(gè)條件是非常容易實(shí)現(xiàn)的，即簡(jiǎn)單的刪去對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)即可。但在做試驗(yàn)時(shí)很困難因?yàn)槲覀兒茈y提供一個(gè)基礎(chǔ)或地基固定試驗(yàn)構(gòu)件，使其完全與地面固定。

理論上講模態(tài)試驗(yàn)應(yīng)該在自由支承條件下進(jìn)行，但在實(shí)際情況中，這種方法有時(shí)是行不通的。另一種支承為稱為地面支承（固定支承），即設(shè)想

例如，很大的試件，像發(fā)電機(jī)或土木結(jié)構(gòu)就不能在自由支承條件下試驗(yàn)。而自由支承條件試驗(yàn)在有的實(shí)際情況下是不合理的。再例如，我們考慮渦輪葉片的動(dòng)態(tài)特性時(shí)，就我們感興趣的是葉片相對(duì)軸的振動(dòng)模態(tài)，故完全可以用固定支承。對(duì)于測(cè)量導(dǎo)納來說，哪種形式的支承的試驗(yàn)是最好方式，沒有萬能的方法可以適合每個(gè)試驗(yàn)，須根據(jù)具體情況以及所研究問題的性質(zhì)來確定。例如，很大的試件，像發(fā)電機(jī)或土木結(jié)構(gòu)就不能在3.3結(jié)構(gòu)的激勵(lì)做試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析必須使構(gòu)件動(dòng)起來，故做試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析必須要有激勵(lì)裝置。激勵(lì)裝置從激勵(lì)方式來分有：接觸式和非接觸式；從激勵(lì)的信號(hào)類型看有：穩(wěn)態(tài)激勵(lì)（它包括周期激勵(lì)，正弦慢掃描激勵(lì)）；另外還有：隨機(jī)激勵(lì)；瞬態(tài)激勵(lì)。根據(jù)測(cè)試的不同需要采用不同激勵(lì)信號(hào)。狹義的說我們結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)常用的是瞬態(tài)激勵(lì)。

這些激勵(lì)信號(hào)都要通過一個(gè)激勵(lì)裝置來實(shí)現(xiàn)。一個(gè)激勵(lì)裝置工作指標(biāo)有：激勵(lì)力的大小，激勵(lì)頻率的范圍，以及他們的可控程度。下面我們就幾種常見的激勵(lì)裝置的特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)簡(jiǎn)單介紹一下。3.3結(jié)構(gòu)的激勵(lì)做試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析必須使構(gòu)件動(dòng)起來，故做3.3.1機(jī)械式激振器機(jī)械式激勵(lì)裝置是利用轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不平衡質(zhì)量慣性力作為激勵(lì)力的。在使用中靈活性較小，調(diào)節(jié)不方便。但他能產(chǎn)生頻率可變的常力。力的大小與慣性力有關(guān)，只有調(diào)節(jié)慣性力才能改變激勵(lì)力的幅值，故在振動(dòng)過程中是無法調(diào)整的。早期有這類裝置，目前使用不多。3.3.1機(jī)械式激振器機(jī)械式激勵(lì)裝置是利用轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不平衡質(zhì)量慣

電磁式振動(dòng)臺(tái)是最流行的一種激勵(lì)裝置，在這種激勵(lì)裝置中，輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成交變磁場(chǎng)，在磁場(chǎng)中放置一個(gè)線圈，該線圈與裝置的驅(qū)動(dòng)部分連接，驅(qū)動(dòng)部分與結(jié)構(gòu)相連。在這種情況下，激勵(lì)的頻率和幅值彼此是獨(dú)立控制的具有較大的可控性。這在通過共振點(diǎn)，需要改變激勵(lì)電平時(shí)特別實(shí)用。3.3.2電磁式激振器電磁式振動(dòng)臺(tái)是最流行的一種激勵(lì)裝置，在這種激3.3.3電液激振器

所謂電液激振器實(shí)際上就是液壓激振器。（在工程中又稱為伺服器）在這種裝置中，利用液壓原理進(jìn)行功率放大以產(chǎn)生很大的激振力。其一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)是可以模擬實(shí)際載荷進(jìn)行試驗(yàn)，因?yàn)樗梢栽诩屿o載荷的同時(shí)又加動(dòng)載荷。當(dāng)被試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)在工作承受振動(dòng)時(shí)，又承受較大的靜載荷。用這種電液激振器最好。電液激振器的另一優(yōu)點(diǎn)是可以產(chǎn)生較大的振幅這是電磁激振器所達(dá)不到的。電液激振器的工作頻率范圍是超低頻的，一般是0~1kHz的范圍內(nèi)。而電磁激振器的頻率范圍是30~50KHz。電液激振器的主要缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，試驗(yàn)費(fèi)用高。3.3.3電液激振器所謂電液激振器實(shí)際上就是tTcF(t)01msfH(f)01000HzfcfH(f)t0013.3.4手錘沖擊器激勵(lì)

另一種最常用的激勵(lì)方法是手錘沖擊法。從信號(hào)形式來看是屬于瞬時(shí)激勵(lì)。理論上講如果給一個(gè)脈沖激勵(lì)該脈沖激勵(lì)所含的頻率成分有無窮多個(gè)。但在實(shí)際激勵(lì)時(shí)我們是激不出用時(shí)為零幅值無窮大面積為1的理論脈沖信號(hào)的。tTcF(t)01msfH(f)01000HzfcfH(f)力傳感器錘頭錘帽

手錘的結(jié)構(gòu)如圖所示，它由錘頭、錘帽、錘把以及力傳感器組成。手錘沖擊法激出的信號(hào)、和其頻譜圖如圖所示。從圖中可以看出，當(dāng)錘帽撞擊被測(cè)試件時(shí)，結(jié)構(gòu)將承受一個(gè)相當(dāng)于半正弦波的力脈沖，而它的頻譜圖在低頻基本上是平坦的，之后就下降，再后就不定值變化了。因此需要對(duì)其進(jìn)行控制。這主要是靠錘帽的來控制，錘帽一般有鋼制的、鋁制的、塑料制作的以及橡皮制作的四種。另外操作的技巧也很有關(guān)系。力傳感器錘頭錘帽手錘的結(jié)構(gòu)如圖所示，它由錘頭3.4傳感器和放大器

現(xiàn)代傳感器的功能可以定義為：將我們要測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)換成電量（電壓、電阻、電荷、電流等）。目前工程上一般都要轉(zhuǎn)換為電壓，因?yàn)橛?jì)算機(jī)、記錄儀器、信號(hào)分析儀器一般是接受電壓信號(hào)。這種轉(zhuǎn)換大多由二次儀表來完成，如電阻應(yīng)變片是將應(yīng)變這物理量轉(zhuǎn)換為電阻量，再由應(yīng)變儀將電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；壓電傳感器是將被測(cè)的力、加速度等物理量轉(zhuǎn)換為電荷信號(hào)，再由電荷放大器將電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。3.4傳感器和放大器現(xiàn)代傳感器的功能可

壓電式傳感器是目前最流行的，也是試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)量中使用最廣泛的一種傳感器，只有在一些特殊情況下才使用其他類型的傳感器。因此我們將討論限制在這些壓電型傳感器上。用于導(dǎo)納測(cè)量的壓電式傳感器有三種：力傳感器、加速度傳感器、以及阻抗頭（所謂阻抗頭實(shí)際上就是將力傳感器和加速度傳感器組合在一個(gè)裝置中）。壓電式傳感器的基本工作原理是用壓電材料（天然的或人工的晶體，等等）做成的壓電元件。壓電材料主要有這樣的物理特性：當(dāng)其承受機(jī)械應(yīng)力時(shí)，在其端面會(huì)產(chǎn)生電荷。故通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，可以將晶體元件放到一個(gè)裝置中去，在這裝置中產(chǎn)生一個(gè)與被測(cè)物理量（也就是力和加速度）成正比電荷量。壓電式傳感器是目前最流行的，也是試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)量3.4.1力傳感器力傳感器是最簡(jiǎn)單的壓電式傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖所示。q晶體殼體FF

將被測(cè)的力直接作用在壓電晶體的端面上，因此就產(chǎn)生一個(gè)與力F成正比的的電荷q。為了提高傳感器的靈敏度，通常力傳感器用兩片晶體，并且使兩晶體的負(fù)電荷面與殼體相接，而兩晶體的正電荷面相互接觸成為內(nèi)表面。并引出導(dǎo)線。這種設(shè)計(jì)方法可使殼體的兩端不一定要絕緣。設(shè)計(jì)力傳感器的一個(gè)重要特性在于晶體與外殼的相對(duì)剛度值（軸向），因?yàn)槲覀兿Ｍ鶞y(cè)的力直接、全部傳到晶體上，故力傳感器兩端面的厚度是不一樣的，較薄的一面應(yīng)該連接到被測(cè)構(gòu)件上。所以在使用力傳感器時(shí)一般要注意“正反”面。3.4.1力傳感器力傳感器是最簡(jiǎn)單的壓電式傳感器，其結(jié)3.4.2加速度傳感器

在壓電加速度傳感器中，信號(hào)的轉(zhuǎn)換是間接的。它是利用一個(gè)輔助的慣性質(zhì)量來實(shí)現(xiàn)的。其結(jié)構(gòu)如圖所示。晶體慣性質(zhì)量予壓彈簧qmMk

在結(jié)構(gòu)中，施加到晶體上的力是慣性力（即）。由于殼體與慣性質(zhì)量是一起運(yùn)動(dòng)的，故與是相同的。傳感器的輸出將和殼體的加速度成正比，因而也和安裝傳感器結(jié)構(gòu)的加速度成正比。3.4.2加速度傳感器在壓電加速度傳感器3.4.3加速度傳感器的選擇加速度傳感器的選擇主要要考慮以下三個(gè)問題1、加速度傳感器的頻帶寬度。因此在選用傳感器時(shí)，要注意傳感器的可測(cè)頻帶是否復(fù)蓋我們所關(guān)心的被測(cè)對(duì)象的頻帶。2、加速度傳感器本身的質(zhì)量對(duì)測(cè)量結(jié)構(gòu)的影響。如果被測(cè)對(duì)象的質(zhì)量很大則影響不大，如果被測(cè)對(duì)象的質(zhì)量較小則必須選用質(zhì)量較小的傳感器，不然會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。3、加速度傳感器的靈敏度大小。一般來說，傳感器的靈敏度愈大愈好，但要注意靈敏度大的傳感器質(zhì)量也大，體積也大，對(duì)結(jié)構(gòu)的影響也大。3.4.3加速度傳感器的選擇加速度傳感器的選擇主要要考3.4.3加速度傳感器的選擇加速度傳感器的選擇主要要考慮以下三個(gè)問題1、加速度傳感器的頻帶寬度因此在選用傳感器時(shí)，要注意傳感器的可測(cè)頻帶是否復(fù)蓋我們所關(guān)心的被測(cè)對(duì)象的頻帶。2、加速度傳感器本身的質(zhì)量對(duì)測(cè)量結(jié)構(gòu)的影響如果被測(cè)對(duì)象的質(zhì)量很大則影響不大，如果被測(cè)對(duì)象的質(zhì)量較小則必須選用質(zhì)量較小的傳感器，不然會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。3、加速度傳感器的靈敏度大小一般說，傳感器的靈敏度愈大愈好，但要注意靈敏度大的傳感器質(zhì)量也大，體積也大，對(duì)結(jié)構(gòu)的影響也大。3.4.3加速度傳感器的選擇加速度傳感器的選擇主要要考3.4.5電荷放大器

壓電式傳感器的優(yōu)點(diǎn)之一是它為一個(gè)有源裝置，即工作時(shí)不要求電源。然而，這也是說它不能測(cè)量真正意義上的靜態(tài)量。故存在一個(gè)測(cè)量頻率的下限，低于該頻率時(shí)測(cè)量是無效的。這個(gè)頻率下限不但取決于傳感器本身的特性，而且還取決于所用的放大器。放大器的作用就是將壓電晶體所產(chǎn)生的很小的電荷轉(zhuǎn)換成足夠用于分析儀器的電壓。3.4.5電荷放大器壓電式傳感器的優(yōu)點(diǎn)

完成這功能有兩種放大器一種是電壓放大器，一種是電荷放大器。目前常用的是電荷放大器，電壓放大器已淘汰了。電荷放大器的主要優(yōu)點(diǎn)是可以放大頻率較低的電荷信號(hào)，連接導(dǎo)線對(duì)傳感器的靈敏度影響較小。但價(jià)格較貴。但近幾年隨著電子元?dú)饧陌l(fā)展這個(gè)問題已解決。完成這功能有兩種放大器一種是電壓放大器，一種3.5分析儀3.5.1分析儀的作用

從測(cè)試系統(tǒng)中可以看出當(dāng)二次儀表將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后必須要對(duì)所獲得的信號(hào)根據(jù)我們問題要求進(jìn)行分析處理。早期還有一種稱為跟蹤濾波器，它是一種模擬信號(hào)分析儀器，現(xiàn)在已淘汰。后來常用的主要是頻率響應(yīng)分析儀和譜分析儀，這兩種儀器現(xiàn)在都屬數(shù)字分析儀器。3.5分析儀從測(cè)試系統(tǒng)中可以看出當(dāng)二次儀表將被3.5.2頻率響應(yīng)分析儀

頻率響應(yīng)分析儀器是由跟蹤濾波器發(fā)展而來的，它是用于激勵(lì)方式為穩(wěn)態(tài)正弦激勵(lì)，即激勵(lì)的力是單一頻率的正弦力，然后一個(gè)頻率，一個(gè)頻率進(jìn)行頻率掃描，從而得到各種頻率下的響應(yīng)。但在這個(gè)裝置中，處理的核心部分是以數(shù)字方式進(jìn)行的而不是象早期的跟蹤濾波分析儀器那樣使用模擬電路。我們實(shí)驗(yàn)室的1170頻響分析儀器就是這一類儀器。頻率響應(yīng)分析儀器的最大優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量的結(jié)果精確，其最大的缺點(diǎn)是試驗(yàn)花費(fèi)的時(shí)間非常大。目前工程上使用漸漸少了，目前工程上主要用的是譜分析儀。3.5.2頻率響應(yīng)分析儀頻率響應(yīng)分析儀3.5.3譜分析儀

譜分析儀主要用于瞬態(tài)信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)的分析處理。象我們學(xué)校動(dòng)態(tài)中心的SD380、美國的5451C、英國的1125譜分析儀器等都是這一類儀器。它們也是屬于數(shù)字分析儀器，這種儀器可以根據(jù)需要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行多種特性的分析，如普通譜分析、功率譜分析、相干分析、倒譜分析等。所有這些分析都是基于離散的傅立葉變換。這里要注意的是，我們的主要目的是如何利用這些譜分析儀器來測(cè)量系統(tǒng)的導(dǎo)納所需要的一些參數(shù)。技術(shù)發(fā)展很快，近幾年這些完全由軟件來完成了。為了明確如何更好地使用這類分析儀器，他們的基本工作原理我們就不講了，這里主要介紹一些特殊處理。3.5.3譜分析儀譜分析儀主要用于瞬態(tài)信號(hào)和隨3.6數(shù)字信號(hào)處理3.6.1譜分析不管是硬件處理信號(hào)還是軟件處理信號(hào)，信號(hào)處理的目的，即譜分析的目的是估算輸入信號(hào)的傅立葉變換或譜密度。

傅立葉分析的基本理論大家已在高等數(shù)學(xué)中學(xué)過，我們這里只給出基本形式，就是說，周期為時(shí)間T的函數(shù)可寫成一個(gè)無限級(jí)數(shù)：（3—1a）

其中：和由確定，即3.6數(shù)字信號(hào)處理不管是硬件處理信號(hào)還是軟件處理信號(hào)，（3—1b）在離散后的情況下，只是一個(gè)有限的由一組個(gè)特定值加以確定的數(shù)組，這時(shí)我們可以寫出一個(gè)有限級(jí)數(shù)：（3—1c）系數(shù)，是函數(shù)的傅立葉系數(shù)一般用模形式表示：（3—1b）在離散后的情況下，只是一個(gè)有限

信號(hào)（力和加速度傳感器的輸出）是時(shí)域的。而所求的譜特性是頻域的。各種類型的時(shí)域信號(hào)以及它們的傅立葉變換，以及由DFT分析儀器用數(shù)字計(jì)算估算的近似值可用下圖來表示。信號(hào)（力和加速度傳感器的輸出）是時(shí)域的。而所3.6.2離散譜分析（DFT）的一些基本概念x(t)tx(t)tx(t)tx(t)t

在每一種情況下，輸入信號(hào)由一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器將信號(hào)數(shù)字化，并記錄為N個(gè)離散值的數(shù)組，在進(jìn)行測(cè)量的區(qū)間T內(nèi)，這些離散值之間的采樣間隔是相等的。于是，假定采樣時(shí)間T是周期的，利用上面（3—1c）計(jì)算有限的傅立葉級(jí)數(shù)（或變換）作為所需的傅立葉變換的估計(jì)值。目前使用最廣泛的算法是快速傅立葉變換（即FFT），它是由Cooley和Tukey于1965年在一篇名為《快速傅立葉變換》的文獻(xiàn)中提出的該方法，要求N是2的整數(shù)次冪，通常取值于256和4096之間（常用是1024）。3.6.2離散譜分析（DFT）的一些基本概念x(t)tx

采樣（或數(shù)字化）速率以及頻帶寬和分辨率之間存在著一個(gè)基本關(guān)系。頻帶寬是（稱為Nyquist頻率），譜線分辨率是。這里：

因?yàn)閷?duì)于給定的分析儀器，轉(zhuǎn)換次數(shù)（N）通常是固定的（大多是2的乘方：512，1024等等），所以復(fù)蓋的頻帶寬度和分辨率,完全由每個(gè)樣本的時(shí)間長度所確定。這個(gè)事實(shí)使分析儀器的使用受到了限制，如果處理不恰當(dāng)會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的分析結(jié)果。下一節(jié)我們將討論如何避免這些錯(cuò)誤所采取的一些方法。是信號(hào)樣本的長度。采樣（或數(shù)字化）速率以及頻帶寬和分3.6.3混迭與數(shù)字譜分析有關(guān)的一個(gè)問題成為“混迭”，它是由原來連續(xù)時(shí)間歷程的離散化而引起的。（如圖）在這種離散化過程中，如果采樣頻率太低，原始信號(hào)中所存在的高頻分量將會(huì)被曲解。實(shí)際上，這些高頻分量將以低頻形式出現(xiàn)，或更為確切地說，很難和真正的低頻分量相區(qū)別。如圖中，數(shù)字化一個(gè)“低”頻信號(hào)所得到的一組離散數(shù)據(jù)和把該過程用于較高頻率信號(hào)時(shí)所得結(jié)果可以是完全相同的。3.6.3混迭與數(shù)字譜分析有關(guān)的一個(gè)問題成為“混迭”，解決混迭問題首先可以（1）采用抗混濾波器將一部分高頻干擾信號(hào)成分用濾波器濾掉。這個(gè)抗混措施是非常重要的，因此通常將抗混濾波器作為分析儀器的一部分。也就是說抗混濾波器是分析儀器中的一部分。另一方面是（2）正確選取采樣頻率。理論上講采樣頻率至少是分析頻率的兩倍，即當(dāng)然采樣頻率愈大就愈不會(huì)產(chǎn)生混迭，但這就帶來采樣的樣本時(shí)間段短，或在同樣的時(shí)間段內(nèi)要處理的數(shù)據(jù)就增加。工程實(shí)際應(yīng)用時(shí)一般采用十倍的關(guān)系，即。解決混迭問題首先可以3.6.4泄漏在信號(hào)分析理論中，我們一般是假設(shè)所取的樣本有無限長，或在有限長信號(hào)下，作周期性假設(shè)。但實(shí)際所采的信號(hào)總是有限的，不管你的分析儀器的容量有多大，并且周期性假設(shè)與實(shí)際情況也是不同的。在采取有限長信號(hào)分析時(shí)就會(huì)帶來能量泄漏到靠近真實(shí)頻率旁的頻率上去。下面我們給出兩個(gè)由于周期性假設(shè)有誤差的兩種最好和最壞的情況。3.6.4泄漏在信號(hào)分析理論中，我們一般是假設(shè)所取的樣本樣本長度和譜的泄漏tx(t)Ttx(t)Tab樣本長度和譜的泄漏tx(t)Ttx(t)Tab3.6.5窗

解決泄漏問題的一個(gè)實(shí)用的方法是運(yùn)用加窗。問題的類型不同，采用的窗也不一樣。所謂加窗處理就是，在進(jìn)行譜分析前，將一個(gè)預(yù)定的輪廓的信號(hào)加（乘）到所分析的信號(hào)上，該輪廓的信號(hào)稱為窗，它通常用一個(gè)時(shí)間函數(shù)來描述。加窗后所分析的信號(hào)是常用的窗有：

3.6.5窗解決泄漏問題的一個(gè)實(shí)用的方法不同類型的窗x(t)tx(t)tx(t)tx(t)ttx’(t)tx’(t)tx’(t)tx’(t)abcdW(t)tW(t)tW(t)tW(t)t矩形窗（a）；漢寧窗；（b）余弦窗（c）；指數(shù)窗（d）。它們所能改善譜的效果如圖所示。漢寧窗和余弦窗一般用于穩(wěn)態(tài)周期或隨機(jī)信號(hào)，而指數(shù)窗這一般用于瞬態(tài)信號(hào)，因?yàn)榇藭r(shí)大量重要的信息集中在時(shí)間記錄的初始部分，因此在這種情況下要避免用漢寧窗和余弦窗。不同類型的窗x(t)tx(t)tx(t)tx(t)ttx’(x(t)tT漢寧窗在有限傅立葉變換中的效果

對(duì)于信號(hào)處理另外還有很多技術(shù)，象細(xì)化、信號(hào)平均等我們這里就不一一討論了，有興趣的同學(xué)或所作的論文是動(dòng)態(tài)分析則應(yīng)參考有關(guān)的專著。x(t)tT漢寧窗在有限傅立葉變換中的效果對(duì)于第三章試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試技術(shù)課件第三章試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試技術(shù)課件41第三章試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試技術(shù)課件42？？43第三章試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試技術(shù)課件第三章試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試技術(shù)課件第三章試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試技術(shù)課件第三章試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試技術(shù)課件第三章試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試技術(shù)課件第三章試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試技術(shù)課件第三章試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試技術(shù)課件第三章試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試技術(shù)課件第三章試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試技術(shù)課件第三章試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試技術(shù)課件第三章試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試技術(shù)課件第三章試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試技術(shù)課件第三章試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試技術(shù)課件第三章試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試技術(shù)課件第三章試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試技術(shù)課件第三章試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試技術(shù)課件第三章試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試技術(shù)課件第三章試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試技術(shù)課件第三章試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試技術(shù)課件第三章試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試技術(shù)課件第三章試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試技術(shù)課件第三章試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試技術(shù)課件第三章試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試技術(shù)課件第三章試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試技術(shù)課件第三章試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試技術(shù)課件第三章試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試技術(shù)課件第三章試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試技術(shù)課件第三章試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試技術(shù)課件第三章試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試技術(shù)課件第三章試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試技術(shù)課件第三章試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試技術(shù)課件第三章試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試技術(shù)課件第三章試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試技術(shù)課件個(gè)人道德素養(yǎng)個(gè)人道德素養(yǎng)做好個(gè)人道德素養(yǎng)；不要因?yàn)樨澬”阋?，貪一時(shí)方便而不顧道德品行丟失把人格尊嚴(yán)都降低了。做好個(gè)人道德素養(yǎng)；不要因?yàn)樨澬”阋耍澮粫r(shí)方便而不顧道因?yàn)橐粋€(gè)人把道德品質(zhì)丟失了，再想建立起來將是萬分的困難。因?yàn)橐粋€(gè)人把道德品質(zhì)丟失了，再想建立起來將是萬分的困難所以每個(gè)人都應(yīng)該尊首道德底線，不應(yīng)敗壞基本道德品質(zhì)。所以每個(gè)人都應(yīng)該尊首道德底線，不應(yīng)敗壞基本道德品質(zhì)。以下是公司裡面出現(xiàn)的不好的現(xiàn)象：1、廁所紙巾偷到宿舍去用2、車間應(yīng)急藥箱裡面的藥偷走（偷盜行為可恥）以下是公司裡面出現(xiàn)的不好的現(xiàn)象：以下是公司裡面出現(xiàn)的不好的現(xiàn)象：1、公共場(chǎng)所隨意扔垃圾2、電視房垃圾亂丟以下是公司裡面出現(xiàn)的不好的現(xiàn)象：以下是公司裡面出現(xiàn)的不好的現(xiàn)象：惡意損壞公共財(cái)物以下是公司裡面出現(xiàn)的不好的現(xiàn)象：以下是公司裡面出現(xiàn)的不好的現(xiàn)象：吃飯不要浪廢食物以下是公司裡面出現(xiàn)的不好的現(xiàn)象：道德與生活

從字義看兩者的意義與差別:1、倫理的意義:倫—類別、關(guān)係；理—紋理、道理。倫理—人類社會(huì)裡種種身分間合理的關(guān)係，行為分際(做人要守本分)。(哪些人際關(guān)係、身分)2、道德的意義:道—道路、道理；德—獲得。道德—走人走的道路，便可獲得人的待遇。(不走捷徑、不誤入歧途→尊嚴(yán)、榮譽(yù))人道

(ps.如何批評(píng)一個(gè)人罔顧為人?)道德與生活

從字義看兩者的意義與差別:道德與生活

1、利己:理性認(rèn)識(shí)到遵守規(guī)範(fàn)有利於己。(奸商/信譽(yù)商人)2、利人:追求人性中的真、善、美。(崇高的可能性)。(愛人者人恆愛之，敬人者人恆敬之；德不孤必有鄰。)(典範(fàn)在夙昔--林靖娟、鐵達(dá)尼號(hào)的樂師、德雷莎修女、史懷德….)3、利己利人:兼顧自我理想與社會(huì)進(jìn)步。BillGates?不做”損人利己”之事。Ps.回想郭爾堡的道德認(rèn)知理論、馬斯洛的需求層次理論。道德與生活

1、利己:---THEEND---第三章試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試技術(shù)課件87試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析第三章結(jié)構(gòu)模態(tài)（導(dǎo)納）測(cè)試技術(shù)試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析第三章結(jié)構(gòu)模態(tài)（導(dǎo)納）測(cè)試技術(shù)3.0引言本章將討論模態(tài)試驗(yàn)所用的測(cè)量技術(shù)對(duì)于我們所研究的對(duì)象（系統(tǒng)）與外界的關(guān)系一般可用如下的圖來表示：輸入輸出系統(tǒng)這里：——輸入激勵(lì)（狹義地說是力，廣義地說就不一定了）——輸出響應(yīng)（位移、速度、加速度等）

——系統(tǒng)轉(zhuǎn)換函數(shù)（特性）（注意自變量是時(shí)間）3.0引言輸入輸出系統(tǒng)這里：——輸入激勵(lì)（用公式可表示為：響應(yīng)特性輸入=

由此可見，只有當(dāng)測(cè)定方程中的兩項(xiàng)時(shí)，才能完全測(cè)出試驗(yàn)對(duì)象的振動(dòng)情況。從機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)分析這角度來說，基本問題可以分成三類：1、已知系統(tǒng)的特性和輸入，求響應(yīng)———振動(dòng)分析問題例如，一機(jī)器由于轉(zhuǎn)動(dòng)軸的偏心產(chǎn)生振動(dòng)，這時(shí)輸入激勵(lì)是已知的，機(jī)器本身結(jié)構(gòu)的特性也是已知的現(xiàn)在要求系統(tǒng)的位移、速度、加速度。這稱為振動(dòng)分析問題。。用公式可表示為：響應(yīng)特性輸入=由此可見，只有2、已知輸出和系統(tǒng)的特性，要研究系統(tǒng)的輸入——?jiǎng)虞d荷識(shí)別（作載荷譜）或環(huán)境測(cè)試問題。3、已知系統(tǒng)輸入和輸出要識(shí)別或研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性——系統(tǒng)識(shí)別問題（試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析）

例如汽車工業(yè)中的路面譜分析問題，這對(duì)汽車工業(yè)是很重要的問題。噪聲對(duì)人體的影響問題，就要分析噪聲的頻率成分，即噪聲測(cè)量問題，也就是環(huán)境測(cè)試問題。

也就是說我們要根據(jù)測(cè)得的輸入、輸出來確定系統(tǒng)的物理參數(shù)。試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析就是要解決這類問題。有時(shí)這類測(cè)量統(tǒng)稱為“導(dǎo)納測(cè)量”2、已知輸出和系統(tǒng)的特性，要研究系統(tǒng)的輸入—3.1基本測(cè)量系統(tǒng)

盡管測(cè)試問題各種各樣、測(cè)量儀器各不相同，但基本測(cè)試系統(tǒng)還是十分簡(jiǎn)單的?？煞譃槿蟛糠郑杭醇?lì)系統(tǒng)、響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)和信號(hào)分析系統(tǒng)。這三個(gè)系統(tǒng)可由如下的簡(jiǎn)圖來表示：（論文撰寫時(shí)測(cè)試方案一般也應(yīng)用測(cè)試框圖來表示）3.1基本測(cè)量系統(tǒng)盡管測(cè)試問題各種各樣、測(cè)量儀器各不相信號(hào)源（如信號(hào)發(fā)生器）放大器（如功率放大器）傳感器（如力傳感器）記錄顯示器（如磁帶記錄儀）二次儀表（如電荷放大器）傳感器（如加速度傳感器）響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)被測(cè)對(duì)象信號(hào)分析數(shù)據(jù)處理儀器（如頻譜分析儀器）分析系統(tǒng)激勵(lì)系統(tǒng)信號(hào)源放大器傳感器記錄顯示器二次儀表傳感器響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)被測(cè)信3.2結(jié)構(gòu)準(zhǔn)備工作

導(dǎo)納測(cè)量全過程的一個(gè)重要準(zhǔn)備工作是在試驗(yàn)結(jié)構(gòu)本身，一般人常常沒有給予足夠的注意，致使整個(gè)試驗(yàn)的價(jià)值引起不必要的降低。實(shí)際上是一個(gè)所做試驗(yàn)的邊界條件是否與理論假設(shè)相符合（或近似），這對(duì)于搞力學(xué)專業(yè)的人較重視的。理論上要求被測(cè)對(duì)象是處于“自由”狀態(tài)，故所試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)是處于“自由”，有兩種方法來實(shí)現(xiàn)，即“懸掛”式和“地面支承”式。3.2結(jié)構(gòu)準(zhǔn)備工作導(dǎo)納測(cè)量全過程的一個(gè)重

懸掛式是將被測(cè)對(duì)象自由地懸掛在空間。在這種狀態(tài)下結(jié)構(gòu)將呈現(xiàn)由其質(zhì)量和慣性所確定的剛體模態(tài)，既無彎曲又無變形。對(duì)處于這種自由狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)，我們可以確定其剛體模態(tài)，乃至質(zhì)量和慣性特性，這些都是非常重要的數(shù)據(jù)。

當(dāng)然，實(shí)際上不可能提供真正的自由支承條件，結(jié)構(gòu)必須用某種方法支撐，在試驗(yàn)中提供一個(gè)十分接近這種狀態(tài)的懸掛系統(tǒng)是可能的。就是把試件支承在很軟的“彈簧”上，例如用很輕的彈性繩把試件吊起來。這時(shí)剛體模態(tài)的固有頻率不再為零，但相對(duì)那些彎曲模態(tài)，其值還是很低的。這里要注意的是懸掛系統(tǒng)可能對(duì)各種小阻尼試件有增加阻尼的影響。懸掛式是將被測(cè)對(duì)象自由地懸掛在空間。在這種狀態(tài)

另一種支承為稱為地面支承（固定支承），即設(shè)想將結(jié)構(gòu)上的某些點(diǎn)與地面固定連接。在理論上分析這個(gè)條件是非常容易實(shí)現(xiàn)的，即簡(jiǎn)單的刪去對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)即可。但在做試驗(yàn)時(shí)很困難因?yàn)槲覀兒茈y提供一個(gè)基礎(chǔ)或地基固定試驗(yàn)構(gòu)件，使其完全與地面固定。

理論上講模態(tài)試驗(yàn)應(yīng)該在自由支承條件下進(jìn)行，但在實(shí)際情況中，這種方法有時(shí)是行不通的。另一種支承為稱為地面支承（固定支承），即設(shè)想

例如，很大的試件，像發(fā)電機(jī)或土木結(jié)構(gòu)就不能在自由支承條件下試驗(yàn)。而自由支承條件試驗(yàn)在有的實(shí)際情況下是不合理的。再例如，我們考慮渦輪葉片的動(dòng)態(tài)特性時(shí)，就我們感興趣的是葉片相對(duì)軸的振動(dòng)模態(tài)，故完全可以用固定支承。對(duì)于測(cè)量導(dǎo)納來說，哪種形式的支承的試驗(yàn)是最好方式，沒有萬能的方法可以適合每個(gè)試驗(yàn)，須根據(jù)具體情況以及所研究問題的性質(zhì)來確定。例如，很大的試件，像發(fā)電機(jī)或土木結(jié)構(gòu)就不能在3.3結(jié)構(gòu)的激勵(lì)做試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析必須使構(gòu)件動(dòng)起來，故做試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析必須要有激勵(lì)裝置。激勵(lì)裝置從激勵(lì)方式來分有：接觸式和非接觸式；從激勵(lì)的信號(hào)類型看有：穩(wěn)態(tài)激勵(lì)（它包括周期激勵(lì)，正弦慢掃描激勵(lì)）；另外還有：隨機(jī)激勵(lì)；瞬態(tài)激勵(lì)。根據(jù)測(cè)試的不同需要采用不同激勵(lì)信號(hào)。狹義的說我們結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)常用的是瞬態(tài)激勵(lì)。

這些激勵(lì)信號(hào)都要通過一個(gè)激勵(lì)裝置來實(shí)現(xiàn)。一個(gè)激勵(lì)裝置工作指標(biāo)有：激勵(lì)力的大小，激勵(lì)頻率的范圍，以及他們的可控程度。下面我們就幾種常見的激勵(lì)裝置的特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)簡(jiǎn)單介紹一下。3.3結(jié)構(gòu)的激勵(lì)做試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析必須使構(gòu)件動(dòng)起來，故做3.3.1機(jī)械式激振器機(jī)械式激勵(lì)裝置是利用轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不平衡質(zhì)量慣性力作為激勵(lì)力的。在使用中靈活性較小，調(diào)節(jié)不方便。但他能產(chǎn)生頻率可變的常力。力的大小與慣性力有關(guān)，只有調(diào)節(jié)慣性力才能改變激勵(lì)力的幅值，故在振動(dòng)過程中是無法調(diào)整的。早期有這類裝置，目前使用不多。3.3.1機(jī)械式激振器機(jī)械式激勵(lì)裝置是利用轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不平衡質(zhì)量慣

電磁式振動(dòng)臺(tái)是最流行的一種激勵(lì)裝置，在這種激勵(lì)裝置中，輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成交變磁場(chǎng)，在磁場(chǎng)中放置一個(gè)線圈，該線圈與裝置的驅(qū)動(dòng)部分連接，驅(qū)動(dòng)部分與結(jié)構(gòu)相連。在這種情況下，激勵(lì)的頻率和幅值彼此是獨(dú)立控制的具有較大的可控性。這在通過共振點(diǎn)，需要改變激勵(lì)電平時(shí)特別實(shí)用。3.3.2電磁式激振器電磁式振動(dòng)臺(tái)是最流行的一種激勵(lì)裝置，在這種激3.3.3電液激振器

所謂電液激振器實(shí)際上就是液壓激振器。（在工程中又稱為伺服器）在這種裝置中，利用液壓原理進(jìn)行功率放大以產(chǎn)生很大的激振力。其一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)是可以模擬實(shí)際載荷進(jìn)行試驗(yàn)，因?yàn)樗梢栽诩屿o載荷的同時(shí)又加動(dòng)載荷。當(dāng)被試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)在工作承受振動(dòng)時(shí)，又承受較大的靜載荷。用這種電液激振器最好。電液激振器的另一優(yōu)點(diǎn)是可以產(chǎn)生較大的振幅這是電磁激振器所達(dá)不到的。電液激振器的工作頻率范圍是超低頻的，一般是0~1kHz的范圍內(nèi)。而電磁激振器的頻率范圍是30~50KHz。電液激振器的主要缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，試驗(yàn)費(fèi)用高。3.3.3電液激振器所謂電液激振器實(shí)際上就是tTcF(t)01msfH(f)01000HzfcfH(f)t0013.3.4手錘沖擊器激勵(lì)

另一種最常用的激勵(lì)方法是手錘沖擊法。從信號(hào)形式來看是屬于瞬時(shí)激勵(lì)。理論上講如果給一個(gè)脈沖激勵(lì)該脈沖激勵(lì)所含的頻率成分有無窮多個(gè)。但在實(shí)際激勵(lì)時(shí)我們是激不出用時(shí)為零幅值無窮大面積為1的理論脈沖信號(hào)的。tTcF(t)01msfH(f)01000HzfcfH(f)力傳感器錘頭錘帽

手錘的結(jié)構(gòu)如圖所示，它由錘頭、錘帽、錘把以及力傳感器組成。手錘沖擊法激出的信號(hào)、和其頻譜圖如圖所示。從圖中可以看出，當(dāng)錘帽撞擊被測(cè)試件時(shí)，結(jié)構(gòu)將承受一個(gè)相當(dāng)于半正弦波的力脈沖，而它的頻譜圖在低頻基本上是平坦的，之后就下降，再后就不定值變化了。因此需要對(duì)其進(jìn)行控制。這主要是靠錘帽的來控制，錘帽一般有鋼制的、鋁制的、塑料制作的以及橡皮制作的四種。另外操作的技巧也很有關(guān)系。力傳感器錘頭錘帽手錘的結(jié)構(gòu)如圖所示，它由錘頭3.4傳感器和放大器

現(xiàn)代傳感器的功能可以定義為：將我們要測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)換成電量（電壓、電阻、電荷、電流等）。目前工程上一般都要轉(zhuǎn)換為電壓，因?yàn)橛?jì)算機(jī)、記錄儀器、信號(hào)分析儀器一般是接受電壓信號(hào)。這種轉(zhuǎn)換大多由二次儀表來完成，如電阻應(yīng)變片是將應(yīng)變這物理量轉(zhuǎn)換為電阻量，再由應(yīng)變儀將電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；壓電傳感器是將被測(cè)的力、加速度等物理量轉(zhuǎn)換為電荷信號(hào)，再由電荷放大器將電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。3.4傳感器和放大器現(xiàn)代傳感器的功能可

壓電式傳感器是目前最流行的，也是試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)量中使用最廣泛的一種傳感器，只有在一些特殊情況下才使用其他類型的傳感器。因此我們將討論限制在這些壓電型傳感器上。用于導(dǎo)納測(cè)量的壓電式傳感器有三種：力傳感器、加速度傳感器、以及阻抗頭（所謂阻抗頭實(shí)際上就是將力傳感器和加速度傳感器組合在一個(gè)裝置中）。壓電式傳感器的基本工作原理是用壓電材料（天然的或人工的晶體，等等）做成的壓電元件。壓電材料主要有這樣的物理特性：當(dāng)其承受機(jī)械應(yīng)力時(shí)，在其端面會(huì)產(chǎn)生電荷。故通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，可以將晶體元件放到一個(gè)裝置中去，在這裝置中產(chǎn)生一個(gè)與被測(cè)物理量（也就是力和加速度）成正比電荷量。壓電式傳感器是目前最流行的，也是試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)量3.4.1力傳感器力傳感器是最簡(jiǎn)單的壓電式傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖所示。q晶體殼體FF

將被測(cè)的力直接作用在壓電晶體的端面上，因此就產(chǎn)生一個(gè)與力F成正比的的電荷q。為了提高傳感器的靈敏度，通常力傳感器用兩片晶體，并且使兩晶體的負(fù)電荷面與殼體相接，而兩晶體的正電荷面相互接觸成為內(nèi)表面。并引出導(dǎo)線。這種設(shè)計(jì)方法可使殼體的兩端不一定要絕緣。設(shè)計(jì)力傳感器的一個(gè)重要特性在于晶體與外殼的相對(duì)剛度值（軸向），因?yàn)槲覀兿Ｍ鶞y(cè)的力直接、全部傳到晶體上，故力傳感器兩端面的厚度是不一樣的，較薄的一面應(yīng)該連接到被測(cè)構(gòu)件上。所以在使用力傳感器時(shí)一般要注意“正反”面。3.4.1力傳感器力傳感器是最簡(jiǎn)單的壓電式傳感器，其結(jié)3.4.2加速度傳感器

在壓電加速度傳感器中，信號(hào)的轉(zhuǎn)換是間接的。它是利用一個(gè)輔助的慣性質(zhì)量來實(shí)現(xiàn)的。其結(jié)構(gòu)如圖所示。晶體慣性質(zhì)量予壓彈簧qmMk

在結(jié)構(gòu)中，施加到晶體上的力是慣性力（即）。由于殼體與慣性質(zhì)量是一起運(yùn)動(dòng)的，故與是相同的。傳感器的輸出將和殼體的加速度成正比，因而也和安裝傳感器結(jié)構(gòu)的加速度成正比。3.4.2加速度傳感器在壓電加速度傳感器3.4.3加速度傳感器的選擇加速度傳感器的選擇主要要考慮以下三個(gè)問題1、加速度傳感器的頻帶寬度。因此在選用傳感器時(shí)，要注意傳感器的可測(cè)頻帶是否復(fù)蓋我們所關(guān)心的被測(cè)對(duì)象的頻帶。2、加速度傳感器本身的質(zhì)量對(duì)測(cè)量結(jié)構(gòu)的影響。如果被測(cè)對(duì)象的質(zhì)量很大則影響不大，如果被測(cè)對(duì)象的質(zhì)量較小則必須選用質(zhì)量較小的傳感器，不然會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。3、加速度傳感器的靈敏度大小。一般來說，傳感器的靈敏度愈大愈好，但要注意靈敏度大的傳感器質(zhì)量也大，體積也大，對(duì)結(jié)構(gòu)的影響也大。3.4.3加速度傳感器的選擇加速度傳感器的選擇主要要考3.4.3加速度傳感器的選擇加速度傳感器的選擇主要要考慮以下三個(gè)問題1、加速度傳感器的頻帶寬度因此在選用傳感器時(shí)，要注意傳感器的可測(cè)頻帶是否復(fù)蓋我們所關(guān)心的被測(cè)對(duì)象的頻帶。2、加速度傳感器本身的質(zhì)量對(duì)測(cè)量結(jié)構(gòu)的影響如果被測(cè)對(duì)象的質(zhì)量很大則影響不大，如果被測(cè)對(duì)象的質(zhì)量較小則必須選用質(zhì)量較小的傳感器，不然會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。3、加速度傳感器的靈敏度大小一般說，傳感器的靈敏度愈大愈好，但要注意靈敏度大的傳感器質(zhì)量也大，體積也大，對(duì)結(jié)構(gòu)的影響也大。3.4.3加速度傳感器的選擇加速度傳感器的選擇主要要考3.4.5電荷放大器

壓電式傳感器的優(yōu)點(diǎn)之一是它為一個(gè)有源裝置，即工作時(shí)不要求電源。然而，這也是說它不能測(cè)量真正意義上的靜態(tài)量。故存在一個(gè)測(cè)量頻率的下限，低于該頻率時(shí)測(cè)量是無效的。這個(gè)頻率下限不但取決于傳感器本身的特性，而且還取決于所用的放大器。放大器的作用就是將壓電晶體所產(chǎn)生的很小的電荷轉(zhuǎn)換成足夠用于分析儀器的電壓。3.4.5電荷放大器壓電式傳感器的優(yōu)點(diǎn)

完成這功能有兩種放大器一種是電壓放大器，一種是電荷放大器。目前常用的是電荷放大器，電壓放大器已淘汰了。電荷放大器的主要優(yōu)點(diǎn)是可以放大頻率較低的電荷信號(hào)，連接導(dǎo)線對(duì)傳感器的靈敏度影響較小。但價(jià)格較貴。但近幾年隨著電子元?dú)饧陌l(fā)展這個(gè)問題已解決。完成這功能有兩種放大器一種是電壓放大器，一種3.5分析儀3.5.1分析儀的作用

從測(cè)試系統(tǒng)中可以看出當(dāng)二次儀表將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后必須要對(duì)所獲得的信號(hào)根據(jù)我們問題要求進(jìn)行分析處理。早期還有一種稱為跟蹤濾波器，它是一種模擬信號(hào)分析儀器，現(xiàn)在已淘汰。后來常用的主要是頻率響應(yīng)分析儀和譜分析儀，這兩種儀器現(xiàn)在都屬數(shù)字分析儀器。3.5分析儀從測(cè)試系統(tǒng)中可以看出當(dāng)二次儀表將被3.5.2頻率響應(yīng)分析儀

頻率響應(yīng)分析儀器是由跟蹤濾波器發(fā)展而來的，它是用于激勵(lì)方式為穩(wěn)態(tài)正弦激勵(lì)，即激勵(lì)的力是單一頻率的正弦力，然后一個(gè)頻率，一個(gè)頻率進(jìn)行頻率掃描，從而得到各種頻率下的響應(yīng)。但在這個(gè)裝置中，處理的核心部分是以數(shù)字方式進(jìn)行的而不是象早期的跟蹤濾波分析儀器那樣使用模擬電路。我們實(shí)驗(yàn)室的1170頻響分析儀器就是這一類儀器。頻率響應(yīng)分析儀器的最大優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量的結(jié)果精確，其最大的缺點(diǎn)是試驗(yàn)花費(fèi)的時(shí)間非常大。目前工程上使用漸漸少了，目前工程上主要用的是譜分析儀。3.5.2頻率響應(yīng)分析儀頻率響應(yīng)分析儀3.5.3譜分析儀

譜分析儀主要用于瞬態(tài)信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)的分析處理。象我們學(xué)校動(dòng)態(tài)中心的SD380、美國的5451C、英國的1125譜分析儀器等都是這一類儀器。它們也是屬于數(shù)字分析儀器，這種儀器可以根據(jù)需要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行多種特性的分析，如普通譜分析、功率譜分析、相干分析、倒譜分析等。所有這些分析都是基于離散的傅立葉變換。這里要注意的是，我們的主要目的是如何利用這些譜分析儀器來測(cè)量系統(tǒng)的導(dǎo)納所需要的一些參數(shù)。技術(shù)發(fā)展很快，近幾年這些完全由軟件來完成了。為了明確如何更好地使用這類分析儀器，他們的基本工作原理我們就不講了，這里主要介紹一些特殊處理。3.5.3譜分析儀譜分析儀主要用于瞬態(tài)信號(hào)和隨3.6數(shù)字信號(hào)處理3.6.1譜分析不管是硬件處理信號(hào)還是軟件處理信號(hào)，信號(hào)處理的目的，即譜分析的目的是估算輸入信號(hào)的傅立葉變換或譜密度。

傅立葉分析的基本理論大家已在高等數(shù)學(xué)中學(xué)過，我們這里只給出基本形式，就是說，周期為時(shí)間T的函數(shù)可寫成一個(gè)無限級(jí)數(shù)：（3—1a）

其中：和由確定，即3.6數(shù)字信號(hào)處理不管是硬件處理信號(hào)還是軟件處理信號(hào)，（3—1b）在離散后的情況下，只是一個(gè)有限的由一組個(gè)特定值加以確定的數(shù)組，這時(shí)我們可以寫出一個(gè)有限級(jí)數(shù)：（3—1c）系數(shù)，是函數(shù)的傅立葉系數(shù)一般用模形式表示：（3—1b）在離散后的情況下，只是一個(gè)有限

信號(hào)（力和加速度傳感器的輸出）是時(shí)域的。而所求的譜特性是頻域的。各種類型的時(shí)域信號(hào)以及它們的傅立葉變換，以及由DFT分析儀器用數(shù)字計(jì)算估算的近似值可用下圖來表示。信號(hào)（力和加速度傳感器的輸出）是時(shí)域的。而所3.6.2離散譜分析（DFT）的一些基本概念x(t)tx(t)tx(t)tx(t)t

在每一種情況下，輸入信號(hào)由一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器將信號(hào)數(shù)字化，并記錄為N個(gè)離散值的數(shù)組，在進(jìn)行測(cè)量的區(qū)間T內(nèi)，這些離散值之間的采樣間隔是相等的。于是，假定采樣時(shí)間T是周期的，利用上面（3—1c）計(jì)算有限的傅立葉級(jí)數(shù)（或變換）作為所需的傅立葉變換的估計(jì)值。目前使用最廣泛的算法是快速傅立葉變換（即FFT），它是由Cooley和Tukey于1965年在一篇名為《快速傅立葉變換》的文獻(xiàn)中提出的該方法，要求N是2的整數(shù)次冪，通常取值于256和4096之間（常用是1024）。3.6.2離散譜分析（DFT）的一些基本概念x(t)tx

采樣（或數(shù)字化）速率以及頻帶寬和分辨率之間存在著一個(gè)基本關(guān)系。頻帶寬是（稱為Nyquist頻率），譜線分辨率是。這里：

因?yàn)閷?duì)于給定的分析儀器，轉(zhuǎn)換次數(shù)（N）通常是固定的（大多是2的乘方：512，1024等等），所以復(fù)蓋的頻帶寬度和分辨率,完全由每個(gè)樣本的時(shí)間長度所確定。這個(gè)事實(shí)使分析儀器的使用受到了限制，如果處理不恰當(dāng)會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的分析結(jié)果。下一節(jié)我們將討論如何避免這些錯(cuò)誤所采取的一些方法。是信號(hào)樣本的長度。采樣（或數(shù)字化）速率以及頻帶寬和分3.6.3混迭與數(shù)字譜分析有關(guān)的一個(gè)問題成為“混迭”，它是由原來連續(xù)時(shí)間歷程的離散化而引起的。（如圖）在這種離散化過程中，如果采樣頻率太低，原始信號(hào)中所存在的高頻分量將會(huì)被曲解。實(shí)際上，這些高頻分量將以低頻形式出現(xiàn)，或更為確切地說，很難和真正的低頻分量相區(qū)別。如圖中，數(shù)字化一個(gè)“低”頻信號(hào)所得到的一組離散數(shù)據(jù)和把該過程用于較高頻率信號(hào)時(shí)所得結(jié)果可以是完全相同的。3.6.3混迭與數(shù)字譜分析有關(guān)的一個(gè)問題成為“混迭”，解決混迭問題首先可以（1）采用抗混濾波器將一部分高頻干擾信號(hào)成分用濾波器濾掉。這個(gè)抗混措施是非常重要的，因此通常將抗混濾波器作為分析儀器的一部分。也就是說抗混濾波器是分析儀器中的一部分。另一方面是（2）正確選取采樣頻率。理論上講采樣頻率至少是分析頻率的兩倍，即當(dāng)然采樣頻率愈大就愈不會(huì)產(chǎn)生混迭，但這就帶來采樣的樣本時(shí)間段短，或在同樣的時(shí)間段內(nèi)要處理的數(shù)據(jù)就增加。工程實(shí)際應(yīng)用時(shí)一般采用十倍的關(guān)系，即。解決混迭問題首先可以3.6.4泄漏在信號(hào)分析理論中，我們一般是假設(shè)所取的樣本有無限長，或在有限長信號(hào)下，作周期性假設(shè)。但實(shí)際所采的信號(hào)總是有限的，不管你的分析儀器的容量有多大，并且周期性假設(shè)與實(shí)際情況也是不同的。在采取有限長信號(hào)分析時(shí)就會(huì)帶來能量泄漏到靠近真實(shí)頻率旁的頻率上去。下面我們給出兩個(gè)由于周期性假設(shè)有誤差的兩種最好和最壞的情況。3.6.4泄漏在信號(hào)分析理論中，我們一般是假設(shè)所取的樣本樣本長度和譜的泄漏tx(t)Ttx(t)Tab樣本長度和譜的泄漏tx(t)Ttx(t)Tab3.6.5窗

解決泄漏問題的一個(gè)實(shí)用的方法是運(yùn)用加窗。問題的類型不同，